Simulación con CFD de una instalación experimental PTS (Pressure Thermal Shock)

[ES] La integridad estructural de los sistemas de tuberías es esencial para el correcto funcionamiento de las plantas nucleares. Una de las causas más importantes relacionadas con los fallos inesperados o roturas en dichos componentes son las cargas térmicas inducidas que se producen durante el mezclado de flujos a distinta temperatura. Mediante el uso de códigos fluidodinámicos (conocidos como CFD del inglés Computational Fluid Dynamics) puede llegar a preverse éstos fenómenos. En este trabajo se ha estudiado la fluctuación de temperatura que se produce tras mezclar dos flujos a distinta temperatura utilizando el código ANSYS® CFX. Los investigadores de Vattenfall Research & Development han desarrollado una instalación experimental para captar este fenómeno, aportando a la comunidad científica datos de validación de gran precisión. Utilizando esta información se ha reproducido el experimento mediante simulación numérica y se han comparado los resultados con las medidas reales. Dada la gran importancia de los modelos de turbulencia en la predicción de resultados, se han detallado las técnicas de cálculo que utilizan, profundizando en el modelo Large Eddy Simulations (LES). Se muestran los resultados de tres simulaciones llevadas a cabo utilizando LES con distinto modelado de las pequeñas escalas de torbellinos (modelos de subgrid). Adicionalmente se ha estudiado la sensibilidad que muestra la simulación al grado de refinado del mallado utilizado. Para ello se ha empleado un mallado de 3.8 millones de nodos y otro de 0.8 millones observando que el primero ajusta mejor los resultados a los valores experimentales. Se puede afirmar que, tras el análisis de resultados, los códigos CFD son capaces de reproducir correctamente el comportamiento de los fluidos. No obstante, en algunas zonas pudieron observarse ligeras discrepancias que se han discutido a lo largo del trabajo.[EN] The structural integrity of piping systems is essential for the proper operation of nuclear plants. One of the most important causes related to unexpected failures or breaks in these kind of components are induced thermal loads originated during the mixing of two fluids at different temperature. By using Computational Fluid Dynamics Codes (known as CFDs), these phenomena can be predicted. In this TFM, we have studied the temperature fluctuation that happens after mixing two streams at different temperature using the code ANSYS® CFX. Researchers at Vattenfall Research & Development have developed an experimental mock-up to capture this phenomenon, providing a highly accurate validation data to the scientific community. Using this information, the experiment was reproduced by numerical simulation and the results were compared with the actual measurements. Due to the importance of the turbulence models in the results prediction, the computational techniques that this models use have been detailed, going deeper into the Large Eddy Simulations Model (LES). The results of three simulations carried out using LES with different modeling of the small vortex scales (known as subgrid models) are shown. In addition, a sensitivity study has been carried out considering the degree of refining of the mesh used. For this purpose, a mesh of 3.8 million nodes and another one of 0.8 million have been used, observing that the first one obtains better results. Finally, after the analysis of the results, it can be said that CFD codes are able to correctly reproduce the behavior of fluid. However, in some areas there we slight discrepancies that have been discussed throughout the work.[CAT/VAL] La integritat estructural dels sistemes de canonades és essencial per al correcte funcionament de les plantes nuclears. Una de les causes més importants relacionades amb les fallades inesperades o ruptures en dites components són les càrregues tèrmiques induïdes que es produeixen durant el mesclat de fluxos a distinta temperatura. Per mitjà de l'ús de codis fluidodinàmics (coneguts com CFD de l'anglés Computational Fluids Dynamics) pot arribar a preveure's estos fenòmens. En aquest treball s'ha estudiat la fluctuació de temperatura que es produeix després de mesclar dos fluxos a distinta temperatura utilitzant el codi ANSYS® CFX. Els investigadors de Vattenfall Research & Development han desenvolupat una instal·lació experimental per a captar aquest fenomen, aportant a la comunitat científica dades de validació de gran precisió. Utilitzant esta informació s'ha reproduït l'experiment per mitjà de simulació numèrica i s'han comparat els resultats amb les mesures reals. Donada la gran importància dels models de turbulència en la predicció de resultats, s'han detallat les tècniques de càlcul que utilitzen, aprofundint en el model Large Eddy Simulations (ELS). Es mostren els resultats de tres simulacions dutes a terme utilitzant ELS amb distint modelatge de les xicotetes escales de remolins (models de subgrid). Addicionalment s'ha estudiat la sensibilitat que mostra la simulació al grau de refinat de la mallada utilitzat. Per a això s'ha empleat una mallada de 3.8 milions de nodes i un altre de 0.8 milions observant que el primer ajusta millor els resultats als valors experimentals. Es pot afirmar que, després de l'anàlisi de resultats, els codis CFD són capaços de reproduir correctament el comportament dels fluids. No obstant això, en algunes zones es van poder observar lleugeres discrepàncies que s'han discutit al llarg del treball.Rivera Durán, Y. (2017). Simulación con CFD de una instalación experimental PTS (Pressure Thermal Shock). Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/83962TFG

