1x3 düzenindeki ayıraçlı bir yakıt demetinde akışın türbülans karakteristiklerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği metoduyla incelenmesi
Investigation of turbulence characteristics of the flow in a 1x3 array fuel rod bundle with spacer grids by using computational fluid dynamics method
Yazar: UMUT KARAMAN
Danışman: PROF. DR. CEMİL KOCAR
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Enerji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering
Dizin: Türbülans = Turbulence

Özet:
Nükleer reaktör analizlerinde, yakıt ayraçlarının akış üzerindeki etkilerinin anlaşılması, reaktörün termal-hidrolik performansının belirlenmesi ve güvenilir koşullar altında çalıştığının doğrulanabilmesinde önemli bir yere sahiptir. Akışın fiziğini yansıtacak Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleri, reaktör analizlerde güvenilir sonuçlar vermektedir. Bu çalışmada, 1 x 3 düzeninde destek ayraç yapısına sahip yakıt demetlerinde gerçekleşen akışta, destek ayraçların kanatçık yapısından bağımsız olarak akış üzerindeki etkisi HAD yöntemi ile incelenmiştir ve akışın fiziğini yansıtacak en uygun türbülans modeli belirlenmiştir. Basınçlı su reaktör koru içerisindeki tek fazlı akışın dikkate alındığı çalışmada, benzetim sonuçlarını doğrulamak amacıyla Penn State Üniversitesi Akış Laboratuvarı'nda bulunan deney düzeneği üzerinde gerçekleştirilen çalışmalar referans alınmıştır [1]. 
Çalışmada ilk aşamada en uygun türde ve yoğunluktaki örgü yapısının belirlenmesi amacıyla dörtyüzlü, melez ve çokyüzlü örgü yapılarında hazırlanmış modeller,  k-ε Standart ve RSM LPS türbülans modelleri kullanılarak, incelenmiştir.
İkinci aşamada, belirlenen en uygun örgü yapısında çalışmada kullanılan bütün türbülans modellerini içerecek bir karşılaştırma gerçekleştirilmiştir. Karşılaştırmalarda yakıt ayracı öncesi ve sonrasında –3dh, +3dh ve +40dh konumlarında, kanal merkezlerindeki hız dağılımı, düzlem üzerindeki hız ve türbülans şiddeti dağılımı incelenmiştir ve deneysel verilerle kıyaslaması yapılmıştır. 
Çalışma sonuçları, örgü tipinin hesaplamalar üzerindeki etkilerini ortaya koymaktadır nitekim, en çok yapılandırılmış hücreye sahip olan melez örgü diğerlerine kıyasla daha iyi performans sergilemiştir. Kanal merkez hızlarına ait nümerik ve deneysel sonuçların karşılaştırılması, bütün türbülans modellerinde genel anlamda bir uyum olduğunu gösterirken, karmaşık modeller ve istisnai olarak k-ε RNG diğer modellerden göre daha iyi sonuçlar vermiştir. Bu çalışma sonucunda, destek yakıt ayracında meydana gelen akış incelenmiş ve akışın fiziğini yansıtan en uygun türbülans modeli belirlenmiştir.

Abstract:
In nuclear reactor analysis, understanding the effects of spacer grids on flow have an important place in determining the reactor thermal-hydraulic performance and ensuring that reactor works under reliable operating conditions. Computational Fluid Dynamics (CFD) methods which could reflect the physics of the real flow are capable of presenting precise analysis results. In this study effects of simple support grids, independently of the mixing vanes, on flow through an 1 x 3 array rod bundle has been investigated with CFD methodology and the most appropriate turbulence model reflecting physics of the flow has been determined. Experimental studies in the flow laboratories of Penn State University has been referenced in comparison of the simulation results where, single phase flow in subject rod bundle was examined [1].
In the first part, mesh convergence study has been carried out on tetra, hybrid and poly type mesh in order to determine the most appropriate type and density. In this section, only k-ε Standard and RSM LPS turbulence models have been utilized. In the second part of the study, using the mesh determined in the first section, comparison has been made covering all turbulence models examined in the study. Velocity distribution in the center of the rods, velocity and turbulance intensity contour plots on the upstream and downstream of the spacer grid at –3dh, +3dh and +40dh locations have been examined and compared with the experimental data.
The results of the study reveal that the effects of the mesh type on calculations where, hybrid mesh having the most structured elements exhibit better performance over the others. Comparison between numerical and experimental results of channel central velocities shows an overall agreement with all turbulence models while, complex models and exceptionally k- ε RNG present better results than other models. As a result of this study, flow through a simple support grid has been examined and the most appropriate turbulence model reflecting the physics of the flow has been determined.