An experimental and theoretical investigation of hydraulic characteristics of spiral wire spacer in rod bundles has been carried out to predict the pressure drop through wire wrapped rod bundles.
Under assumption that the universal velocity profile for circular tube can be applied to non-circular channel, a theoretical and general friction factor model for infinite triangular array bare rod bundle in turbulent flow region for small P/D, i.e., P/D≤1.2 has been introduced from the normalized wall shear stress profile. The model has been extended to be applicable to large P/D conditions, i.e., P/D>1.2, under assumption of uniform wall shear stress and the equivalent annular zone concept for large rod distance.
The turbulent friction factor for triangular array bare rod bundle in a duct has been developed based on the developed friction factor model for the infinite triangular array bare rod bundle by considering the effects of the wetted perimeter and the number of rods.
The present friction factor model shows good agreement with the friction factor data for overall P/D ranges.
To investigate the friction factor, the pressure drop, and the hydraulic characteristics of wire spacer, a series of experiment were performed over 19-pin wire-wrapped rod bundle. The experiments were performed with water as a working fluid under atmospheric pressure. Since the friction factor for wire-wrapped rod bundle depends to a large degree on the geometric parameters, i.e., P/D, H/D, the number of rod number, and the Reynolds number, the focus was given to determine the effect of these parameters. Four different test sections were manufactured in combinations of two different ratios of the wire diameter to the rod diameter (P/D) and two different ratios of the wire lead length to the rod diameter (H/D). A total of 293 experimental pressure drop measurement data have been obtained from the test sections varying the flow rate in the range of Reynolds number from 100 to 30,000.
Various geometric parameters have been identified from the present experimental works. The geometric effects of the wire spacer have been correlated as a multiplier to the bare rod friction factor.
The friction factor for triangular array wire-wrapped rod bundle in turbulent region has been developed from the turbulent friction factor for the triangular array bare rod bundle and the multiplier of the wire spacer effects.
The friction factors in the transition region have been calculated by combination of value of the turbulent friction factor and the value of laminar friction factor weighted by an intermittency factor.
The present and the existing friction factor correlations have been compared with the present and the existing measured friction factor data. The results of the comparisons show that the present model gives better prediction over the measured data than others.
와이어가 감겨있는 봉다발에서 발생하는 압력강하를 예측하기 위해서 핵연료집합체 내 나선형 와이어 스페이서의 수력학적 특징에 관한 실험적 이론적 연구를 수행하였다.
매끈한 원형관내의 속도분포식이 비원형관에 대해서도 적용가능함을 이용 하여, 봉간 간격이 작은 (P/D≤1.2) 무한 삼각형 배열의 번들의 내부수로에서의 벽면전단응력분포로부터 이론적인 난류영역 유동마찰계수 모델을 도입하였다. 이 모델을 기존의 실험결과로부터 봉간 간격이 커질수록 (P/D>1.2) 벽면전단응력이 균일하다는 가정과 등가 환상관 (equivalent annular zone)의 개념을 도입하여 P/D가 큰 경우에까지 적용가능한 유동마찰계수 상관식을 개발하였다.
개발된 외부 벽면이 없는 무한 삼각형 배열의 매끈한 봉다발의 유동마찰계수 모델부터 접수길이(wetted perimeter)에 대한 봉의 개수의 영향을 고려하여 벽면이 있는 삼각형 배열의 매끈한 봉다발에서의 난류 유동마찰계수 모델을 개발 하였다.
이 모델들을 기존의 실험 결과와 비교한 결과 봉간 간격이 작거나 큰 경우 모두에 대해서 실험 결과와 잘 맞았다.
와이어가 감긴 봉다발에서의 유동마찰계수와 압력강하 특성, 그리고 와이어 스페이서의 수력학적인 영향을 살펴보기 위해서 와이어가 감긴 19-핀 봉다발 시험부로 실험을 수행하였다. 실험은 대기압하에서 물을 작동유체로 수행하였다.
봉다발에서의 봉간 간격, 와이어 스페이서 리드(lead) 길이, 봉의 개수, 레이놀즈수 등의 파라미터들의 영향을 조사하는 것에 실험의 중점을 두고 봉간 간격(P/D)과 와이어 스페이서의 리드 길이(H/D)가 서로 다른 4개의 실험부에 대해서 실험을 수행하였다. 물의 온도와 레이놀즈수 100에서 30,000의 유량을 변화시키며 각각 293개의 압력강하 실험데이타를 얻었다.
본 실험 결과로부터 와이어 스페이서의 다양한 기하학적인 파라미터들을 확인하고, 이 파라미터들의 영향을 와이어 스페이서에 의한 증배계수의 형태로 개발하였다.
이 증배계수를 삼각형 배열의 매끈한 봉다발에 대한 유동마찰계수 상관식을 곱한 형태로 와이어가 감긴 봉다발에 대한 난류 영역에서의 유동마찰계수 상관식 을 개발했다.
천이영역에서의 유동마찰계수는 층류와 난류영역에서의 각각의 유동마찰 계수에 무게함수인 intermittency 인자를 곱한 후 각각을 더하여 얻었다.
본 연구에서 개발된 유동마찰계수 상관식과 기존의 상관식들을 본 실험 결과 및 기존의 실험 결과들과 비교하였다. 이 비교 결과, 본 연구에서 개발된 유동마찰 계수 상관식이 넓은 범위의 실험 조건에서 기존의 다른 상관식들보다 실험결과 들을 더 잘 예측하였다.