Development of a simulation tool for MHD flows under nuclear fusion conditions

In Nuclear Fusion Technology, MHD flows can be encountered in liquid metal (LM) breeding blankets, the part of a fusion reactor where tritium, one of the fusion fuels, is to be produced. There are several types of LM breeding blankets, which can be classified according to the fraction of the thermal load extracted by the LM. Such classification provides valuable information on liquid metal flow properties. For instance, if no heat removal is carried out by the LM, its velocity can be quite low, what makes buoyancy the predominant force in front of inertia. The flow inside breeding blanket channels can be very complex, particularly in those blanket types where buoyancy plays a relevant role. The understanding of the flow nature, including the possible instabilities that might appear, the exact knowledge of flow profiles for tritium control purposes, and the prediction of thermal fluxes for thermal efficiency analysis are of great interest for blanket design optimization. In this direction, a thermal-MHD coupled simulation tool has been implemented in the OpenFOAM toolkit. The resultant code can be understood as a preliminary predictive tool for liquid metal breeding blanket channel design. The developed code is a transient 3D tool that accounts for thermal-MHD coupling and can deal with several layers of materials. Various MHD modeling strategies have been studied, starting with the implementation of an induced magnetic field formulation and continuing with an electric potential formulation based on the low magnetic Reynolds approximation, in this case using the conservative formula of the Lorentz force proposed by Ni et al. (2007). Two pressure-velocity couplings have been analyzed. The first one is based on a projection method whereas the second one, which has proved to be more robust, follows a PISO-like algorithm (Weller et al. 1998). The thermal coupling has been achieved by means of the Boussinesq hypothesis. The developed tool accounts for the linear wall function for Hartmann boundary layers from Leboucher (1999), which reduces substantially the CPU time of the simulations. The code also accounts for fluid-solid thermal and electrical coupling by means of implicit coupling of fluid and solid grids. Special attention has been placed in correctly coupling liquid-solid energy transport equations by means of the conservative form of the equations in both domains. All along the development process, validation steps have been carried out with successful results. An alternative thermal-MHD tool has also been implemented following the 2D approach from Sommeria and Moreau (1982). Such code accounts for the 0-equation Q2D turbulence RANS model from Smolentsev and Moreau (2006). Three application cases are considered. In the first case, the integrated effect of volumetric heating and magnetic field on tritium transport in a U-bend flow, as applied to the EU HCLL blanket concept, is studied. The second application case corresponds to the thermal analysis of the blanket design that is being developed in the framework of the Spanish National Project on Breeding Blanket Technologies TECNO_FUS (through CONSOLIDER-INGENIO 2010 Programme). The third and last case includes the instability analysis of a pressure-driven MHD flow in a horizontal channel with a constant thermal load. The application cases have not only shown the code capabilities to simulate liquid metal channels in breeding blankets but, also, have provided a useful know-how on flow properties inside those channels.En Tecnologia de Fusió Nuclear, per descriure la circulació de fluids dins dels embolcalls regeneradors de metall líquid (ML) cal recórrer a la magnetohidrodinàmica (MHD). Un embolcall regenerador (o tritigeni) és la zona d'un reactor de fusió on es produeix triti, un dels combustibles de fusió. Els embolcalls regeneradors de ML poden classificar-se atenent a la fracció de la càrrega tèrmica extreta pel ML. Aquesta classificació proporciona informació valuosa sobre les propietats del flux de metall líquid. Per exemple, si el ML no extreu potència tèrmica, la seva velocitat pot ser bastant baixa, el que implica que la força dominant sigui la flotació en front de la inèrcia. El flux dins dels canals d’un embolcall regenerador pot ser molt complex, especialment en aquells tipus d’embolcall on la flotació juga un paper rellevant. La comprensió de la naturalesa del flux, incloent les inestabilitats que podrien aparèixer, el coneixement exacte dels perfils de flux per al control de triti, i la predicció de fluxos tèrmics per a l’anàlisi de l’eficiència tèrmica són de gran interès per a l’optimització del disseny. En aquest sentit, s’ha implementat un codi de simulació acoblada tèrmica-MHD en l’eina de codi lliure OpenFOAM. El codi resultant pot ser entès com una eina predictiva preliminar per al disseny dels canals de ML dels embolcalls regeneradors. El codi desenvolupat permet el càlcul transitori en 3D amb acoblament tèrmic-MHD i pot tractar amb diverses capes de materials. S’ha estudiat diferents models MHD, començant per la implementació d’una formulació basada en el camp magnètic induït i continuant amb una formulació basada en el potencial elèctric mitjançant l’aproximació per a Reynolds magnètics baixos, en aquest darrer cas utilitzant la fórmula conservativa de la força de Lorentz proposada per Ni et al. (2007). S’han analitzat dos acoblaments pressió-velocitat. El primer acoblament es basa en un mètode de projecció, mentre que el segon, que ha demostrat ser més robust, segueix un algorisme tipus PISO (Weller et al. 1998). L’acoblament tèrmic s'ha modelat per mitjà de la hipòtesi de Boussinesq. El codi desenvolupat compta amb la funció de paret lineal de Leboucher (1999) per a les capes límit de Hartmann, cosa que redueix substancialment el temps de CPU de les simulacions. El codi també inclou acoblament tèrmic i magnètic líquid-sòlid mitjançant l'acoblament implícit de les malles del fluid i del sòlid. S’ha tingut una cura especial en realitzar correctament aquest acoblament fluid-sòlid fent ús de la forma conservativa de l’equació d’energia en ambdós dominis. Al llarg del procés de desenvolupament, s’han dut a terme les corresponents validacions amb resultats satisfactoris. També s'ha implementat un codi tèrmic-MHD alternatiu basat en el model MHD 2D de Sommeria i Moreau (1982). Aquest segon codi té implementat el model RANS de 0-equacions de Smolentsev i Moreau (2006) per a la turbulència Q2D. Els codis desenvolupats s’han emprat en tres casos d’interès. En el primer cas, s’ha estudiat l’efecte integrat de l’escalfament volumètric i el camp magnètic en el transport de triti en un canal en U, com el que es pot trobar en el disseny d’embolcall regenerador UE HCLL. En el segon cas, s’ha realitzat una anàlisi tèrmica del disseny d’embolcall que s’està definint dins del Programa Nacional Espanyol en Tecnologia d’Embolcalls Regeneradors TECNO_FUS (a través del Programa CONSOLIDER-INGENIO 2010). En el tercer i últim cas, s’han analitzat les inestabilitats que tenen lloc en fluxos MHD en canals horitzontals amb gradient de pressió extern, amb camp magnètic transversal i amb una càrrega tèrmica uniforme. Els casos d’aplicació no només han demostrat la capacitat del codi per simular canals de metall líquid en embolcalls regeneradors; també han permès caracteritzar el flux a l’interior d’aquests canals.Postprint (published version

