In this thesis, an innovative coarse grid CFD approach is developed that aims toexploit the capabilities of sub-channel codes and CFD methods while overcoming theirlimitations. In the approach, a very coarse mesh is implemented in the CFD softwareOpenFOAM and a new wall treatment, based on the traditional concept of the wallfunction, is applied to the wall boundary conditions of the domain to take into accountthe low resolution of the grid which does not allow to effectively capture the effect of thesolid walls on the thermo-hydraulics of the flow. To investigate the performance of thenew approach, the method is implemented first in three simple test cases for whichthe sub-channel codes are the state-of-the-art thermo-hydraulic analysis since theyare single-phase flow problems in which there are no prevailing 3D flow conditions.An additional test case representing a 2x2 fuel bundle with three full-length rods andone half-length rod is investigated to verify the behavior of the new approach in caseswhere secondary flows are present. The results for the pressure fields are comparedwith the analytical pressure profiles for the four test cases that well represent the onesthat would be obtained with sub-channel code analysis, while the results for the wallshear stresses obtained in the four test cases are compared with the ones obtained witha more refined mesh in which the traditional wall function approach is implementedsince they should be the best estimation of the actual wall shear stresses at the walldomain. For the first two cases, the developed approach produces reasonable resultswith a good agreement to the analytical pressure profiles while the other two testcases show that the methodology has a limited applicability and, before proceedingwith the extension of the new approach to single-phase problems with 3D prevailingphenomena and two-phase problems, it is necessary to solve the issues that emerge forsome types of cases. / I denna avhandling utvecklas en innovativ CFD-metod med grovt rutnät som syftar till att utnyttja kapaciteten hos underkanalskoder och CFD-metoder och samtidigt övervinna deras begränsningar. I metoden implementeras ett mycket grovt nät i CFD-programvaran OpenFOAM och en ny väggbehandling, baserad på det traditionella konceptet med vägg väggfunktion, tillämpas på domänens vägggränsvillkor för att ta hänsyn till den låga upplösningen av nätet som inte tillåter att effektivt fånga effekten av de solida väggar på flödets termo-hydraulik. För att undersöka prestandan hos den nya tillvägagångssättet implementeras metoden först i tre enkla testfall för vilka subkanalskoderna är den senaste termo-hydrauliska analysen eftersom de är enfasflödesproblem där det inte finns några rådande 3D-flödesförhållanden.Ett ytterligare testfall som representerar ett 2x2 bränsleknippe med tre fullängdsstavar och en halvlång stav undersöks för att verifiera beteendet hos den nya metoden i fall där sekundära flöden förekommer. Resultaten för tryckfälten jämförs med de analytiska tryckprofilerna för de fyra testfall som väl representerar de som som skulle erhållas med kodanalys av underkanalen, medan resultaten för väggskjuvspänningarna skjuvspänningar som erhållits i de fyra testfallen jämförs med de som erhållits med ett mer förfinat nät i vilket den traditionella väggfunktionsmetoden är implementerad eftersom de bör vara den bästa uppskattningen av de faktiska väggskjuvspänningarna vid väggens domän. För de två första fallen ger den utvecklade metoden rimliga resultat med en god överensstämmelse med de analytiska tryckprofilerna medan de andra två visar att metoden har en begränsad tillämplighet och, innan man går vidare med utvidgningen av den nya metoden till enfasproblem med 3D-fenomen och två fenomen och tvåfasproblem, är det nödvändigt att lösa de problem som uppstår för vissa vissa typer av fall.

