The FAC (Flow Accelerated Corrosion) issue is studied through measuring local velocities in the curved pipe in order to validate a CFD (Computational Fluid Dynamics) code. The ultrasound technique that has no fluid temperature dependency is selected to measure local velocities because it is non-intrusive to a flow and an accurate velocity measurement is possible. FLUENT is selected for the ultrasound velocimetry calibration in the straight pipe, for a data comparison in the curved pipe and for an analysis of the FAC problem.
A local velocity measurement using the ultrasound velocimetry is done not only in the 89.75mm diameter with 3m length straight pipe but also in the same diameter, 0.784m curve radius and 90° curved pipe. In the same flow condition and pipe geometry, the predictions by FLUENT are compared to the experimental data and the maximum error is 7.8%.
FLUENT is applied to a flow analysis for the FAC problem. A flow analysis includes a local velocity and shear stress measurement near the wall. A RNG κ-ε turbulence model is selected for the analysis. In the curved pipe with 0.482m/s uniform inlet velocity, this model shows only 0.0025 RMS error of the velocity, compared to the velocity by the ultrasound velocimetry. Various wall roughness heights are applied to boundary conditions of the pipe wall for the simulation that the pipe wall becomes rough as the FAC proceeds. A CANDU feeder pipe is selected for the real scale application of the FAC problem. The selected CANDU feeder pipe has 2.5in (0.0635m) inner diameter, 3.75in (0.09525m) curve radius and 73.1° curved pipe.
As a result, it is predicted that the severe FAC could proceed at the inner side of the pipe wall just after the inlet of the curved section and at the outer side of the pipe wall just after the curved section. Moreover, from the roughness heights variation result, it is predicted that the region at the outer side of the pipe wall just after the curved section becomes the most severe region for the FAC proceeding as the wall becomes rougher.
본 연구는 곡 관에서의 FAC (Flow Accelerated Corrosion) 현상을 해석하기 위해, 초음파 유속계를 이용해 계측한 실험 결과를 통해 신뢰성을 검증한 FLUENT를 사용하였다.
유체의 온도에 의한 영향이 없는 초음파 유속 계측 방법은 유동에 대한 간섭이 없고 정확한 유속 계측이 가능하기 때문에 실험 장비로 선택되었다. 상용 전산유체 코드인 FLUENT는 직관에서 초음파 유량계의 calibration을 수행하는 기초 데이터로 또 곡 관에서의 유속 실험 결과와의 비교 데이터로 또한 FAC 문제에 대한 유동 해석의 도구로서 선택되었다.
초음파를 이용한 유속 측정 장치는 내경 0.08975m, 길이 3m인 평형 관에서 calibration되었고 같은 내경의 곡률 반경 0.783875m인 90도 굽은 곡 관에 속도 계측이 수행되었다. 곡 관에 대한 실험 결과와 FLEUNT를 이용해 얻은 결과는 최고 7.8%의 오차만을 보였다.
FLUENT가 초음파 실험 결과를 통해 검증되었기 때문에, FLUENT를 이용한 곡 관의 유동 해석을 수행하였다. 이 때 사용한 난류 모델은 RNG κ-ε 모델로서, 0.482m/s의 입구 속도를 갖는 곡 관 실험 결과와 0.0025의 RMS 오차만을 보인다. 유동 해석은 관 전체의 속도 분포와 벽면 근처에서의 속도 분포 및 관 벽면에서의 전단 응력에 대해 수행되었다. 이 때, FAC가 일어나면 점점 더 관 벽면이 거칠어지고 이 때문에 다시 FAC율이 증가하는 현상의 모사를 위하여 다양한 거칠기의 관에 대한 코드 해석 역시 수행되었다. 같은 방법으로 중수로 배관에 대한 유동 해석도 수행되었다. 중수로 배관은 내경 2.5in (0.0635m), 곡률 반경 3.75in (0.09525m) 그리고 73.1도 굽은 관이 선택되었다.
FLUENT 해석을 통해, 곡 관에서 FAC 문제가 가장 심각하게 일어날 수 있는 지점은 곡관 입구 부분에서 곡률에 대해 안쪽인 관 벽면 지점과 곡관 출구 부분에서 곡률에 대해 바깥쪽인 관 벽면 지점이라는 것이 예측되었고, 특히 곡관 출구 부분이 관 벽면이 거칠어 질수록 더 높은 전단 응력 값을 보이는 것으로부터, FAC는 곡관 출구 부분에서 곡률에 대해 바깥쪽인 관 벽면 지점이 더 심각하게 전파될 것으로 예측되었다.