Estudio y análisis de la escasez física y económica de agua dulce en la India en función de la oferta y de la demanda

El objeto de esta memoria es analizar la problemática de la escasez física y económica de agua dulce en función de la oferta y de la demanda, tanto en la India como en el Subcontinente Indio. En un primer lugar se pretende evaluar la escasez física y económica de agua dulce en distintas regiones de la India identificando las principales causas de insostenibilidad. A continuación, y partir de las bases de datos de distintos organismos internacionales, se obtendrán indicadores macroeconómicos relacionados con la oferta y la demanda de agua dulce. El siguiente paso será aplicar una metodología de análisis dinámico en el tiempo1 teniendo en cuenta los factores conductores y las necesidades de desarrollo humano, lo que nos permitirá generar posibles escenarios de futuro. Se analizarán los escenarios Business as Usual, así como los estándares EURO y USACAN para el caso India. Para ello se recurrirá a un software que nos permita simular y validar el modelo a partir de un análisis de la situación actual y del pasado reciente, haciendo especial hincapié a las tendencias actuales e históricas y a los fenómenos de presión sobre el entorno. Posteriormente se aplicará el mismo modelo para elaborar distintos escenarios de futuro en los países que conforman el Subcontinente Indio a partir de la caracterización de la oferta y de la demanda dinámica. Concretamente se analizará el caso de Pakistán, Bangladesh, Nepal y Sri Lanka. El objetivo final será la elaboración de conclusiones que nos permitan cuantificar y justificar la escasez física y económica de agua dulce tanto en la India como en el Subcontinente Indio. En una primera instancia, se ha escogido el tema del agua ya que es el recurso principal y más importante de nuestro planeta, resultando esencial para la supervivencia de todas las formas de vida y cuyo futuro puede estar en riesgo si no se logran mejoras significativas en su gestión, fomentando un uso sostenible. Por otro lado, el presente estudio considera el caso concreto de la India, ya que en su vasto territorio se dan tanto situaciones de escasez física de agua como situaciones de escasez económica. Debido a la alta variabilidad espacial y temporal de las lluvias en este país, la distribución del recurso del agua es altamente desigual en términos de espacio y de tiempo. La India es un país con un nivel moderadamente alto de desnutrición según la FAO y con un Índice de Pobreza Multidimensional que lo sitúan en la posición 37 de los países peor situados en el ranking descrito en el Informe sobre Desarrollo Humano 2010 de las Naciones Unidas. Del mismo modo, el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD-ONU) establece que en el año 2006 todavía había un 11% de la población india sin acceso a agua potable. Asimismo, la población urbana de la India ha aumentado once veces durante el siglo XX y se concentra cada vez más en las grandes ciudades. Al haber una estrecha relación entre la demanda de agua dulce y el crecimiento poblacional en una localidad a lo largo del tiempo, nos ha parecido muy interesante considerar nuestro caso de estudio en la India. En esta memoria se descarta la inclusión de Bhután y Maldivas como casos de estudio, aunque son países que también forman parte de la subregión india. Esto se justifica tanto por la falta de datos procedentes de organismos internacionales como porque ambos países conjuntamente no representan más del 0,6% de la población del Subcontinente Indio y del 0,9% del área total de dicha subregión. Además, con la elección de Pakistán, que se caracteriza por su escasez física, Bangladesh por su escasez económica, Nepal por escasez física y económica a la vez, y Sri-Lanka sin escasez de tipo alguno, ya quedan plenamente recogidas todas las combinaciones posibles en cuanto a la temática de la escasez de agua dulce