Single-phase CFD calculations are already widely applied in nuclear industry for the thermal-hydraulic design optimization of fuel assemblies (FA). In contrast, two-phase CFD-applications are still in the state of development. The work presented in this thesis shows contributions towards the detailed two-phase modeling of boiling flows under swirl conditions in sub-channel geometries of pressurized water reactors (PWR) FAs, including a realistic description of the critical heat flux (CHF)-phenomena and identification of two-phase indicators characterizing CHF-phenomena. The numerical simulations were conducted with a 3-D CFD code (STAR CD) for various types of swirl generating components in FA. New insights regarding local void distribution in sub-channels under swirl conditions were obtained, which are relevant for CHF (“bubble pockets”). Furthermore, an enhanced wall partitioning model provides a more realistic description of the steep increase of the rod temperature due to CHF. Presented validation studies showed good agreement with the available experiments under PWR conditions for the radial void distributions at non-CHF conditions as well as for the CHF prediction. The results performed in this thesis show the incentives and chances of two-phase CFD applications for the development of thermal-hydraulically optimized PWR spacer grids with regard to heat transfer and improvement to the CHF behaviour. / Einphasige CFD Analysen stellen für typische thermohydraulische Fragestellungen aus dem Kernkraftwerksbereich bereits jetzt ein wichtiges Werkzeug für die Brennelement (BE)¬Auslegung dar. Die zweiphasige CFD-Modellierung befindet sich dagegen in der Entwicklungsphase. Die in dieser Dissertation präsentierten Arbeiten zeigen Fortschritte für die detaillierte zweiphasige Modellierung drallbehafteter Strömungen im Unterkanal eines BEs des Druckwasserreaktors (DWR) einschließlich der realistischen Beschreibung des kritischen Wärmestroms (CHF) sowie die Bestimmung zweiphasiger Indikatoren, welche das Auftreten von CHF-Phänomen beschreiben. Verschiedene drallerzeugende Komponenten im BE wurden mit dem 3-D CFD-Code STAR-CD modelliert. Es wurden neue Erkenntnisse zur lokalen Blasenverteilung in Unterkanälen unter Drallbedingungen gewonnen, die für CHF relevant sind (“bubble pockets”). Durch eine Modifikation des Wärmeübergangsmodells (heat partitioning model) wird der starke Anstieg der Stabtemperatur infolge CHF realistischer beschrieben. Die durchgeführten Validierungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit verfügbaren Experimenten unter DWR-Bedingungen für die radialen Blasenverteilungen und für die Bestimmung von CHF. Die vorliegenden Ergebnisse dieser Dissertation verdeutlichen den Nutzen und die Möglichkeiten von zweiphasigen CFD-Anwendungen für die Entwicklung und die thermohydraulische Optimierung von DWR-Abstandshaltern bezüglich des Wärmeübergangs und der Verbesserung des CHF-Verhaltens. / Модели однофазовой среды в вычислительной гидродинамике (англ. CFD) являются уже сейчас важным инструментом для решения типичных термогидравлических задач в ядерной энергетике, например, при конструировании тепловыделяющих сборок (ТВС). Двухфазовое моделирование, в сравнении с однофазовым, находится на сегодняшний момент в стадии развития. Данная диссертация связана с совершенствованием двухфазовой модели в направлении улучшения детализации вихревого течения внутри ячейки ТВС в условиях работы двухконтурного ядерного реактора (тип PWR). Также в работе показана возможность более реалистичного описания феномена кризиса теплоотдачи и определения двухфазовых индикаторов, характеризующих критический тепловой поток (англ. CHF). Комплекс расчетов выполнен для различных интенсификаторов теплоотдачи, размещенных на дистанционирующих решетках TBC. Расчеты производились с помощью программного обеспечения STAR-CD, позволяющего моделировать трехмерные гидродинамические системы. Полученные новые данные о локальном распределении пузырьков в ячейках с вихревым течением дали важную информацию для идентификации критического теплового потока. Усовершенствование модели теплоотдачи на поверхности тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) позволило более реалистично описать резкое повышение температуры на поверхности ТВЭЛа при достижении критических условий. Полученные результаты численного моделирования для радиальных распределений пузырьков при нормальных условиях работы PWR и также для определения критического теплового потока показали хорошее совпадение с известными экспериментальными данными. Представленные в диссертации результаты показывают возможности применения двухфазовых CFD-расчётов для разработки и термогидравлической оптимизации дистанционирующих решеток с целью улучшения теплообмена и характеристик критического теплового потока в двухконтурном ядерном реакторе типа PWR.

