No description available.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第19994号 / 工博第4238号 / 新制||工||1656(附属図書館) / 33090 / 京都大学大学院工学研究科原子核工学専攻 / (主査)教授 功刀 資彰, 教授 佐々木 隆之, 准教授 横峯 健彦 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

The primary purpose of this investigation was to experimentally determine the effect of operational parameters on the onset of flow instability (OFI) in narrow, uniformly heated, vertical, rectangular channels. The geometry investigated was a 9.0 cm long rectangular channel with a 1.0mm by 1.3cm cross section. This geometry closely matches the coolant channel geometry in an accelerator target. Nitrogen-saturated subcooled water was used as the coolant, with mass fluxes ranging from 250 to 1336 kg/m^2 s, and an inlet temperature of 26ºC for the OFI experiments. The exit pressures investigated ranged from 275kPa to 620kPa, while the heat flux ranged from 0.729 to 2.236 MW/m^2. The primary data collected from these experiments were used to develop two correlations for the heat flux and mass flux at OFI. Wall temperature data were also collected in order to develop a Nusselt number correlation for the single-phase regime. This correlation is valid for the Reynolds number range of 6x103 to 1.7x104. The data obtained in this investigation will aid designers of high-power-density systems establish design limits to prevent over heating and possible damage due to the onset of flow instability. The data obtained in this investigation will aid designers of high-power-density systems establish design limits to prevent over heating and possible damage due to the onset of flow instability.

On the efforts to provide a reliable source of experimental information on turbulent subcooled boiling ow, time resolved Particle Tracking Velocimetry (PTV) experiments were carried out using HFE-301 refrigerant ow through a vertical rectangular channel with one heated wall. Measurements were performed at liquid Reynolds numbers of 3309, 9929 and 16549 over a wall heat flux range of 0.0 to 64.0 kW=m2. From the PTV measurements, liquid two dimensional turbulence statistics are available, such as: instantaneous 2-D velocity fields, time-averaged axial and normal velocities, axial and normal turbulence intensities, and Reynolds stresses. The present results agree with previous works and provide new information due to the 2-D nature of the technique, for instance, this work shows that by increasing heat ux, the boiling bubbles influence on the liquid phase is portrayed as a persistent increase of axial velocity on regions close to the heater wall. This persistent increase on the axial velocity reaches a maximum value attributed to the terminal bubble velocity. These new observed phenomena must be considered for the development and improvement of two-phase ow turbulence models. To this end, an extensive error analysis was also performed with emphasis on the applicability of the PTV measurement technique on optically inhomogeneous flows. The error quantification exhibited negligible optically induced errors for the current conditions, making the data acquired in this work a vast and reliable source.

