In order to demonstrate the accuracy of predictions in a turbulent mixed convection regime in which both inertia and buoyancy force compete with each other, we found out that assessments done using a single-dimensional system code with a recently updated heat transfer package have shown that this approach cannot give a reasonable prediction of the wall temperature in a case involving strong heating, where the regime falls into turbulent mixed convection regime. It has been known that the main reason of this deficiency comes from the degraded heat transfer in turbulent mixed convection regime, which is below that of convective heat transfer during turbulent forced convection. We investigated two mechanisms that cause this deterioration in convective heat transfer influenced by buoyancy: (1) modification of turbulence, also known as the direct (structural) effect, through the buoyancy-induced production of turbulent kinetic energy; and (2) an indirect (external) effect that occurs through modification of the mean flow.
We investigated the Launder-Sharma model of turbulence whether it can appropriately represent the mechanisms causing the degraded heat transfer in Computational Fluid Dynamics (CFD). We found out that this model can capture low Re effects such that a non-equilibrium turbulent boundary layer in turbulent mixed convection regime can be resolved. The model was verified and validated extensively initially with the commercial CFD code, Fluent with a user application package known as the User Defined Function (UDF). The results from this implementation were compared to a set of data that included (1) an experimental data commonly accepted as a standardized problem to verify a turbulent flow, (2) the results from a Direct Numerical Simulation (DNS) in a turbulent forced and mixed convection regime, (3) empirical correlations regarding the friction coefficient and the non-dimensional heat transfer coefficient, the Nusselt number for a turbulent forced convection regime, and (4) recently conducted experiments in a deteriorated turbulent heat transfer regime. The validation proved that the Launder-Sharma model can supply improved solutions and much better knowledge about not only the wall temperature but also the heat transfer phenomena in turbulent mixed convection regime, the DTHT, compared to that offered by a single-dimensional empirical correlation.
A set of modules to provide Computational Fluid Dynamics (CFD) capability being able to handle multi-dimensional heat transfer is incorporated into a system code for GCRs, GAMMA+, by adopting the Launder-Sharma model of turbulence. We implemented the model into the original system code based on the same schemes, that is, the Implicit Continuous fluid Eulerian (ICE) scheme in a staggered mesh layout, and Newton linearization as constructed in the original code in such a way that the model did not interfere with the numerical stability. The extended code, $GAMMA^{T}$, was successfully verified and validated in that the model was well formulated with a firmly established numerical foundation through comparisons with an available set of data covering turbulent forced convection regime. The $GAMMA^{T}$ code showed strong potential for future use as a robust integrated system code with the capability of multi-scale analysis in it
가스냉각로는 고유의 안전성으로 인해 최근 각광받고 있는 4 세대 원자로의 일종이며 이러한 가스냉각로의 안전은 피동안전계통의 이용으로 인해 더욱 강화될 수 있을 것이다. 따라서 사고시는 물론 정상운전중에도 코어와 같은 핵심 구성품과 피동 안전계통에서의 운전에 따른 연료 및 압력용기에서의 열수력 성능의 정확한 분석은 원자로 전체의 안전을 명확히 규명하는데 있어 그 중요성은 매우 크다.
가스냉각로의 운전 및 안전을 예측하기 위한 열전달 영역 및 각 영역에서의 성능 예측 가능 정도를 살펴본 바 현재까지 열수력 성능 평가 모델이 잘 갖추어지지 않은 난류 혼합 유동이 빈번히 발생하는 것으로 예상되었으며, 자연순환을 이용한 피동 냉각계통을 단순화한 루프의 해석을 통해 그 발생 가능성이 매우 높음을 확인할 수 있었다. 이러한 난류 혼합 유동영역에서는 열전달 특성이 통상적인 난류 강제 대류에 비해 크게 저하되는 경향을 보이는데 이러한 저하 현상은 유동의 관성과 밀도차에 의한 자유대류간의 영향이 복잡하게 얽혀서 난류의 분포를 불안정하게 만드는 과정을 거쳐 열전달 특성을 변화하게 만드는 매우 복잡한 다차원적인 열전달 현상이다. 따라서 기존의 열전달 지도, 열전달 상관식, 압력강하 상관식만을 사용하여 열수력 성능을 평가하는 기존의 일차원적 가스로 안전해석 코드들을 이용한 고체표면에서의 온도 예측에는 큰 불확실성이 존재하게 될 수 밖에 없다.
따라서 최근의 컴퓨터 하드웨어 기술의 발전과 더불어 전산수치해석을 활용하여 원자력 안전 해석을 수행하는 일들이 크게 증가하고 있다. 그러므로 본 연구에서는 기존의 분리된 다단계 다중 스케일 해석과는 달리 한 코드안에서 다중 스케일 해석이 가능한 통합 시스템 코드를 개발하였다. 여기에는 다차원의 열전달과 불안정한 난류경계층을 해석할 수 있는 난류 모델이 필요하며, 이는 저 레이놀즈 수의 영향을 고려할 수 있어야 한다. 따라서 부력과 관성의 영향을 잘 평가할 수 있어야 하는 난류 혼합 유동에서 고체 온도를 잘 예측하고, 점성 저층까지의 경계층을 해석하는데 있어 고차원의 수치 모델에 비해 효율적인 표준 $\kappa-\epsilon$ 모델인, 론더-샤마 난류 모델이 적절함을 실험과 수치해석에 관한 문헌들로부터 확인하였다.
론더-샤마 모델은 난류 유동, 난류 강제대류, 난류 혼합 대류영역에서의 실험 및 수치해석 자료들과 함께 가장 최근에 가스냉각고속로의 자연순환 루프를 모사한 실험자료를 근거해 비교 평가되었으며, 부력에 의해 열전달이 저하되는 경우의 열전달을 예측함에 있어 기존 열전달 상관식에 의한 예측결과와 비교해 보수적이며 정성적 경향을 잘 보여주는 것으로 판단되었다.
이를 바탕으로 론더-샤마 난류 모델을 가스냉각로 시스템 코드인 감마+에 적용하기 위한 수치적 접근 방법을 개발하였으며, 이를 난류 유동과 난류 강제대류영역에서의 실험 및 수치해석 자료들을 이용하여 검증하였다. 격자 민감도를 확인한 결과 기존의 상용 전산유체해석 도구에서 요구하는 기준에 비해 효율적인 격자의 적용이 가능해 안전해석 도구로서의 시스템 코드에 적합한 것으로 판단된다. 이로써 난류 혼합유동을 해석할 수 있는 전산유체역학 모델이 탑재된 시스템 코드를 성공리에 개발하여 향후 가스냉각로의 운전 전 영역에 걸친 열수력 성능 예측의 정확도가 향상될 것으로사료된다.