Experimental Measurements and CFD Results of Liquid Film Thickness in Vertical Downward Air-Water Annular Flow

[EN] Annular gas¿liquid flows have been extensively studied over the years. However, the nonlinear behavior of the interface is still currently the subject of study by multiple researchers worldwide. The appearance of a liquid layer on the wall and its turbulent behavior support the heat exchange of multiple systems in the industrial field. Research in this area allows the optimization of these installations as well as the analysis of possible safety problems if the liquid film disappears. This study first shows some of the most important findings obtained in the GEPELON experimental facility (GEneración de PElícula ONdulatoria or Wavy Film Generator). The facility was built in order to analyze the behavior of the liquid film in annular downward air¿water flow. The experimental range of the inlet conditions is 800¿8000 for the ReL and 0¿110,000 for the Reg. Measurements for the mean film thickness show a fairly good agreement with the empirical correlations and the measurements of other authors. One of the most demanded applications of this type of measurements is the validation of computational dynamics or CFD codes. Therefore, the experiment has been modeled using Ansys CFX software, and the simulation results have been compared with the experimental ones. This article outlines some of the reasons why two-phase flow simulations are currently challenging and how the codes are able to overcome them. Simulation predictions are fairly close to the experimental measurements, and the mean film thickness evolution when changing the boundary conditions also shows a good agreement.The authors are indebted to the plan of I+D support of the EXMOTRANSIN project ENE2016-79489-C2-1-P.Rivera-Durán, Y.; J. L. Muñoz-Cobo; A. Escrivá; C. Berna; Y. Córdova (2022). Experimental Measurements and CFD Results of Liquid Film Thickness in Vertical Downward Air-Water Annular Flow. International Journal of Computational Methods and Experimental Measurements. 10(2):93-103. https://doi.org/10.2495/CMEM-V10-N2-93-1039310310

Experiments in free falling and downward cocurrent annular flows-Characterization of liquid films and interfacial waves

[EN] Falling liquid films and downward cocurrent flows in rounded shape pipes have been experimentally studied during the last decades, estimating the evolution of its major characteristics. The most important variables during the formation and growth of surface waves in falling downward flows have been measured using conductance probes. The main objective of the current research paper is to study the dependency of the characteristics of the thin liquid layer for downward cocurrent annular flows. The GEPELON experimental facility consists of a vertical pipe with 3.8 m of useful test length. Two pipe diameters have been analysed in this experimental study, 42 and 30 mm, in which the range covered by the liquid Reynolds number varies between 570 and 8500 and 800-7900 respectively, while the gas Reynolds numbers vary from 0 to 7.9.10(4) and from 0 to 1.1.10(5) respectively for the mentioned pipe diameters. Up to five conductance probes have been placed along the pipes test sections to capture the liquid film thickness fluctuations along time at different distances of the pipe entrance for both developing and fully developed regions. After the study and analysis of the experimental data, the central point of this paper has been the development of new correlations for the liquid film thicknesses and the two major properties of the interfacial waves. Their adjustment procedure has been carried out in terms of dimensionless numbers, aiming to provide more general relationships. In particular, the magnitudes that characterise the interface behavior have been measured, particularly film thicknesses, average disturbance wave amplitudes, and disturbance wave frequencies for each boundary condition. An additional part of the document contains an extensive comparison between the results obtained in this study and the data and expressions of other authors. It has been confirmed the significant dispersion existing among different researchers, especially when analysing variables related to the interfacial waves. This highlights the lack of knowledge in some aspects even today. The different correlations proposed have been calculated based on the best fit of the data from all the series of experiments carried out in this study. Comparisons of the behaviour of these correlations with data from other researchers have also been included.This research is supported by the EXMOTRANSIN project ENE2016-79489-C2-1-P included in the I + D Spanish plan. Funding for open access charge: CRUE-Universitat Politècnica de València.Rivera-Durán, Y.; Berna, C.; Muñoz-Cobo, JL.; Escrivá, A.; Córdova, Y. (2022). Experiments in free falling and downward cocurrent annular flows-Characterization of liquid films and interfacial waves. Nuclear Engineering and Design. 392:1-23. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2022.11176912339