[EN] The present PhD thesis aims at the development of a one-dimensional solver capable of solving single- and two-phase flow fluid systems. The novelty of this project lies in the use of an open source CFD platform, called OpenFOAM, as a development framework for the new tool. For the new solver development, the conservation equations based on Navier- Stokes (three-dimensional system) have been analyzed and reduced to one dimension. For the two-phase simulations, the Two Fluid Model method was used as base. In addition, a series of empirical models have been selected as closing equations of the system. The final solver includes a series of requirements that reinforce their capabilities. Among them, the use of a second mesh that represents the solid and takes into account the heat transmitted to the fluid by conduction through a solid, stands out. On the other hand, the possible transfer of mass between phases in twophase fluids has been taken into account. Similarly, a subcooled boiling model has been implemented which takes into account the possible generation of vapor near the wall while the bulk is kept below saturation temperature. Finally, this paper presents the verification and validation of the solver. The verification has been carried out mainly with the system code TRACE, whose validation has been demonstrated in numerous works and its use is very extended in the scientific community. For the validation, we have the results of two experimental cases that allow us to demonstrate the physical validity of the new application developed. The use of this platform allows for a much more direct coupling between one- and three-dimensional domains, obtaining a better optimization of the calculation. / [ES] El presente trabajo de doctorado tiene por objetivo el desarrollo de un solver unidimensional capaz de resolver sistemas de fluidos monofásicos y bifásicos. La novedad de este proyecto reside en el uso de una plataforma CFD de código abierto, llamada OpenFOAM, como marco para el desarrollo de la nueva herramienta. Para el desarrollo del nuevo solver, se han analizado las ecuaciones de conservación basadas en Navier-Stokes (tridimensionales) y se han reducido a una dimensión. Para la parte bifásica del solver, se utiliza el método Two Fluid Model. Además, se han incluido todos los modelos empíricos necesarios como ecuaciones de cierre del sistema. El solver final incluye una serie de requerimientos que refuerzan sus capacidades. Entre ellas, destacan, por un lado, el uso de una segunda malla que represente el sólido y tenga en cuenta el calor transmitido al fluido por conducción a través de un sólido. Por otro lado, se ha tenido en cuenta la posible transferencia de masa entre fases en fluidos bifásicos. Igualmente, se ha implementado un modelo de ebullición subenfriada que tiene en cuenta la posible generación de vapor cerca de la pared mientras el centro del fluido se mantiene por debajo de la temperatura de saturación. Finalmente, este trabajo presenta la verificación y validación del solver. La verificación se ha realizado principalmente con el código de sistema TRACE. Para la validación, se cuenta con los resultados de dos casos experimentales que permiten demostrar la validez física de la nueva aplicación desarrollada. La implementación del nuevo solver en esta plataforma abierta permite un futuro acoplamiento mucho más directo entre mallas unidimensionales y tridimensionales, obteniendo una mayor optimización del cálculo. / [CA] El present treball de doctorat té per objectiu el desenvolupament d'un nou solver unidimensional capaç de solucionar sistemes amb fluids monofàsics i bifàsics. La novetat d'aquest projecte resideix en l'ús d'una plataforma CFD de codi obert, anomenada OpenFOAM com a marc de desenvolupament de la nova eina. Per al desenvolupament del nou solver, s'han analitzat les equacions de conservació basades en Navier-Stokes (tridimensionals) i s'han reduït a una dimensió. Per a la part bifàsica del solver s'utilitza el mètode Two Fluid Model. A més, s'han inclòs tots els models empírics necessaris com a equacions de tancament del sistema. El solver final inclou una sèrie de requeriments que reforcen les seues capacitats. Entre elles, destaquen, d'una banda, l'ús d'una segona malla que represente el sòlid i es tinga en compte la calor transmesa al fluid per conducció a través d'un sòlid. D'altra banda, s'ha tingut en compte la possible transferència de massa entre fases en fluids bifàsics. Igualment, s'ha implementat un model d'ebullició subrefredada que té en compte la possible generació de vapor prop de la paret mentre el centre del fluid es manté per davall de la temperatura de saturació. Finalment, aquest treball presenta la verificació i validació del solver. La verificació s'ha realitzat principalment amb el codi de sistema TRACE, la validació del qual s'ha demostrat en nombrosos treballs i el seu ús està molt estés en la comunitat científica. Per a la validació, es compta amb els resultats de dos casos experimentals que permeten demostrar la validesa física de la nova aplicació desenvolupada. L'ús d'esta plataforma permiteix un futur acoblament més directe, entre elements unidimensionals i tridimensionals, obtenint una major optimització del càlcul. / Gómez-Zarzuela Quel, C. (2020). Development and assessment of a one-dimensional CFD solver for boiling flows in bubbly regimes [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/148368 / TESIS

Master of Science / Department of Mechanical and Nuclear Engineering / Donald L. Fenton / Increase in demand for energy necessitates nuclear power units to increase their peak power limits. This increase implies significant changes in the design of the nuclear power unit core in order to provide better economy and safety in operations. A major hindrance to the increase of nuclear reactor performance especially in Pressurized Water Reactors (PWR) is the so called ‘Axial Offset Anomaly (AOA)’. An Axial Offset Anomaly (AOA) is the unexpected change in the core axial power distribution during the operation of a PWR from the predicted distribution. This problem is thought to be occurring because of precipitation and deposition of lithiated compounds such as lithium metaborate (LiBO[subscript]2) on the fuel rod. Due to its intrinsic property, the deposited boron absorbs neutrons thereby affecting the total power distribution in the reactor. AOA is thought to occur when there is sufficient build up of crud deposits on the cladding during subcooled nucleate boiling. Predicting AOA is difficult because there is little information regarding the heat and mass transfer during subcooled nucleate boiling. This thesis describes the experimental investigation that was conducted to study the heat transfer characteristics during subcooled nucleate boiling at prototypical PWR conditions. Pool boiling tests were conducted with varying concentrations of LiBO[subscript]2 and boric acid (H[subscript]2BO[subscript]3) solutions along with deionized water. The experimental data collected includes the effect of coolant concentration, degree of subcooling, system pressure and heat flux on pool boiling heat transfer coefficients. An analysis of deposits formed on the fuel rod during subcooled nucleate boiling is also included in the thesis. The experimental results reveal that the pool boiling heat transfer coefficient is degraded by the presence of boric acid and lithium metaborate in water. At concentration of 5000 ppm in water, the boric acid solution reduced the heat transfer coefficient by 23% and lithium metaborate solution reduced the heat transfer coefficient by 26%.

