The effect of a fuel-assembly spacer grid on turbulence flow was studied by a numerical and an experimental method. The computational fluid dynamics analysis was performed to investigate an optimized computational domain, supporting spring and wall thickness effect, and mixing vane effect and to validate experimental results. Three types of channels, 2×2, 3×3 and 4×4 for IFM (Intermediate Flow Mixing) spacer grid and a 5×5 channel for a hybrid spacer grid were simulated using the FLUENT code. The measurements on turbulent flow through a 5×5 hybrid spacer grid in water were performed using LDA (Laser Doppler Anemometry) to obtain local velocity, turbulence intensity and pressure drop, and a fuel rod vibration was measured using a vibrometer. A hollow glass spheres with the diameter of 10㎛ were added to water as seeding particles for a better signal response.
The standard k-ε model and the unstructured mesh were used in the CFD simulation. The boundary condition of outlet was selected as outflow option, and that of side was selected as symmetry option in FLUENT. The number of mesh was 2,401,411 for a 4×4 IFM spacer grid, and 3,402,338 for a 5×5 hybrid spacer grid. As the convergence criterion $10^{-3}$ was used for all flow variables.
It was shown that the minimum channel number was a 4×4 channel for the prediction of local flow variables in the case of the simulation of a real fuel assembly whose channels were not periodic. The various flow-comparison factors were reviewed and proposed for the analysis of the effects of a spacer grid. The turbulent-related factors increased rapidly through the spacer grid and rapidly decreased downstream the spacer grid, and the swirl-related factors also increased rapidly and decreased more slowly than the turbulent-related factors. The effect of the supporting spring was very significant near the spacer grid for axial velocity change. The pressure drop by the spacer grid was estimated to be about two times of the pressure drop calculated by simple geometry neglecting the supporting spring and the wall thickness. The CFD prediction of a lateral velocity and turbulence intensity were in good agreement with experimental results, but the axial velocity was not. It is recommended that supporting springs can not be neglected for CFD simulation for more accurate predictions.
본 연구는 핵연료 봉다발 지지격자가 난류유동에 미치는 영향을 분석하기 위해 수치적방법과 실험적 방법을 사용해서 연구를 수행하였다. 수치계산을 위한 최적의 계산영역을 찾고, 지지 스프링과 판 두께, 그리고 혼합날개에 의한 영향을 분석하고 실험결과를 검증하기 위해서 전산유체역학적인 분석이 수행되었다. IFM 지지격자에 대해서는 FLUENT 코드를 이용해서 2×2, 3×3 그리고 4×4 부수로에 대해서 모사되었다. LDA를 사용한 실험에서는 5×5 의 Hybrid 지지격자에 대해서 국부속도분포와 난류유동이 측정되었고, 압력강하와 연료봉의 진동을 측정하는 실험 역시 수행되었다.
표준 k-ε 모델과 비정렬 격자가 CFD모사에 사용되었다. FLUENT 코드에서 출구의 경계조건으로 outflow, 옆면의 경계조건으로 symmetry를 사용하였다. 4×4 IFM 지지격자의 계산에서 총 mesh 수는 2,401,411 개 이고, 5×5 Hybrid 지지격자에서는 3,402,338 개의 mesh가 사용되었다. 수렴조건은 모든 유동변수가 $10^{-3}$ 이하로 설정하였다. 이 실험에서 보다 많은 신호를 얻기 위해서 지름이 10㎛인 hollow glass sphere를 물에 첨가하였다.
부수로가 주기적으로 배열되어있지 않은 실제 핵연료 봉다발을 모사하는데 있어서, 필요한 최소의 부수로는 4×4로 판명되었다. 지지격자의 영향을 분석하기 위해서 다양한 유동비교계수들이 정리되고 새롭게 제시되었다. 난류와 관련된 계수들은 지지격자를 통과하면서 급격히 증가했다가 통과한 이후에 급격히 감소하고, 회전에 관련된 계수들은 급격히 증가했다가 지지격자를 통과한 이후에 난류관련 계수보다 서서히 감소하는 경향을 나타내었다. 축방향 속도 변화를 예측하는데 있어서 지지격자 근처에서 지지 스프링에 의한 영향이 매우 크게 나타내었다. 실험에 의해 측정된 지지격자에 의한 압력강하는 지지 스프링과 판 두께를 무시하고 계산한 CFD 결과의 2배의 값을 나타내었다. 횡방향 속도와 난류강도는 CFD 계산결과와 실험결과가 잘 일치하지만, 축방향속도는 그렇지 않다. CFD 모사에서 더 정확한 계산을 위해서는 지지 스프링을 무시 할 수 없다는 결론을 얻었다. 이 연구는 원자로 내부 지지격자를 설계하는 데 이용된다.
