CFD 해석을 기반으로 한 CUPID 부수로 단위 해석 모듈의 지지격자-유도 횡류 모델 개선

Abstract

혼합날개는 핵연료봉의 냉각성 증대를 위한 구조물로, 전산 해석 분야에서 지지격자와 혼합날개에 의한 횡방향 유동을 모사하기 위한 모델의 연구가 활발히 진행중이다. 부수로 단위 해석 코드인 CTF에서는 지지격자-유도 횡류 모델을 사용하여 혼합날개에 의해 생성되는 횡류를 모사하고, 선행연구에서 CUPID 부수로 단위 해석에 지지격자-유도 횡류 모델을 적용하였다. 기존의 CUPID 코드에 적용된 지지격자-유도 횡류 모델의 경우 각 부수로에서 혼합날개의 효과를 나타내는 횡방향 대류 인자의 값에 대한 물리적 근거가 부족하였다. 또한 기존의 모델과 같이 부수로 종류와 무관하게 횡방향 대류 인자를 동일하게 정의하는 것이 타당한지 알아보기 위해 MATiS-H 실험의 CFD 해석을 통해 횡방향 대류 인자를 계산하였다. 그 결과 부수로 종류 별로 횡방향 대류 인자의 값이 다르다는 점을 발견하였고, CE-type 집합체의 제어봉 부근의 부수로에 대해서도 횡방향 대류 인자를 계산하였다. 수정된 횡방향 대류 인자를 CUPID 코드에 적용하여 PSBT 열 혼합 실험 검증을 진행하였다. 기존 모델과 같이 균일한 횡방향 대류 인자를 적용했을 때보다 수정된 횡방향 대류 인자를 적용했을 때 PSBT 열 혼합 실험 출구 온도 분포를 더 잘 예측하였고, 특히 온도가 가장 높은 부수로의 위치를 잘 예측하였다. APR1400 전노심 해석에서 수정된 횡방향 대류 인자를 적용하여 기존 계산과의 비교를 진행하였다. 전노심 수송 해석 코드인 nTRACER 계산의 출력 분포를 이용하여 8번 집합체의 단일 집합체 계산을 수행하여 기존 계산과의 차이점을 분석하였고, 전노심 계산에서 최소 DNBR을 비교한 결과 수정된 횡방향 대류 인자를 적용한 계산에서 최소값이 0.5% 가량 감소하였다. 선행연구에서 지지격자-유도 횡류 모델은 단상유동에 대해서만 적용이 되어 있었다. 이상유동 계산에서 모델의 적합성을 검증하기 위하여 PSBT 기포율 측정 실험 검증을 진행하였다. 지지격자-유도 횡류 모델은 단상 액체 유동 형태와 기포 유동 형태에 해당하는 부수로에 대하여 적용하였다. 지지격자-유도 횡류 모델을 적용하면 혼합날개 모델을 적용하지 않은 계산과 비교하여 기포율이 감소하고, 비등이 더 늦게 시작되는 특징이 있었고, 실험 결과를 상대적으로 더 잘 예측하였다. 기포율이 높은 실험에서 실험보다 비등의 시작 위치를 과도하게 낮게 예측하였고, 이를 해결하기 위해서는 기포율이 높은 부수로에서 혼합날개 모델을 적용하고, 혼합날개에 의한 기포의 유동을 모사하기 위한 실험적 데이터와 모델이 제시되어야 한다.

Mixing vane is a structure applied in rod bundle geometry, which enhances the coolability of nuclear fuel rods. In thermal-hydraulic analysis field, one of the essential issue is simulating the lateral flow due to mixing vane and spacer grid geometry. Grid-directed cross flow model is the model simulates lateral flow due to mixing vane in subchannel scale analysis code, CTF. This model is implemented in CUPID subchannel scale analysis in previous study. There was lack of physical basis for defining the lateral convection factor, which is the factor represents the intensity of lateral flow in CUPID subchannel scale analysis. Also in order to justify defining lateral convection factor equally for all subchannels, CFD analysis of MATiS-H experiment was used for calculating lateral convection factor. Lateral convection factor was various for each type of subchannels. Subchannels near the CE-type guide tube geometry were also considered for calculation of lateral convection factor. PSBT thermal mixing test was simulated for validation of modified lateral convection factor in CUPID code. Compared with the calculation that used uniform lateral convection factor like previous model, the new calculation result with modified lateral convection factor predicted well the PSBT thermal mixing test. Especially it predicts the location of the subchannel which had the highest temperature. APR1400 whole core simulation with modified lateral convection factor was compared with previous calculation. Power distribution from calculation result of nTRACER was used. Calculations of 8th subchannel with modified and uniform lateral convection factor was compared, and whole core calculations were also compared. Minimum DNBR from modified lateral convection factor was 0.5% less than minimum DNBR from uniform lateral convection factor. In previous study, grid-directed cross flow model was only implemented in single phase calculation. PSBT void measurement test was validated for justify the grid directed cross flow model from CUPID code in two phase simulation. Grid-directed cross flow model was implemented only in the subchannels in single phase liquid flow regime or bubble flow regime. Implementing the grid-directed cross flow model decreased the void fraction and set back boiling. Calculation result with grid-directed cross flow model well predicted the PSBT void measurement test than the calculation without mixing vane model. There were over predictions at test cases include high void fraction result. Therefore, implementation of grid-directed cross flow model in subchannels with high void fraction is needed. Also, experimental data about the bubbly flow near the mixing vane geometry was suggested for the model for simulating two phase flow near mixing vane in subchannel scale analysis.