Die vorliegende Dissertationsschrift beinhaltet die Ergebnisse der Untersuchung von loka-len und globalen Prozessen der Wärmeübertragung beim unterkühlten Strömungssieden. Sie ist an der Schnittstelle zwischen Reaktorsicherheitsforschung und der experimentellen Thermofluiddynamik für Phasenübergänge einzuordnen. In technischen Anwendungen zur effizienten Übertragung großer Wärmemengen spielt der Prozess des Siedens eine wichtige Rolle. Dieser Vorgang bewirkt einen starken Anstieg des Wärmetransportes von der beizten Wand an das Fluid bei vergleichsweise geringem Anstieg der Wandtemperatur. Der maximal übertragbare Wärmestrom beim Sieden wird begrenzt durch die sogenannte kritische Wärmestromdichte, deren Überschreitung zum thermomechanischen Versagen der beheizten Komponente führen kann. Aufgrund der Komplexität dieser Prozesse ist es trotz intensiver Arbeiten in den letzten Jahrzehnten noch nicht gelungen, diese Vorgänge detailliert zu modellieren. Eine Weiter-entwicklung der Modelle zur realistischen Beschreibung des unterkühlten Strömungssie-dens erfordert neuartige Untersuchungen, welche eine genaue Klassifizierung der partiellen Wärmeübergänge des Blasensiedens ermöglichen. Die Analyse partieller Wärmetransportgrößen beim unterkühlten Strömungssieden sowie der Einfluss variierender thermohydraulischer Randbedingungen ist Schwerpunkt dieser Arbeit. In der entwickelten Versuchsanlage erfolgt die Erfassung der Siedevorgänge bei Strömungsgeschwindigkeiten von 0,1 – 2 m/s und Eintrittstemperaturen von 60 - 98 °C. Mit Hilfe empfindlicher Temperaturmessungen in einem elektrisch beheizten Kapillarrohr innerhalb des Strömungskanals werden die globalen Vorgänge beim Übergang von Kon-vektion zum Sieden erfasst. Durch eine modellbasierte Bestimmung der Oberflächentem-peratur lassen sich Phänomene nachweisen, welche bisher weitestgehend unbeachtet ge-blieben sind. Die transparente Versuchsstrecke ermöglicht eine Erfassung der lokalen Sie-devorgänge mit optisch und zeitlich hochauflösenden Messverfahren. Durch die Entwick-lung neuer Algorithmen der digitalen Bildverarbeitung wurde eine umfangreiche, kenngrö-ßenorientierte Auswertung der in großem Umfang entstandenen Datenmengen realisiert. Der Einsatz transparenter und elektrisch leitfähiger Beschichtungen ermöglicht die mikro-skopische Erfassung des Blasenwachstums in weiten thermohydraulischen Parameterberei-chen. Mit erweiterten Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgt die detaillierte und dynamische Bewertung des Blasenwachstumsverhaltens. Die statistische Auswertung der Verläufe er-möglicht die Ableitung eines Blasenwachstumsmodells für unterkühltes Strömungssieden. In einer weiteren Versuchsanordnung werden die lokalen Wärmetransportvorgänge bei der Ablösung quasistatisch gewachsener Blasen mit Hilfe der Infrarot-Thermographie be-stimmt. Dadurch können erstmalig die aus der lokalen Abkühlung der beheizten Oberfläche durch Blasenablösung resultierenden Wärmeströme unter Vernachlässigung der Bla-senbildung experimentell quantifiziert werden. Weiterhin können die bisher theoretisch beschriebenen Driftströmungen beim Aufstieg der Blase experimentell nachgewiesen wer-den. Die ermittelten Größen und Zusammenhänge tragen zur Weiterentwicklung und zum Abbau von Unsicherheiten bei der Modellierung von Wärmetransportvorgängen beim unterkühlten Strömungssieden bei.