Flow analysis in the HCLL-TBM ITER channels including MHD and heat transfer

One of the key components regarding heat transfer and tritium inventories in deuterium-tritium nuclear fusion reactors is the (tritium) Breeding Blanket, called Test Blanket Module or TBM in ITER experiment. Several designs are going to be tested in ITER, one of those is the HCLL (Helium Cooled Lithium Lead) design. Before being tested, it is of major interest to predict in detail several ow parameters such as pressure drop, tritium inventories and tritium permeation rates through walls. The goal of the present study is to analyze the ow near the gap region (close to the rst wall) in the HCLL-TBM so as to quantify tritium inventories and permeation uxes. To do so, simpli ed C-shaped channels are simulated under ITER speci cations. The ow appears to be very complex and, in order to get the origin of this complexity, the phe- nomenon physics are decoupled. First, the pure hydrodynamic case is simulated; obtaining that the critical Reynolds number is around TBM/ITER speci cations. Second, the MHD ow with perfectly insulating walls is studied and, as expected due to the high Hartmann number, hydrodynamic instabilities disappear. Finally, when heat transfer is introduced, vorticity is generated due to Rayleigh-B enard instabilities at the channel inlet and, as the ow travels through the channel, faster vortices appear in the gap region and in the outlet channel. These vortices originate high tritium concentration zones. Hence, the existence of vortices is of crucial interest for tritium inventories prediction and HCLL design.Postprint (published version

Conceptual design of the EU-DEMO dual coolant lithium lead equatorial module

© 20xx IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.Within the framework of EUROfusion Program, the Dual Coolant Lithium Lead (DCLL) is one of the four EU breeder blanket concepts that are being investigated as candidates for DEMO. DCLL uses PbLi as the main coolant, tritium breeder, tritium carrier, and neutron multiplier. The main structures, including the first wall, are cooled with helium. The EU program proposed for the next years will consider a DCLL version limited to 550 °C in order to allow the use of conventional materials and technologies. During the first year of EUROfusion activities, a draft design of the DCLL has been proposed. The main blanket performances were adapted to the new specifications and the CAD model of DEMO. The breeder zone has been toroidally divided into four parallel PbLi circuits, separated through stiffening grid radial walls. The PbLi flow routing has been designed to maximize the amount of thermal power extracted by flowing PbLi and to avoid the occurrence of reverse flows due to volumetric heating. Thermal hydraulics, magnetohydrodynamic and neutronics calculations have been performed for the first draft design. The new DCLL design employs Eurofer-alumina-Eurofer sandwich as flow channel insert (FCI).Postprint (published version

Enginyeria Industrial: guies per a una docència universitària amb perspectiva de gènere

L'Enginyeria Industrial forma part de les STEM, àmbit de coneixement molt masculinitzat on existeixen poques investigacions i manuals que aborden les problemàtiques específiques en clau de gènere. La Guia per a una docència universitària amb perspectiva de gènere d'Enginyeria Industrial ofereix propostes, exemples de bones pràctiques, recursos docents i eines de consulta que permeten desmasculinitzar aquest àmbit i visibilitzar els models femenins per potenciar l’accés de les dones als estudis de grau.Aquest projecte ha rebut finançament del Departament d’Empresa i Coneixement de la Generalitat de Catalunya.Mas De Les Valls Ortiz, E.; Peña Carrera, M. (2020). Enginyeria Industrial: guies per a una docència universitària amb perspectiva de gènere. Xarxa Vives d'Universitats. http://hdl.handle.net/10251/15073