Analysis of Conductance Probes for Two-Phase Flow and Holdup Applications

[EN] In this paper we perform an analysis of the conductance probes used in two-phase flow applications especially for two-phase flow tomography of annular flow, to measure the waves produced in the interface with different boundary conditions without perturbing the flow, and in addition we examine the holdup applications as measuring the average void fraction in a given region. The method used to obtain the detector conductance between the electrodes is to solve analytically the generalized Laplace equation in 3D with the boundary conditions of the problem, and then to obtain the average potential difference between the detector electrodes. Then, dividing the current intensity circulating between the emitter and the receiver electrodes by the average potential difference yields the probe conductance, which depends on the geometric and physical characteristics of the measured system and the probe. This conductance is then non-dimensionalized by dividing by the conductance of the pipe full of water. In this way a set of analytical expression have been obtained for the conductance of two-plate sensors with different geometries and locations. We have performed an exhaustive comparison of the results obtained using the equations deduced in this paper with the experimental data from several authors in different cases with very good agreement. In some cases when the distribution of bubbles is not homogeneous, we have explored the different alternatives of the effective medium theory (EMT) in terms of the self-consistent EMT and the non-consistent EMT.This research was funded by Spain Ministry of Science and Technology previously dependent on MINECO (Ministry of Economy and Competitiveness), grant number ENE2016-79489-C2-1-P under Plan Nacional de I+D.Muñoz-Cobo González, JL.; Rivera-Durán, Y.; Berna Escriche, C.; Escrivá Castells, FA. (2020). Analysis of Conductance Probes for Two-Phase Flow and Holdup Applications. Sensors. 20(24):1-29. https://doi.org/10.3390/s20247042S129202

Experimental Characterization of the Dimensionless Momentum Length for Submerged Jet Discharges of Air-Steam Mixtures into Stagnant Water

[EN] A very efficient method of condensing the steam in various industrial applications is the steam direct discharge into pools with subcooled water. This kind of condensation is known as Direct Contact Condensation (DCC), by providing high heat transfer and mass exchange capacity, the steam condenses quickly. In the past few decades, many experiments have been carried out on the submerged jets of non-condensable gases and pure steam in pools, supplying much information of interest, but efforts are still being made to obtain more information. In particular, the research of steam and non-condensable gas mixtures is of great interest to the chemical, energy, and nuclear industry. Consequently, this study investigates the discharge behavior of air-steam mixtures in a pool with subcooled water by direct visualization techniques using a high-speed camera. To know the behavior of the dimensionless momentum length, tests were carried out considering several initial discharge conditions such as nozzle diameter, percentage of mixture, and flow rates. After image acquisition, a series of complex processing, filtering, and post-processing procedures are applied using a subroutine in MATLAB. The momentum length of the jet was measured and found to be heavily influenced by the nozzle diameter, the jet velocity, and the mixture percentage. A correlation is obtained for the dimensionless momentum length of the horizontal jet that depends on the Froude and Mach numbers.The authors would like to acknowledge the support provided through the Spanish project EXMOTRANSIN ENE2016-79489-C2-1-P and the Santiago Grisolía Program for the training of research personnel.Y. Córdova; D. Blanco; C. Berna; J. L. Muñoz-Cobo; A. Escrivá; Rivera-Durán, Y. (2022). Experimental Characterization of the Dimensionless Momentum Length for Submerged Jet Discharges of Air-Steam Mixtures into Stagnant Water. International Journal of Computational Methods and Experimental Measurements. 10(3):195-210. https://doi.org/10.2495/CMEM-V10-N3-195-21019521010

Expansión en Caos Polinómico como método de Cuantificación de la Incertidumbre en simulaciones CFD. Aplicación al benchmark Cold-Leg Mixing de la OECD/NE

[ES] En este documento se presenta un estudio de la metodología de cuantificación de la incertidumbre mediante Expansión en Caos Polinómico (PCE por sus siglas en inglés). La teoría presentada es aplicada a un benchmark de la OECD/NEA denominado Cold-Leg Mixing. Este benchmark está basado en la instalación experimental que recibe el mismo nombre y está desarrollada por la Texas A&M University. Se muestran varios estudios de sensibilidad para optimizar el cálculo de la simulación. El modelo de turbulencia utilizado finalmente corresponde a un modelo tipo Large Eddy Simulation. Los resultados de la simulación muestran una buena concordancia con las medidas experimentales, en especial después de aplicar el PCE.Los autores de este trabajo desean destacar la contribución del plan de apoyo I+D del proyecto EXMOTRANSIN ENE2016-79489-C2-1-P.Rivera-Durán, Y.; Muñoz-Cobo, JL.; Berna, C.; Escrivá, A. (2019). Expansión en Caos Polinómico como método de Cuantificación de la Incertidumbre en simulaciones CFD. Aplicación al benchmark Cold-Leg Mixing de la OECD/NE. Sociedad Nuclear Española. 1-8. http://hdl.handle.net/10251/180968S1

