تأثير زاويۀ پره‌هاي مغشوش‌كننده بر جريان اطراف ميله‌هاي سوخت هسته‌اي و ارتعاشات القايي آن‌ها با استفاده از آناليز برهم‌كنش جامد و سيال

Effect of Vanes Angles on the Flow around Fuel Rods and the Induced Vibrations by Analyzing Solid-Fluid Interaction

در مجتمع سوخت رآكتورهاي هستهاي، پره‌هاي مغشوش‌كننده اجزايي جامد با ضخامت كم هستند كه به شبكه‌هاي نگهدارندۀ ميله‌هاي سوخت متصل‌اند و براي افزايش انتقال حرارت به كار مي‌روند. نيروهاي ناشي از عبور سيال مي‌توانند باعث خم‌شدن بيش از حد و ايجاد تنش‌هاي بسيار زياد در پره‌ها شوند كه عملكرد پره را دچار اختلال خواهد كرد. پره‌ها معمولا با زاويه‌اي مشخص نسبت به جريان قرار مي‌گيرند تا بتوانند بهترين اثر را روي جريان داشته باشند و كمترين نيروهاي ارتعاشي از سيال به آن‌ها وارد شود. در اين پژوهش با استفاده از روش برهم‌كنش سيال و جامد، جريان سيال و جابه‌جايي پره‌ها براي 3زاويۀ 65، 70 و 75درجه در يك هندسۀ خاص بررسي شده است. به اين منظور، ابتدا جريان سيال حل‌شده و نيروهاي ناشي از سيال بر جسم محاسبه مي‌شود. در مرحلۀ بعد نيروها به جسم جامد وارد و از طريق المان محدود جابه‌جايي جسم محاسبه مي‌شود. براي جريان سيال افت فشار محاسبه‌شده با نتايج عددي و تجربي مراجع ديگر مقايسه شده است كه اختلاف كمتر از 10درصد را نشان مي‌دهد. براي هندسۀ اصلي بررسي‌شده در اين پژوهش بيشترين افت فشار روي پره با زاويۀ 65درجه نسبت به جريان رخ مي‌دهد. ضمناً اغتشاشات ايجادشده در زاويۀ 75درجه بيشتر از ساير زواياست. باتوجه‌به نتايج تخمين فركانس، مشاهده شد كه با افزايش فركانس، اندازۀ جابه‌جايي كم ميشود.

In the nuclear fuel assembly, the mixing vanes are solid components which are attached to the spacer grid. These vanes would increase heat transfer rate from the fuel wall. The force induced by flow may expose the vanes to excessive stress and bending, which in turn, it impairs the mixing vanes. In order to improve the heat transfer rate and decrease the vibrational forces, vanes are usually positioned at a certain angle regarding to the flow axis. This study investigates displacement of vanes in three angles of 65, 70 and 75 degrees for a specific geometry using the fluid-solid interaction method. First, the fluid flow is solved using a Finite Volume Method (FVM) solver and the forces exposed by the flow to the vanes are estimated. Next, the displacement of the vanes due to the applied forces is calculated by the Finite Element Method (FEM). Comparison between calculated pressure drop in this study and experimental result show a difference less than 10%. The maximum pressure drop is occurred when the vanes have 65° angle. The most turbulence intensity is obtained at the angle of 75°. Also, according to the frequency estimation, it was observed that with increasing frequency the displacement's amplitude would decrease.