An approach to verification and validation of MHD codes for fusion applications

We propose a new activity on verification and validation (V&V) of MHD codes presently employed by the fusion community as a predictive capability tool for liquid metal cooling applications, such as liquid metal blankets. The important steps in the development of MHD codes starting from the 1970s are outlined first and then basic MHD codes, which are currently in use by designers of liquid breeder blankets, are reviewed. A benchmark database of five problems has been proposed to cover a wide range of MHD flows from laminar fully developed to turbulent flows, which are of interest for fusion applications: (A) 2D fully developed laminar steady MHD flow, (B) 3D laminar, steady developing MHD flow in a non-uniform magnetic field, (C) quasi-two-dimensional MHD turbulent flow, (D) 3D turbulent MHD flow, and (E) MHD flow with heat transfer (buoyant convection). Finally, we introduce important details of the proposed activities, such as basic V&V rules and schedule. The main goal of the present paper is to help in establishing an efficient V&V framework and to initiate benchmarking among interested parties. The comparison results computed by the codes against analytical solutions and trusted experimental and numerical data as well as code-to-code comparisons will be presented and analyzed in companion paper/papers.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

A Formal Verification and Validation of a Low Magnetic Reynolds Number MHD Code for Fusion Applications

© 2022 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other worksAs the nuclear fusion research advances, resear-chers and engineers focus more on the design of the required systems that complement the nuclear fusion reaction in the plasma of a Tokamak. Some proposals for breeding blankets as well as plasma-facing components’ protection systems are based in liquid metal flows under the Tokamak intense magnetic fields. This creates the situation where induced magnetic field can be neglected and the low magnetic Reynolds number (Re) electric potential formulation can be used to close the magnetohydrodynamic (MHD) system of equations. In the last few years, many different laboratories have developed their own MHD codes to study the liquid metal flow. A formal verification and validation of such codes is necessary to enhance the reliability of the numerical results and to make sure that design decisions are based on safe grounds. The fusion community has made the effort of proposing standardized benchmark cases through which any MHD code should demonstrate its reliability. This work contains the formal validation and verification activities of the MHD code developed some years ago in the Universitat Politecnica de Catalunya (UPC) and currently candidate to contribute to the research done at the Princeton Plasma Phyisics Laboratory (PPPL). The code is implemented over OpenFOAM which makes it easily modifiable. Among these benchmark cases, there are high Hartmann number (Ha), 3-D flows, and magneto-convective interaction cases.Peer ReviewedObjectius de Desenvolupament Sostenible::9 - Indústria, Innovació i InfraestructuraPostprint (published version

Análisis numérico del comportamiento térmico y fluidodinámico de los gases de combustión en un horno tradicional para la producción de panela

Introduction: Panela is a product derived from sugar cane that is prepared using a traditional burner designed especially for this purpose. According to studies found in the literature, it was identified that the thermal efficiency of panela burners is 30% on average. Objective: The objective of this investigation is to contribute to the search for new alternatives for the improvement of the low efficiency present on these systems, mainly affecting the flue gases duct. Methodology: The development of this study is as follows: first, a research of the radiation and optical thickness effect in a simplified furnace is carried out. Afterward, a series of simulations with modifications in the design of the flue gas duct for a real size furnace are analyzed. Results: The results showed that the radiation effect must be considered and, even though the optical thickness is low, it has a relevant impact in the heat transfer process due to the high temperatures in the furnace. A chaotic movement of the gases implied more heat transferred to the heaters and high values of Nusselt with the addition of new elements in the duct were obtained. Conclusions: Arrangement 1, provides the best results with a Nusselt and thermal efficiency increase. No significant differences between the DOM and the P-1 radiation were found.Introducción: La panela es un producto derivado de la caña de azúcar. En su elaboración se utiliza una hornilla tradicional, diseñada especialmente para este propósito. Según estudios encontrados en la literatura, se ha identificado que la eficiencia térmica de las hornillas paneleras se estima en un 30% promedio. Objetivo: Esta investigación tiene como objetivo contribuir en la búsqueda de nuevas soluciones para el mejoramiento del nivel de eficiencia, modificando principalmente el ducto de humos. Metodología: El desarrollo de este estudio es el siguiente: primero, se realiza una investigación del efecto de la radiación y del espesor óptico en un horno simplificado. Posteriormente, se realiza una serie de simulaciones con modificaciones en el diseño del ducto de humos para un horno de tamaño real. Resultados: Los resultados mostraron que se debe considerar el efecto de la radiación. Aunque el espesor óptico sea bajo, tiene un impacto relevante en el proceso de transferencia de calor debido a las altas temperaturas en el horno. Un movimiento caótico de los gases implicó más calor transferido a las pailas, y se obtuvieron altos valores de Nusselt con la adición de nuevos elementos en el conducto. Conclusiones: El arreglo 1, proporciona los mejores resultados con un aumento de la eficiencia térmica y de Nusselt. No se encontraron diferencias significativas entre los modelos de radiación DOM y P-1