Characterization of the gas-liquid interfacial waves in vertical upward co-current annular flows

[EN] For more than fifty years, hundreds of research works have focused on the study of annular flow because of its huge importance in many industrial processes, for instance, chemical, petroleum, etc., being of particular interest in nuclear industry. Specifically, interfacial waves play a vital role in the mass, momentum and energy transference processes between gas and liquid phases. This paper describes the new experimental measurements of vertical upward co-current two-phase gas-liquid flow carried out in a tube with an inner diameter of 44 mm. The liquid film thickness and the major characteristics of the interfacial waves have been measured using a non-intrusive instrument, a conductance probe. The physical phenomenon in which this device is based is the change in the electrical conductivity between air and water, i.e., the electrical signal collected in the sensor receiver depends on the thickness of the liquid film layer. The experimental measurements range from 2000 to 3500 l/min for the gas volumetric flow rate, and from 4 to 10 l/min for the liquid volumetric flow rate. Correlation of the experimental measurements of liquid film thickness and the major properties of the interfacial waves have been analyzed using non-dimensional numbers. An important part of the document focuses on the comparison of the experimental data and the fitting correlations against several of the most widely used expressions. Throughout this paper, in addition to present all the available correlations, the existing scattering found when comparing against other expressions have been also confirmed, underlining the existence of gaps of knowledge even today. Emphasize that the proposed correlations are the ones that better fit the data of all experimental series carried out under the present study for the analyzed variables, with almost all the experimental points covered by the +/- 10% error bands of the new correlations.The authors are indebted to the plan of I+D support of the EXMOTRANSIN project ENE2016-79489-C2-1-P.Cuadros-Orón, JL.; Rivera-Durán, Y.; Berna, C.; Escrivá, A.; Muñoz-Cobo, JL.; Monrós-Andreu, G.; Chiva, S. (2019). Characterization of the gas-liquid interfacial waves in vertical upward co-current annular flows. Nuclear Engineering and Design. 346:112-130. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2019.03.008S11213034

Estudio de casos y resolución de problemas adaptados por alumno: "la clave del éxito"

[ES] Una de las principales estrategias de aprendizaje en las diferentes asignaturas técnicas y de ciencias puras se basa en la resolución de una gran variedad de problemas prácticos por parte de los alumnos. Esta resolución de problemas debe llevarse a cabo en cada uno de los diferentes módulos de la asignatura objeto de estudio. Para una mejor asimilación de estos conocimientos, sería necesario un trabajo continuo por parte de los alumnos. Así, la forma habitual de resolución de problemas por parte del profesor en clase hace que la mayoría de los alumnos pospongan su estudio hasta días antes de la evaluación. Por ello, mediante la realización de pruebas personalizadas para cada alumno y de forma periódica después de cada tema, se obliga al alumno a mantener el estudio de la asignatura al día. Pero, procediendo de este modo, los trabajos de planteamiento, seguimiento y corrección personalizada de los diferentes problemas requerirían una cantidad inasumible de recursos por parte de los profesores, especialmente cuando el número de alumnos en la clase es elevado. Por ello, una buena organización del tiempo y el uso de las diferentes herramientas disponibles deberían servir para minimizar estas necesidades de recursos (tutoría online, poliformaT, MatLab, etc.). En este contexto, es necesario utilizar alguna herramienta que facilite la realización y corrección de estos problemas personalizados. En este trabajo se presenta el desarrollo de la mencionada metodología junto con la herramienta de resolución de problemas semiautomatizada. En particular, como ejemplo práctico, se muestra la implementación de esta metodología aplicada a la asignatura "Termohidráulica y Uso del Vapor" impartida en el Máster en Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible de la Universitat Politècnica de València, aunque es aplicable a cualquier asignatura en la que sea necesario resolver diferentes problemas prácticos.Berna Escriche, C.; Rivera Durán, Y.; Escrivá Castells, FA.; Vargas Salgado, CA. (2022). Estudio de casos y resolución de problemas adaptados por alumno: "la clave del éxito". En Proceedings INNODOCT/21. International Conference on Innovation, Documentation and Education. Editorial Universitat Politècnica de València. 429-436. https://doi.org/10.4995/INN2021.2021.1337242943

