Modelisation d’écoulement diphasique dans l’analyse du sous-canal de grappe d’assemblages

Two-phase flow modeling in the rod bundle subchannel analysis

Abstract

In order to practice a design-by-analysis of thermohydraulics design of BWR fuel rod bundles, the subchannel analysis would play a major role. There, the immediate concern is improvement in its predictive capability of CHF due in particular to the film dryout (boiling transition phenomena: BT) on the fuel rod surface. Constitutive equations in the subchannel analysis formulation are responsible for the quality of calculated results. The constitutive equations are a result of integration of the local and instantaneous description of two-phase flows over the subchannel control volume. In general, they are expressed in terms of subchannel-control-volume- as well as area-averaged two-phase flow state variables. In principle the information on local and instantaneous physical phenomena taking place inside subchannels must be counted for in the algebraic form of the equations on the basis of a more mechanistic modeling approach. They should include also influences of the multi-dimensional subchannel geometry and fluid material properties. Thermohydraulics phenomena of interests in this deed are:

1) vapor-liquid re-distribution by inter-subchannel exchanges due to the diversion cross flow, turbulent mixing and void drift,

2) liquid film behaviors,

3) transition of two-phase flow regimes,

4) droplet entrainment and deposition and

5) spacer-droplet interactions.

These are considered to be five key factors in understanding the BT in BWR fuel rod bundles.

In Japan, a university-industry consortium has been formed under the sponsorship of the Ministry of Economics, Trade and Industry. This paper describes an outline of the on-going project and, first, an outline of the current efforts is presented in developing a new two-fluid three field subchannel code NASCA being aimed at predicting onset of BT, and post BT phenomena in advanced BWR fuel rod bundles including those of the tight lattice configuration for a higher conversion. Then the current methodology adopted to improve the NASCA code capabilities for BT is described. There a combination of experimental and computational fluid dynamics approaches is undertaken to construct a two-phase fluid dynamics database. The experimental approach consists of

1) high-resolution airwater tests performed under the room-temperature and atmospheric pressure conditions for the intersubchannel exchanges, three-dimensional behaviors of liquid films, and spacer effects; and

2) integral steam-water tests performed at high-temperature and at higher pressure. In the integral tests, state-of the- arts of multi-phase flow measurement technologies are applied in order to obtain local and instantaneous data that reveal underlying detailed physical processes including high resolution void distributions inside a 4x4 bundle, liquid film thickness and two-phase flow regime.

The analytical approach consists of computational multi-phase fluid dynamics (CMFD) applicable to two-phase flows. A physical interpretation of the equilibrium two-phase flow redistribution inside a rod bundle is discussed that is considered to closely be related to the void drift phenomena.

Identification of interactions among dominant factors is a main objective of the integral test and acquired data will be utilized in verifying the improved subchannel code. Construction of a complete set of two-phase fluid dynamics database will be made by supplementing missing data regions with the aid of numerical analyses. Dependency on important state variables is extracted from the database and prototype constitutive equations are going to be proposed in the final stage of the project.

Résumé

Pour concevoir des assemblages de combustible BWR par analyse thermohydraulique, l'analyse de sous-canaux jouent un rôle important. Là, le souci immédiat est l’amélioration des possibilités prédictives de CHF dû en particulier à l’assèchement de film (phénomènes d'ébullition de transition : BT) sur la surface de barre de combustible. La qualité des résultats calculés dépend de la formulation des équations d'analyse représentant le sous-canal. Les équations constitutives résultent de l'intégration de la description locale et instantanée des écoulements diphasiques dans le volume de contrôle du sous-canal. En général, elles sont exprimées en termes des variables des phases en écoulement prises en moyennes d’espace du volume de contrôle du sous-canal. En principe l'information sur des phénomènes physiques locaux et instantanés à l'intérieur des sous-canaux doit être prise sous la forme algébrique des équations sur la base d'une approche de modèle plus mécaniste. Elles devrait inclure également l’influence des propriétés de la géométrie multidimensionnelle du fluide et du matérieau du sous-canal. Les phénomènes de thermohydraulique d'intérêt dans cette action sont :

1) redistribution de vapeur-liquide par échanges entre-sous-canaux due aux écoulements croisés de déviation, mélange turbulent et dérive de vide,

2) comportements de film liquide,

3) transition des régimes d'écoulement diphasique,

4) entraînement et dépôt de gouttelettes

5) interactions entretoise-gouttelette.

Ces phénomènes sont considérés comme les cinq facteurs principaux dans la compréhension de BT dans les grappes de barre de combustible de BWR.

Au Japon, un consortium université-industrie a été formé sous le patronage du Ministère des sciences de l’Economie, du Commerce et de l'Industrie. Cet article décrit le contour du projet en cours et, en premier, le contour des efforts courants pour développer un nouveau code NASCA de sous-canal à deux-fluides et trois domaines, en visant la prévision du début de BT, et les phénomènes post BT dans les assemblages avancés de barres de combustible BWR, y compris ceux de la configuration de réseaux serré pour une conversion plus élevée. Puis la méthodologie adoptée pour améliorer les possibilités du code de NASCA pour BT est décrite. Là une combinaison des approches expérimentales et de CFD est entreprise pour construire une base de données mécanique des fluides diphasiques. L'approche expérimentale se compose

1) d’essais à haute résolution air –eau exécutés dans des conditions de température ambiante et de pression atmosphérique pour les échanges entre sous-canaux, les comportements tridimensionnels des films liquides, et les effets d'entretoise ; et

2) d’essais intégralement en vapeur d’eau exécutés à température et pression plus élevées. Dans les essais intégraux, l'état de l’art des technologies de mesure d'écoulements multiphasiques est appliquée afin d'obtenir les données locales et instantanées qui décrivent les processus physiques détaillés fondamentaux comprenant les distributions de vides de haute résolution à l'intérieur d'un assemblage 4x4, l’épaisseur du film liquide et le régime d’écoulement diphasique.

L'approche analytique se compose de la dynamique des fluides mutiphasique numérique (CMFD) applicable aux écoulements diphasiques. Une interprétation physique de la redistribution de l’écoulement diphasique à l'équilibre à l'intérieur d'un assemblage de tige est discutée et considérée comme étroitement liée aux phénomènes de dérive de vides.

L’identification des interactions entre facteurs dominants est un objectif principal de l'essai intégral et des données acquises seront utilisées pour vérifier le code amélioré de sous-canal. L’élaboration d'un ensemble complet de base de données de la dynamique des fluides diphasiques sera complétée dans les régions de données manquantes, à l'aide des analyses numériques. Le rôle des variables d'état importantes est extrait de la base de données et les équations prototype constitutives vont être proposées à l'étape finale du projet.