Single-phase CFD calculations are already widely applied in nuclear industry for the thermal-hydraulic design optimization of fuel assemblies (FA). In contrast, two-phase CFD-applications are still in the state of development. The work presented in this thesis shows contributions towards the detailed two-phase modeling of boiling flows under swirl conditions in sub-channel geometries of pressurized water reactors (PWR) FAs, including a realistic description of the critical heat flux (CHF)-phenomena and identification of two-phase indicators characterizing CHF-phenomena. The numerical simulations were conducted with a 3-D CFD code (STAR CD) for various types of swirl generating components in FA. New insights regarding local void distribution in sub-channels under swirl conditions were obtained, which are relevant for CHF (“bubble pockets”). Furthermore, an enhanced wall partitioning model provides a more realistic description of the steep increase of the rod temperature due to CHF. Presented validation studies showed good agreement with the available experiments under PWR conditions for the radial void distributions at non-CHF conditions as well as for the CHF prediction. The results performed in this thesis show the incentives and chances of two-phase CFD applications for the development of thermal-hydraulically optimized PWR spacer grids with regard to heat transfer and improvement to the CHF behaviour. / Einphasige CFD Analysen stellen für typische thermohydraulische Fragestellungen aus dem Kernkraftwerksbereich bereits jetzt ein wichtiges Werkzeug für die Brennelement (BE)¬Auslegung dar. Die zweiphasige CFD-Modellierung befindet sich dagegen in der Entwicklungsphase. Die in dieser Dissertation präsentierten Arbeiten zeigen Fortschritte für die detaillierte zweiphasige Modellierung drallbehafteter Strömungen im Unterkanal eines BEs des Druckwasserreaktors (DWR) einschließlich der realistischen Beschreibung des kritischen Wärmestroms (CHF) sowie die Bestimmung zweiphasiger Indikatoren, welche das Auftreten von CHF-Phänomen beschreiben. Verschiedene drallerzeugende Komponenten im BE wurden mit dem 3-D CFD-Code STAR-CD modelliert. Es wurden neue Erkenntnisse zur lokalen Blasenverteilung in Unterkanälen unter Drallbedingungen gewonnen, die für CHF relevant sind (“bubble pockets”). Durch eine Modifikation des Wärmeübergangsmodells (heat partitioning model) wird der starke Anstieg der Stabtemperatur infolge CHF realistischer beschrieben. Die durchgeführten Validierungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit verfügbaren Experimenten unter DWR-Bedingungen für die radialen Blasenverteilungen und für die Bestimmung von CHF. Die vorliegenden Ergebnisse dieser Dissertation verdeutlichen den Nutzen und die Möglichkeiten von zweiphasigen CFD-Anwendungen für die Entwicklung und die thermohydraulische Optimierung von DWR-Abstandshaltern bezüglich des Wärmeübergangs und der Verbesserung des CHF-Verhaltens. / Модели однофазовой среды в вычислительной гидродинамике (англ. CFD) являются уже сейчас важным инструментом для решения типичных термогидравлических задач в ядерной энергетике, например, при конструировании тепловыделяющих сборок (ТВС). Двухфазовое моделирование, в сравнении с однофазовым, находится на сегодняшний момент в стадии развития. Данная диссертация связана с совершенствованием двухфазовой модели в направлении улучшения детализации вихревого течения внутри ячейки ТВС в условиях работы двухконтурного ядерного реактора (тип PWR). Также в работе показана возможность более реалистичного описания феномена кризиса теплоотдачи и определения двухфазовых индикаторов, характеризующих критический тепловой поток (англ. CHF). Комплекс расчетов выполнен для различных интенсификаторов теплоотдачи, размещенных на дистанционирующих решетках TBC. Расчеты производились с помощью программного обеспечения STAR-CD, позволяющего моделировать трехмерные гидродинамические системы. Полученные новые данные о локальном распределении пузырьков в ячейках с вихревым течением дали важную информацию для идентификации критического теплового потока. Усовершенствование модели теплоотдачи на поверхности тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) позволило более реалистично описать резкое повышение температуры на поверхности ТВЭЛа при достижении критических условий. Полученные результаты численного моделирования для радиальных распределений пузырьков при нормальных условиях работы PWR и также для определения критического теплового потока показали хорошее совпадение с известными экспериментальными данными. Представленные в диссертации результаты показывают возможности применения двухфазовых CFD-расчётов для разработки и термогидравлической оптимизации дистанционирующих решеток с целью улучшения теплообмена и характеристик критического теплового потока в двухконтурном ядерном реакторе типа PWR.

No description available.