Design of SFR vortex-type fluidic diode port using topology optimization and computational fluid dynamics simulation

Abstract

소듐냉각고속로는 현재 연구가 진행되고 있는 대표적인 4세대 원전으로 계통의 형태에 따라 크게 루프형과 풀형으로 구분되며 최근에는 루프형과 풀형의 구조를 결합하여 안전성과 경제성이 향상된 하이브리드 루프-풀형 원자로가 제안되었다. 하이브리드 노형의 1차 계통에는 피동 유량 제어 장치인 Fluidic diode가 설치되어 있어, 정상운전 및 사고상태에 따라 유량 및 노심 열제거량을 피동적으로 조절한다. 따라서 Fluidic diode의 성능을 대표하는 Diodicity는 하이브리드 노형의 피동안전성을 확보하고 효율 손실을 최소화 하기 위해서 되도록 높게 유지되어야 하는 것이 중요하다. Vortex-type fluidic diode는 기존에 제안된 Fluidic diode 중 하나로, 본 연구에서는 위상최적화를 이용한 축방향 포트의 설계를 통해서 Fluidic Diode의 전체적인 성능을 향상시킬 수 있는 방안에 대해서 연구를 수행하였다. 위상최적화는 경계 조건이 주어진 설계 영역 내의 물질 분포를 최적화하는 수학적 방법으로, 목적함수를 최소화시키는 설계 변수를 도출한다. 위상최적화에서는 설계 변수로 밀도함수를 사용하는데, 이것은 각 격자마다 값이 정해지며 0 (고체 영역) 이상 1 (유체 영역) 이하의 연속적인 분포를 갖는다. 운동량 방정식에 다아시(Darcy) 마찰력 항을 추가함으로써, 유체, 고체 및 중간 영역의 유동을 하나의 방정식으로 풀 수 있다. 본 연구에서는 수치적 안정성과 위상최적화 결과 향상을 위해 Diodicity를 대체하는 새로운 목적함수를 유도하였다. 본 연구에서는 축방향 포트의 위상최적화 설계를 위해 2-D 축대칭 영역을 해석 영역으로 설정하였다. 다양한 레이놀즈수와 종횡비에 대해 위상최적화를 수행하였으며, 성능이 가장 높은 두 형상을 최적 설계로 선정하였다. 현재 유동해석을 위한 위상최적화는 층류영역에 주로 한정되어 있으며 따라서 본 연구에서도 층류 영역에서의 위상최적화를 적용하였다. 하지만 층류영역에서 높은 Diodicity를 가지는 포트는 난류영역에서도 높은 Diodicity를 가질 것으로 가정할 수 있으며, 이것을 검증하기 위해서 층류영역에서 얻어진 최적화 형상을 단순한 COMSOL CFD 모델에 적용하여 난류 영역에서 검증을 수행하였다. 그 결과 난류 영역에서의 성능은 층류에서 얻어진 성능과 동일하거나 더 큰 것으로 확인되었다. 포트의 실제 제작성을 저하시키는 요인을 줄이기 위해 Smoothing과 Trimming을 통해 형상을 단순화하였고, 중심/주변부 구조물을 고정하기 위한 지지대를 추가하여 최종 설계를 도출하였다. 최종 설계안에 대한 유동학적 특성을 살펴보고 정확한 성능검증 및 평가를 위해서 3차원 전산유체해석(CFD)을 수행하였다. 격자 모델 구성과 CFD 해석에는 각각 GRIDGEN과 ANSYS CFX가 사용되었다. 난류모델, 레이놀즈수, 입출구길이에 따른 영향을 살펴보기 위해 민감도 분석을 수행하였다. 그 결과 포트의 운전조건으로 예상되는 1×〖10〗^4<Re<1×〖10〗^5 영역에서 포트 A와 B의 성능은 각각 1.7~2.3, 3.7~4.5의 범위로 확인되었다. 각 와류에 의한 영향을 파악하고, 설계 개선점을 파악하며, 구조와 성능에 미치는 물리적 현상을 파악하기 위해 와류 분석을 수행하였다. 또한 CFD 해석 결과를 바탕으로 각 방향의 유동에 대한 마찰계수를 상수로 유도하였다.

Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) is one of the Generation IV reactor concepts which is currently being researched and known to have many advantages over the existing Pressurized Water Reactors (PWRs). The SFR is generally categorized into three different designs depending on the system configuration

loop-type, pool-type, and hybrid loop-pool type. Among them, the hybrid loop-pool type SFR has been proposed by INL (Idaho National Laboratory) which is a combination of loop-type design is the most recent concept which is a combination of loop-type and pool-type for enhanced safety and economic feasibility. In the hybrid concept, a passive flow control device, fluidic diode, is installed in the primary loop as a key safety component. Flow rate and thus heat removal to buffer pool are passively changed by fluidic diode according to the operation modes

normal operation or accident. Therefore the performance of fluidic diode, diodicity, is important for achieving passive safety of the system. The vortex-type fluidic diode is one of the existing passive fluidic diodes proposed for SFR applications. In order to achieve improvement of the existing design with enhanced diodicity, this study applied topology-optimization to the axial port of the vortex-type fluidic diode. Topology optimization is a mathematical method to optimize material distribution in design domain with predefined boundary condition. Design variable that makes the objective function minimum is to be obtained. In this method, Density function is used as design variable. Density function is defined on the basis of each grid predefined and the value is between 0 (solid region) and 1 (fluid region). Adding Darcy friction force term in momentum equation, flow through fluid, solid, and intermediate region can be solved with one equation. Objective function, a substitute for diodicity, is newly derived in this study for numerical stability and better topology optimization results. In this study, 2-D axisymmetric domain is selected for axial port design optimization. Topology optimization is conducted on various Reynolds numbers and aspect ratios within laminar flow regime. Two designs with high performance are selected as the optimum design. As these designs are optimized in laminar flow regime, preliminary performance validation is conducted in order to validate port performance up to turbulent regime. It is found that the performance is similar to or even greater than that of the preliminary design. Then, the geometry is simplified by smoothing and trimming based on geometrical sensitivity study and the whole part is finally designed by adding supporting structures to fix the central and surrounding structures. Port performance is evaluated in detail using 3-D CFD simulation in order to validate the final design and to analyze complicated flow and vortex precisely for further design improvement. Grid model is generated using GRIDGEN and CFD analysis is performed with ANSYS CFX. Sensitivity study is conducted in order to understand effects of turbulence model, Reynolds number, and entrance/exit length. It is found that the diodicity range is 1.7~2.3 for port A and 3.7~4.5 for port B in 1×104<Re<1×105. Vortex analysis is conducted to identify effects of each vortex on pressure loss, to have insight into further design improvement, and to understand physical phenomena affecting performance and structural integrity. Friction loss coefficients for the final design are evaluated using the CFD analysis results.