Die vorliegende Dissertationsschrift beinhaltet die Ergebnisse der Untersuchung von loka-len und globalen Prozessen der Wärmeübertragung beim unterkühlten Strömungssieden. Sie ist an der Schnittstelle zwischen Reaktorsicherheitsforschung und der experimentellen Thermofluiddynamik für Phasenübergänge einzuordnen. In technischen Anwendungen zur effizienten Übertragung großer Wärmemengen spielt der Prozess des Siedens eine wichtige Rolle. Dieser Vorgang bewirkt einen starken Anstieg des Wärmetransportes von der beizten Wand an das Fluid bei vergleichsweise geringem Anstieg der Wandtemperatur. Der maximal übertragbare Wärmestrom beim Sieden wird begrenzt durch die sogenannte kritische Wärmestromdichte, deren Überschreitung zum thermomechanischen Versagen der beheizten Komponente führen kann. Aufgrund der Komplexität dieser Prozesse ist es trotz intensiver Arbeiten in den letzten Jahrzehnten noch nicht gelungen, diese Vorgänge detailliert zu modellieren. Eine Weiter-entwicklung der Modelle zur realistischen Beschreibung des unterkühlten Strömungssie-dens erfordert neuartige Untersuchungen, welche eine genaue Klassifizierung der partiellen Wärmeübergänge des Blasensiedens ermöglichen. Die Analyse partieller Wärmetransportgrößen beim unterkühlten Strömungssieden sowie der Einfluss variierender thermohydraulischer Randbedingungen ist Schwerpunkt dieser Arbeit. In der entwickelten Versuchsanlage erfolgt die Erfassung der Siedevorgänge bei Strömungsgeschwindigkeiten von 0,1 – 2 m/s und Eintrittstemperaturen von 60 - 98 °C. Mit Hilfe empfindlicher Temperaturmessungen in einem elektrisch beheizten Kapillarrohr innerhalb des Strömungskanals werden die globalen Vorgänge beim Übergang von Kon-vektion zum Sieden erfasst. Durch eine modellbasierte Bestimmung der Oberflächentem-peratur lassen sich Phänomene nachweisen, welche bisher weitestgehend unbeachtet ge-blieben sind. Die transparente Versuchsstrecke ermöglicht eine Erfassung der lokalen Sie-devorgänge mit optisch und zeitlich hochauflösenden Messverfahren. Durch die Entwick-lung neuer Algorithmen der digitalen Bildverarbeitung wurde eine umfangreiche, kenngrö-ßenorientierte Auswertung der in großem Umfang entstandenen Datenmengen realisiert. Der Einsatz transparenter und elektrisch leitfähiger Beschichtungen ermöglicht die mikro-skopische Erfassung des Blasenwachstums in weiten thermohydraulischen Parameterberei-chen. Mit erweiterten Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgt die detaillierte und dynamische Bewertung des Blasenwachstumsverhaltens. Die statistische Auswertung der Verläufe er-möglicht die Ableitung eines Blasenwachstumsmodells für unterkühltes Strömungssieden. In einer weiteren Versuchsanordnung werden die lokalen Wärmetransportvorgänge bei der Ablösung quasistatisch gewachsener Blasen mit Hilfe der Infrarot-Thermographie be-stimmt. Dadurch können erstmalig die aus der lokalen Abkühlung der beheizten Oberfläche durch Blasenablösung resultierenden Wärmeströme unter Vernachlässigung der Bla-senbildung experimentell quantifiziert werden. Weiterhin können die bisher theoretisch beschriebenen Driftströmungen beim Aufstieg der Blase experimentell nachgewiesen wer-den. Die ermittelten Größen und Zusammenhänge tragen zur Weiterentwicklung und zum Abbau von Unsicherheiten bei der Modellierung von Wärmetransportvorgängen beim unterkühlten Strömungssieden bei.

<p>To improve the prediction of two-phase local structure and heat transfer in subcooled boiling flow, the wall nucleation phenomenon was studied to accurately model the wall source term in the interfacial area transport equation (IATE) for the use with the two-fluid model. The existing experimental datasets and modeling works of departure diameter, departure frequency and active nucleation site density were comprehensively reviewed. Since these parameters are coupled in the bubble ebullition cycles, simultaneous measurements of departure diameter, departure frequency and active nucleation site density were performed in a vertical annular test section. The ranges of the existing experimental database were extended to high pressure and high heat flux conditions. The stochastic characteristics of the departure diameter and departure frequency measured from a single nucleation site and over multiple nucleation sites were investigated. Significant variations between different nucleation sites were observed. A parametric study of departure diameter, departure frequency and nucleation site density were conducted at varying system pressure, heat flux, flow rate and subcooling conditions. The existing models of these parameters were evaluated with the experimental dataset of the existing and the present works. Significant discrepancies were observed between model predictions and experimental data, which indicates that the mechanism of nucleate boiling is not fully understood. The heat flux partitioning model was also evaluated. The results show that the heat flux at high pressure or low flow rate conditions was significantly underestimated. This may suggest that major heat transfer mechanisms are missing in the heat flux partitioning model.</p>