Helical tube bundles are usually used in the steam generator (SG) of High-Temperature Gas-Cooled Reactors (HTGRs) as the heat transfer area. The helical tube bundle is composed of multiple-layer helically coiled tubes, which are fixed by multiple sets of supporting structures. There are ideal flow paths separated by different layers of helical tubes. The velocity non-uniformity for different flow paths will affect the heat transfer tube temperature and the outlet steam temperature uniformity of different tube layers. In the shell side of the SG, turbulent cross flow over helical tube bundles are complicated and difficult to predict due to reverse pressure gradient and boundary layer separation. Due to the huge amount of computation resources consumption, there are few numerical simulation studies on the non-uniformity of cross flow over large-volume helical tube bundles.Two cases, namely the flow past a circular cylinder and cross flow over in-line tube bundles, are simulated to validate if Partially-Averaged Navier-Stokes (PANS) model is suitable for simulations of cross flow over helical tube bundles. The simulation results of k-ω SST PANS model are well agree with the average and local experimental data. Therefore, k-ω SST PANS model is used to investigate the influences of the supporting structure and helical diameter on the non-uniformity of cross flow over ideal helical tube bundles. The helix angle of helical tube bundle is neglected. The computational domain consists of 5 rows of helically coiled tubes in the streamwise direction. Periodic boundary conditions are used for the inlet and outlet to reduce the consumption of computing resources.For cross flow over helical tube bundles, there exists significant circumferential and radial velocities, which means there are secondary flows in the plane perpendicular to the streamwise direction. The radial velocity is about 16% of the streamwise velocity. Due to the presence of secondary flow, cross flow over individual tube is inclined, and the inclination direction changes at different circumferential positions. At the same circumferential position, the flow inclination direction is the same along the streamwise direction and radial direction. For helical tube bundles, the ratio of the blocking area to the flow area (blocking area ratio) of the inner, outer and middle flow paths are different. The blocking area ratio of the inner flow path is large, and the blocking area ratio of the outer flow path is small, resulting in non-uniform velocity distribution in different flow paths.Cross flow over helical tube bundles with three helical diameters (inner wall radius Ri is 0.02 m, 0.14 m and 0.26 m, respectively) are simulated. For small helical diameter tube bundle (Ri = 0.02 m), the maximum streamwise velocity non-uniformity is 16.6%. For tube bundles with middle and large helical diameters (Ri = 0.14 m and 0.26 m), the maximum streamwise velocity non-uniformity is 6.7% and 5.8%, respectively. The results show that the flow non-uniformity becomes more obvious for small helical diameter.The supporting structures results in more complex secondary flows. The secondary flows far from the supporting structures are larger than those in the region near the supporting structures. The supporting structures causes the blocking area ratio of inner, outer and middle flow paths vary with the helical diameter, and the blocking area ratio non-uniformity is larger than that without supporting structures. In the presence of supporting structures, the maximum streamwise velocity non-uniformities of small, middle and large helical diameter tube bundles are 22.0%, 8.8% and 6.3%, respectively. The effect of supporting structures on the flow non-uniformity increases as the helical diameter decreases. / Spiralformade rörknippen används vanligtvis i ånggeneratorn (SG) i gaskylda högtemperaturreaktorer (HTGR) som värmeöverföringsområde. Det spiralformade rörknippet består av flerskikts spiralformade rör, som är fixerade av flera uppsättningar stödkonstruktioner. Det finns idealiska flödesvägar åtskilda av olika lager av spiralformade rör. Hastighetsojämnheten för olika flödesvägar kommer att påverka värmeöverföringsrörets temperatur och utloppsångans temperaturlikformighet för olika rörskikt. På skalsidan av SG är turbulent tvärflöde över spiralformade rörknippen komplicerade och svåra att förutsäga på grund av omvänd tryckgradient och gränsskiktsseparation. På grund av den enorma förbrukningen av beräkningsresurser finns det få numeriska simuleringsstudier om ojämnheten i tvärflödet över spiralformade rörknippen med stora volymer.Två fall, nämligen flödet förbi en cirkulär cylinder och korsflödet över in-line rörknippen, simuleras för att validera om PANS-modellen (Partially-Averaged Navier-Stokes) är lämplig för simuleringar av tvärflöde över spiralformade rörknippen. Simuleringsresultaten för k-ω SST PANS-modellen stämmer väl överens med genomsnittliga och lokala experimentella data. Därför används k-ω SST PANS-modellen för att undersöka påverkan av stödstrukturen och spiraldiametern på ojämnheten i tvärflödet över ideala spiralformade rörknippen. Helixvinkeln för spiralformad rörbunt försummas. Beräkningsdomänen består av 5 rader spiralformade rör i strömriktningen. Periodiska randvillkor används för inlopp och utlopp för att minska förbrukningen av datorresurser.För tvärflöde över spiralformade rörknippen finns det signifikanta perifera och radiella hastigheter, vilket innebär att det finns sekundära flöden i planet vinkelrätt mot strömriktningen. Den radiella hastigheten är cirka 16 % av den strömvisa hastigheten. På grund av närvaron av sekundärt flöde lutar tvärflödet över enskilda rör och lutningsriktningen ändras vid olika omkretspositioner. Vid samma perifera position är flödesinklinationsriktningen densamma längs strömriktningen och radiell riktning. För spiralformade rörknippen är förhållandet mellan blockeringsarean och flödesarean (blockeringsareaförhållandet) för de inre, yttre och mellersta flödesvägarna olika. Blockeringsareaförhållandet för den inre flödesvägen är stort och blockeringsareaförhållandet för den yttre flödesvägen är litet, vilket resulterar i ojämn hastighetsfördelning i olika flödesvägar.Tvärflöde över spiralformade rörknippen med tre spiralformade diametrar (innerväggsradien Ri är 0,02 m, 0,14 m respektive 0,26 m) simuleras. För rörknippe med liten spiraldiameter (Ri = 0,02 m) är den maximala strömhastighetsolikformigheten 16,6 %. För rörknippen med mellersta och stora spiralformade diametrar (Ri = 0,14 m och 0,26 m) är den maximala strömhastighetsolikformigheten 6,7 % respektive 5,8 %. Resultaten visar att flödesojämnheten blir mer uppenbar för små spiralformade diametrar.De bärande strukturerna resulterar i mer komplexa sekundärflöden. Sekundärflödena långt från stödkonstruktionerna är större än de i området nära stödkonstruktionerna. De bärande strukturerna gör att blockeringsareaförhållandet för inre, yttre och mellersta flödesvägar varierar med den spiralformade diametern, och blockeringsareaförhållandets ojämnhet är större än utan stödkonstruktioner. I närvaro av stödkonstruktioner är de maximala strömhastighetsojämnheterna för små, mellersta och stora spiralformade rörknippen 22,0 %, 8,8 % respektive 6,3 %. Effekten av stödkonstruktioner på flödesojämnheten ökar när den spiralformade diametern minskar.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-346919 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Ma, Anxiang |
| Publisher | KTH, Fysik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-SCI-GRU ; 2024:046 |
Page generated in 0.0056 seconds