Herramientas informáticas aplicadas a experimentos de laboratorio en asignaturas de Máster

[ES] En la actualidad, las herramientas informáticas se han convertido en un instrumento indispensable en la mayoría de los sectores del mundo industrial y de servicios. Por ello, las asignaturas de la Universidad cuentan cada vez más con prácticas de informática que relacionan lo que se explica en las clases teóricas con sus aplicaciones. Por tanto, es importante acercar a los estudiantes algunas de las herramientas más interesantes que puedan servirles de cara al futuro laboral. Dado que en muchas ocasiones las Universidades cuentan con laboratorios punteros se propone integrar prácticas de informática en estas instalaciones. A lo largo de este documento se muestra la metodología empleada para incluir la utilización de códigos de fluidodinámica computacional en las prácticas de la asignatura Introducción a la Termohidráulica y sus aplicaciones (Generación de Energía) del Máster Universitario en Ingeniería Industrial. Este tipo de códigos conocidos como CFD (Computational Fluid Dynamics) permiten modelar y simular el comportamiento de los fluidos dentro de un sistema. Aprovechando los experimentos que se realizan en el laboratorio de termohidráulica del Instituto Universitario de Investigación en Ingeniería Energética se ha diseñado una práctica que permita a los estudiantes entender el estado actual de desarrollo de estas herramientas y aprender las posibles aplicaciones disponibles tanto en investigación como en el mundo laboral.Los autores quieren agradecer al plan I+D del proyecto EXMOTRANSIN ENE2016-79489-C2-1-P por ofrecer la posibilidad de dar clases a Yago bajo la ayuda predoctoral BES-2017-080031 y poner en marcha las prácticas mencionadas en este documento.Rivera Durán, Y.; Berna Escriche, C.; Escrivá Castells, FA.; Vargas Salgado, CA. (2022). Herramientas informáticas aplicadas a experimentos de laboratorio en asignaturas de Máster. En Proceedings INNODOCT/21. International Conference on Innovation, Documentation and Education. Editorial Universitat Politècnica de València. 511-518. https://doi.org/10.4995/INN2021.2021.1340151151

Metodología práctica para el aprendizaje de habilidades relacionadas con la investigación en asignaturas de Máster

[ES] La forma habitual de incluir contenidos prácticos en las asignaturas suele consistir en complementar los aspectos explicados en las clases teóricas con determinadas aplicaciones o ejemplos próximos a la realidad de los trabajos en los que está basada la asignatura. Durante la etapa de máster, ya habiendo superado el grado, es importante que los alumnos conozcan la investigación como una de las posibles opciones de trabajo a las que tienen acceso tras finalizar los estudios. A lo largo de este documento se muestra la metodología empleada para acercar a los alumnos la investigación mediante la aplicación en la asignatura de Introducción a la termohidráulica y sus aplicaciones (Generación de Energía) del Máster Universitario en Ingeniería Industrial. Esto se lleva a cabo mediante la realización de las prácticas de la asignatura directamente en un laboratorio de investigación o tras visitarlo dependiendo del número de alumnos. La idea principal consiste en exponer de forma didáctica a los estudiantes algunos de los retos a los que se han enfrentado los investigadores y llevar a cabo un proceso resolutivo donde son los alumnos los que se tienen que encargar de resolverlos. En esta asignatura se han propuesto dos sesiones de prácticas en las que se presentan dos instalaciones experimentales. En primer lugar, se explica la distribución del laboratorio y las líneas generales del trabajo y de la investigación que se lleva a cabo en cada instalación y se razona cuál es la relación con la teoría vista en clase. Después la instalación se pone en marcha y se muestran los distintos sistemas de medida y control. Finalmente se lleva a cabo una discusión de forma que los estudiantes plantean de forma autónoma sus propias soluciones, después de resolver varias preguntas y problemas propuestos bajo la guía del profesor.Los autores quieren agradecer al plan I+D del proyecto EXMOTRANSIN ENE2016-79489-C2-1-P por ofrecer la posibilidad de impartición de clases a Yago Rivera Durán bajo la ayuda predoctoral BES-2017-080031 y poner en marcha las prácticas del artículo.Rivera Durán, Y.; Berna Escriche, C.; Escrivá Castells, FA.; Vargas Salgado, CA. (2022). Metodología práctica para el aprendizaje de habilidades relacionadas con la investigación en asignaturas de Máster. En Proceedings INNODOCT/21. International Conference on Innovation, Documentation and Education. Editorial Universitat Politècnica de València. 421-428. https://doi.org/10.4995/INN2021.2021.1337142142