This study provides the comprehensive thermal hydraulic analysis in triangular interior sub-channel of liquid metal fast breeder reactor. A stepwise approach is adopted to computational fluid dynamics simulations to investigate the flow, temperature fields and thermal mixing behavior with proper modeling procedures. Conventional advanced eddy-viscosity models and second-moment closure model are benchmarked referring to direct numerical simulation results. In the simplified rectangular flow channel with round obstacle which has a role in wire-wrapped structure in sub-channel, three cases of simulations are calculated with six different turbulent models. For resolving the viscous sub-layer region, the low $y^+$ approach is selected as a wall treatment where is available in candidate turbulent models. Both qualitative and quantitative comparisons are performed at special locations defined by the flow structures imposed by a combination of the axial and crossflow. In terms of flow statistics, the second-moment closure model, elliptic blending Reynolds stress transport model produces the most detailed results. Based on the swept flow simulations, two additional sets of heat transfer conditions are applied, Pr=1 and $Pr=10^{-2}$. In case of Pr=1, overall under-predictions are observed in case of elliptic blending RSM with all $y^+$ wall treatment which has a limitation in buffer-layer region. However, the lower Pr range, this tendency is completely disappeared due to the domination of the thermal diffusivity. For modeling the unitized triangular sub-channel assembly, two pairs of interior channels are combined to achieve the periodicity with helically wire-wrapped structure. Mainly observed variable in unit channel structure is temperature distribution with radial velocity streamlines. Also the Nu variations are investigated and compared to conventional correlations with provided geometry in terms of pitch-to-diameter ratio, periodic length of the wire-to-diameter ratio and Peclet number. From the calculation results, three individual formulations are suggested including the wire effect.
본 연구는 액체금속고속로의 부수로 영역에 대한 전반적인 열수력 해석을 수행하였다. 전산유체해석코드를 활용한 단계적 접근법으로 유동장, 온도장 및 열 혼합 현상을 조사하였으며, 난류 모사를 위해 고급 와동점성 모델 및 이차 모멘트 닫힘 모델에 대한 평가를 우선적으로 수행하였다. 사각유로의 양 측면에 유동 방해를 야기하는 구조체를 접목시켜 단순화된 와이어랩 부수로 형상을 모사하였다. 총 6종류의 난류 모델을 사용하여 점성저층의 유동을 모사하기 위해 벽면에서의 모델링 없이 낮은 $y^+$ 접근방식을 적용하였다. 직접수치모사 결과를 기준으로 하여 정성적 및 정량적으로 난류모델의 결과와 비교되었으며, 국부적인 세부 현상을 가장 잘 예측하는 모델은 레이놀즈 응력 전달 모델로 관찰되었다. 해당 유동장 해석을 기반으로 하여, Prandtl 수가 다른 두 경우에 대해 열전달 해석을 추가 수행하였다. Pr=1인 경우, 레이놀즈 응력 전달 모델은 대부분의 관찰 영역에서 온도 프로필이 대부분 저평가 하는 것을 관찰하였다. 다만 $Pr=10^{-2}$ 인 경우 이러한 현상은 대부분 해소되었으며 이러한 결과를 바탕으로 하여 실제 부수로 해석을 진행하였다.
와이어랩 구조가 적용된 부수로의 가장 기본 단위를 만족시키기 위해 두 개의 삼각채널을 결합한 형태의 형상 모델링을 수행하였다. 와이어의 설계 변수에 따른 계산을 수행하였으며, 핵연료봉의 간극 대비 반경 비율 및 와이어랩의 주기 길이 대비 핵연료봉의 반경 비율에 대한 계산을 수행하였다. 추가적으로 Peclet에 따른 온도장 해석 역시 이루어졌으며, 해당 데이터를 기반으로 하여 와이어랩에 의한 열 혼합 효과를 포함한 개별적인 열전달 상관식을 제시하였다.
