Fenomenología esperada

A la vista de las condiciones de contorno descritas, el problema queda caracterizado como un caso de ebullición subenfriada o ebullición sobre pared caliente. Como se comentó en la introducción del presente trabajo, este fenómeno hace referencia a aquella situación física en la que un caudal de agua subenfriada fluye sobre una pared cuya temperatura es suficientemente alta como para que tenga lugar la ebullición del fluido sobre su superficie, aun cuando la temperatura media del volumen total del líquido se encuentra por debajo de su valor de saturación.

El calor fluirá directamente de la pared al líquido, de forma que parte de esa energía provocará un aumento de la temperatura del líquido y parte generará vapor. La temperatura del líquido también se verá incrementada por el intercambio de calor en la interfase agua- vapor, provocando que parte del vapor saturado condense. Adicionalmente, puede existir intercambio de energía directamente de la pared al vapor [23].

Uno de los resultados principales a analizar en la solución será la distribución de la concentración de vapor en diferentes secciones del dominio estudiado. A medida que se suceden los distintos regímenes de flujo en el reactor, las burbujas tienden a distribuirse de acuerdo a perfiles como los siguientes:

flujo tipo bubbly. El objetivo es optimizar el tratamiento del problema para el cálculo de este régimen, presente en el tramo inicial del núcleo de los reactores tipo BWR. Se espera por lo tanto encontrar perfiles de distribución del vapor como los representados en las cuatro primeras secciones de la Figura 40.

4. REFRIGERACION DEL COMBUSTIBLE NUCLEAR EN UN REACTOR ESBWR

4.2 SIMULACIÓN EN ANSYS FLUENT

Dada la dificultad de simular con precisión la ebullición en la longitud total del subcanal, se ha optado por modelar el primer metro, caracterizado por la ebullición de tipo subenfriado y el régimen de flujo bubbly. Centrando el estudio en este tramo, es posible perfeccionar el tratamiento del problema y optimizar la elección de modelos para calcular con la mayor precisión dicho régimen de flujo. Este estudio, con el mismo grado de precisión, no se podría llevar a la práctica si se simulase la totalidad del subcanal dado que, como ya se comentó en la introducción, no existen modelos que se adecúen con igual fiabilidad a todos los regímenes que se suceden en el núcleo.

En contraste con el caso del reactor de agua presurizada, la convergencia del problema es ardua de alcanzar cuando existen cambios de fase. Por ello conviene emplear recursos adicionales que faciliten su resolución. Con este objetivo, la implementación del modelo en ANSYS Fluent ha constado de dos etapas. En primera instancia se ha simulado el campo fluido sin ebullición, obteniéndose un perfil de velocidades y parámetros de turbulencia en la salida del dominio. En segundo lugar, dichos resultados se han empleado como punto de partida para la simulación con ebullición, garantizando así un perfil totalmente desarrollado del flujo en la entrada de la geometría.

Además, el mallado cobra una importancia aún mayor en el caso bifásico, siendo determinante para la convergencia del problema. Será necesario emplear una malla más fina que en el modelo PWR, capaz de capturar adecuadamente la generación de vapor en las paredes de las vainas y su propagación hacia el centro del campo fluido.

Para la primera aproximación se ha utilizado la siguiente malla. En su creación se ha buscado, por un lado, una resolución suficientemente alta en las paredes de las vainas, para capturar los flujos de calor y la generación de las burbujas. Por otro lado, se ha intentado que la transición de tamaño entre celdas sea lo más suave posible. Con ello se evitará que la mayor parte de las burbujas, en su trayecto hacia el centro del canal, condensen al entrar en celdas con grandes volúmenes de agua líquida.

MALLA ESBWR

Dimensionamiento

- Relevancia 0

- Centro de relevancia Fine - Ángulo normal de curvatura 10 º - Tamaño mínimo de las celdas 1,0.10-3 - Tamaño máximo de las celdas 3,2.10-2

- Tasa de crecimiento 1,2

Inflación

- Método Smooth Transition

- Número de capas 6 - Ratio de transición 0,6 - Ratio de crecimiento 1,5 - Gap Factor 0,4 Estadísticas de la malla - Número de nodos 344751

- Número de elementos (celdas) 306600

Los parámetros de calidad de la malla resultante figuran en la Tabla 23.

Malla resultante:

Parámetros de calidad de las celdas:

- Factor de distorsión (0,02 - 0,80)

- Razón de aspecto (1,12 – 4,41) en la mayor parte de los elementos. (7,71 – 30,79) en las capas de inflación.

- Ortogonalidad (0,81 - 0,99) en la mayor parte de los elementos. (0,43 - 0,74) cerca de las capas de inflación.

Tabla 23: Malla resultante para el caso ESBWR. Parámetros de calidad.

Los tres parámetros se encuentran en el rango aceptable en todas las celdas, con valores especialmente buenos en las celdas centrales. Los elementos de las capas de inflación presentan peores razones de aspecto, por tratarse de celdas estrechas y alargadas, mientras que los elementos tetraédricos que acoplan la inflación con las celdas centrales muestran peores valores de ortogonalidad y factores de distorsión. No obstante, incluso dichos valores entran en los márgenes adecuados (ver apartado 3.3.1)

Una vez creada la malla se procede a modelar el problema en ANSYS Fluent, siguiendo el procedimiento en dos etapas que se planteó al inicio de este apartado.

4. REFRIGERACION DEL COMBUSTIBLE NUCLEAR EN UN REACTOR ESBWR