عنوان ترجمه شده مقاله: شبیه سازی های دینامیک سیاسلات محاسباتی برای جریان زانوی لوله

One problem facing today’s nuclear power industry is flow-accelerated corrosion and erosion in pipe elbows. The Korean Atomic Energy Research Institute (KAERI) is performing experiments in their Flow-Accelerated Corrosion (FAC) test loop to better characterize these phenomena, and develop advanced sensor technologies for the condition monitoring of critical elbows on a continuous basis. In parallel with these experiments, Sandia National Laboratories is performing Computational Fluid Dynamic (CFD) simulations of the flow in one elbow of the FAC test loop. The simulations are being performed using the FLUENT commercial software developed and marketed by Fluent, Inc. The model geometry and mesh were created using the GAMBIT software, also from Fluent, Inc. This report documents the results of the simulations that have been made to date; baseline results employing the RNG k-ε turbulence model are presented. The predicted value for the diametrical pressure coefficient is in reasonably good agreement with published correlations. Plots of the velocities, pressure field, wall shear stress, and turbulent kinetic energy adjacent to the wall are shown within the elbow section. Somewhat to our surprise, these indicate that the maximum values of both wall shear stress and turbulent kinetic energy occur near the elbow entrance, on the inner radius of the bend. Additional simulations were performed for the same conditions, but with the RNG k-ε model replaced by either the standard k-ε, or the realizable k-ε turbulence model. The predictions using the standard k-ε model are quite similar to those obtained in the baseline simulation. However, with the realizable k-ε model, more significant differences are evident. The maximums in both wall shear stress and turbulent kinetic energy now appear on the outer radius, near the elbow exit, and are ~11% and 14% greater, respectively, than those predicted in the baseline calculation; secondary maxima in both quantities still occur near the elbow entrance on the inner radius. Which set of results better reflects reality must await experimental corroboration. Additional calculations demonstrate that whether or not FLUENT’s radial equilibrium pressure distribution option is used in the PRESSURE OUTLET boundary condition has no significant impact on the flowfield near the elbow. Simulations performed with and without the chemical sensor and associated support bracket that were present in the experiments demonstrate that the latter have a negligible influence on the flow in the vicinity of the elbow. The fact that the maxima in wall shear stress and turbulent kinetic energy occur on the inner radius is therefore not an artifact of having introduced the sensor into the flow

یک مشکل که صنعت توان هسته ای امروز با آن رو به روست، خوردگی و فرسایش تسهیل شده توسط جریان در زانوهای لوله است. موسسه تحقیقات انرژی اتمی کره (KAERI) آزمایشاتی را در حلقه تست خوردگی تسریع شده توسط جریان (FAC) آنها انجام می دهد تا این پدیده ها را بهتر مشخص سازد و فناوری های سنسوری پیشرفته ای را برای نظارت بر شرایط زانوهای مهم بر یک اساس پیوسته بوجود آورد. به موازات این آزمایشات، آزمایشگاه های استاندارد ساندیا در حال انجام شبیه سازی های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) روی یک زانوی حلقه تست FAC هستند. این شبیه سازی ها با استفاده از نرم افزار تجاری FLUENT که توسط موسسه فلوئنت ساخته و به بازار فرستاده شده است، انجام می شوند. هندسه مدل و شبکه بندی آن با استفاده از نرم افزار GAMBIT از این موسسه انجام شد. این گزارش نتایج شبیه سازی های صورت گرفته تا امروز را ارائه می دهد؛ نتایج مبنایی که از مدل اختلال RNG k-ε استفاده می کنند ارائه شده اند. مقدار پیش بینی شده برای ضریب فشار قطری در توافق نسبتا خوبی با همبستگی های منتشر شده است. نمودارهای سرعت، میدان فشار، تنش برشی دیواره و انرژی جنبشی اختلال در مجاورت دیواره، درون بخش زانو نشان داده شده اند. این ها نشان می دهند که مقادیر ماکزیمم تنش برشی دیواره و نیز انرژی جنبشی اختلال در نزدیکی ورودی زانو روی شعاع داخلی خمیدگی رخ می دهند. شبیه سازی های دیگری برای همین شرایط ولی با مدل RNG k-ε جایگزین شده با مدل k-ε استاندارد یا مدل اختلال k-ε قابل تشخیص انجام شدند. پیش بینی ها با استفاده از مدل k-ε استاندارد کاملا مشابه انچه در شبیه سازی مبنا به دست آمده ، هستند. با این همه با مدل k-ε قابل تشخیص، تفاوت های مهمتری را می توان دید. ماکزیمم ها هم در تنش برشی دیواره و هم انرژی جنبشی اختلال حالا روی شعاع خارجی در نزدیکی خروجی زانو ظاهر می شوند و به ترتیب ~11%  و  14% بزرگتر از مقادیر پیش بینی شده در محاسبه مبنا هستند؛ دومین ماکزیمم در هر کمیت هنوز در نزدیکی ورودی زانو روی شعاع داخلی رخ می دهد. اینکه کدام مجموعه نتایج واقعیت را بهترر نشان می دهند، منتظر تایید تجربیست. محاسبات دیگر نشان می دهند که چه گزینه توزیع فشار تعادلی شعاعی FLUENT در شرط مرزی خروجی فشار (PRESSURE OUTLET) به کار رود یا خیر، هیچ تاثیر مهمی روی میدان جریان نزدیک زانو ندارد. شبیه سازی های انجام شده با و بدون سنسور شیمیایی و قلاب پایه مربوطه که در آزمایشات وجود داشتند نشان می دهد که دومین مورد تاثیر ناچیزی را بر جریان در مجاورت زانو دارد. بنابراین این حقیقت که ماکزیمم در تنش برشی دیواره و انرژی جنبشی اختلال روی شعاع داخلی رخ می دهند، ناشی از وارد کردن سنسور به داخل جریان نیست

1-مقدمه

وزارت علوم و فناوری کره (MOST) و دپارتمان انرژی ایالات متحده (DOE) همراه با هم از طریق ابتکار تحقیقات انرژی هسته ای بین المللی (INERI) برای انجام یک برنامه تحقیقاتی مشترک درباره مسائل موثر بر صنعت قدرت هسته ای تشکیل تیم داده اند. یک مسئله، خوردگی/فرسایش مربوط به جریان در زانوهای لوله است. وقتی سیال (در اینجا آب) از زانویی یک لوله می گذرد، اندرکنش بین نیروهای مرکزگریز و ویسکوز ایجاد یک جریان ثانویه قوی در صفحه عمود بر محور لوله می شود. این جریان ثانویه متشکل از دو حلقه چرخنده مخالف جهت هم هر یک در نیمی از سطح مقطع لوله است. عمل شویندگی این حلقه ها می تواند فرآیندهای خوردگی و فرسایش دیواره لوله را تسریع ببخشد؛ این در مقابل می تواند به ارتعاشات اضافی منجر شده و احتمالا در خود دیواره ایجاد شکاف کند. موسسه تحقیقات انرژی اتمی کره (KAERI) آزمایشاتی را در حلقه تست خوردگی نشای از جریان (FAC) آنها انجام می دهند تا این پدیده ها را بهتر مشخص سازند و فناوری های سنسوری پیشرفته ای را برای نظارت بر شرایط بحرانی زانوها به صورت پیوسته ارائه دهند. در صورت موفقیت، این نظارت می تواند هشدار زودهنگامی برای پرسنل مربوطه درباره مشکلات احتمالی باشد و از این رو از قطعی های پیش بینی نشده که بسیار پرهزینه و مزاحم هستند اجتناب شود...