• No results found

Experimental Study and Modelling of Spacer Grid Influence on Flow in Nuclear Fuel Assemblies

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Experimental Study and Modelling of Spacer Grid Influence on Flow in Nuclear Fuel Assemblies"

Copied!
48
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

   

   

 

Experimental Study and Modelling of Spacer Grid  Influence on Flow in Nuclear Fuel Assemblies  

     

Diana Caraghiaur Garrido   

         

Licentiate Thesis 

School of Engineering Sciences  Department of Physics 

Nuclear Reactor Technology Division  Stockholm, Sweden, 2009 

   

(2)

      

                                       

TRITA‐FYS 2009:02             KTH 

ISSN 0280‐316X             School of Engineering Sciences 

ISRN KTH/FYS/‐‐09:02‐‐SE                 SE‐106 91 Stockholm 

ISBN 978‐91‐7415‐229‐6              Sweden 

 

Akademisk  avhandling  som  med  tillstånd  av  Kungliga  Tekniska  Högskolan  framlägges  till  offentling granskning för avläggande av teknologie licentiatexamen i energiteknik torsdagen  den  26  februari  2009  klockan  10:00  i  sal  FA31,  Albanova  Universitetscentrum,  Roslagstullsbacken 21, Stockholm. 

 

© Diana Caraghiaur Garrido, januari 2009   

Universitetsservice US‐AB, Stockholm 2009

(3)

 

 

Abstract   

The work is focused on experimental study and modelling of spacer grid influence on single‐ 

and two‐phase flow. In the experimental study a mock‐up of a realistic fuel bundle with five  spacer grids of thin plate spring construction was investigated. A special pressure measuring  technique was  used  to  measure  pressure  distribution  inside  the  spacer.  Five  pressure  taps  were drilled in one of the rods, which could exchange position with other rods, in this way  providing a large degree of freedom. Laser Doppler Velocimetry was used to measure mean  local axial velocity and its fluctuating component upstream and downstream of the spacer in  several  subchannels  with  differing  spacer  part.  The  experimental  study  revealed  an  interesting behaviour.  Subchannels  from  the  interior  part  of  the  bundle  display  a  different  effect on the flow downstream of the spacer compared to subchannels close to the box wall,  even if the spacer part is the same. This behaviour is not reflected in modern correlations. 

The  modelling  part,  first,  consisted  in  comparing  the  present  experimental  data  to  Computational  Fluid  Dynamics  calculations.  It  was  shown  that  stand‐alone  subchannel  models  could  predict  the  local  velocity,  but  are  unreliable  in  prediction  of  turbulence  enhancement  due  to  spacer.  The  second  part  of  the  modelling  consisted  in  developing  a  deposition model for increase due to spacer. In this study Lagrangian Particle Tracking (LPT)  coupled to Discrete Random Walk (DRW) technique was used to model droplet movements  through  turbulent  flow.  The  LPT  technique  has  an  advantage  to  model  the  influence  of  turbulence  structure  effect  on  droplet  deposition,  in  this  way  presenting  a  generalized  model in view of spacer geometry change. The verification of the applicability of LPT DRW  method to model deposition in annular flow at Boiling Water Reactor conditions proved that  the  method  is  unreliable  in  its  present  state.  The  model  calculations  compare  reasonably  well  to  air‐water  deposition  data,  but  display  a  wrong  trend  if  the  fluids  have  a  different  density ratio than air‐water. 

 

Descriptors:  spacer  grid  influence,  annular  flow,  deposition,  Lagrangian  Particle  Tracking 

   

(4)

 

   

(5)

 

Preface 

 

The thesis is based on the following papers: 

Paper  1.  Caraghiaur,  D.,  Frid,  W.  and  Tillmark,  N.,  2004,  Detailed  pressure  drop  measurements in single‐ and two‐phase adiabatic air‐water turbulent flows in realistic BWR  fuel  assembly  geometry  with  spacer  grids,  The  6th  International  Conference  on  Nuclear  Thermal Hydraulics, Operations and Safety (NUTHOS‐6), Nara, Japan, October 4‐8 

Paper 2. Caraghiaur, D. and Anglart, H., Experimental investigation of turbulent flow through  spacer  grids  in  fuel  rod  bundles,  Submitted  to  Nuclear  Engineering  and  Design,  November  2008 

Paper  3.  Caraghiaur,  D.  and  Anglart,  H.,  2007,  Measurements  and  CFD  predictions  of  velocity,  turbulence  intensity  and  pressure  development  in  BWR  fuel  rod  assembly  with  spacers,  The  12th  International  Topical  Meeting  on  Nuclear  Reactor  Thermal  Hydraulics  (NURETH‐12),  Sheraton  Station  Square,  Pittsburgh,  Pennsylvania,  U.S.A.,  September  30‐

October 4 

Paper 4. Caraghiaur, D. and Anglart, H., 2007, Annular flow deposition model with obstacle  effect, accepted at The 6th International Conference on Multiphase Flow, ICMF 2007, Leipzig,  Germany, July 9‐13 

Paper  5. Caraghiaur,  D.  and  Anglart,  H.,  2009,  Lagrangian  particle  tracking  as  a  tool  for  deposition  modeling  in  annular  flow,  submitted  to  the  17th  International  Conference  on  Nuclear Engineering ICONE17, July 12‐16, Brussels, Belgium 

   

    

(6)

 

   

(7)

 

Contents 

 

Abstract ... iii 

Preface ... v 

Chapter 1: Introduction ... 1 

1.1  Background ... 1 

1.2  Spacer influence on thermal hydraulic characteristics ... 2 

1.3  Models and correlations ... 4 

1.4  Problem statement and objectives ... 6 

Chapter 2: Experimental study of spacer grid influence on single‐ and two‐phase flow ... 7 

2.1 Experimental arrangement ... 7 

2.2 Measurement techniques and procedure ... 9 

2.2.1 Pressure measurements ... 9 

2.2.2 Local velocity and turbulence intensity measurements ... 10 

2.3 Accuracy ... 11 

2.4 Summary of results ... 11 

Chapter 3: Modelling of deposition of drops in annular flow. Influence of obstacle on  deposition ... 15 

3.1  Experiments of deposition of drops in annular flow ... 15 

3.2  Deposition mechanisms and deposition modelling ... 21 

3.3  Lagrangian particle tracking (LPT) method ... 25 

3.4  Use of LPT for deposition modelling in annular flow ... 27 

3.5  Summary of results ... 30 

Chapter 4: General conclusions ... 34 

Acknowledgements ... 35 

References ... 36   

   

(8)

 

 

(9)

   

             

Chapter 1 

Introduction   

1.1 Background 

Nuclear fuel bundles contain spacers, positioned to keep the fuel rods at a certain distance  from  each  other.  Acting  as  obstacles  to  the  coolant  flow,  the  spacers  cause  additional  pressure drop, and so, they add to the economical expense both by material consumption  and pumping power. To minimize the flow blockage and provide enough support to the fuel  bundle  structure,  spacer  grids  have  been  transformed  over  the  years  to  include  complex  geometrical details such as dimples and springs. Turbulence promoters have been added to  augment  the  lateral  momentum  and  energy  exchange.  The  resultant  complex  geometry  almost prohibits the analytical approach of the influence of spacers on the flow. To add to  the complexity, the spacer design and the spacer axial position in relation to other spacers  affect  the  Critical  Heat  Flux  (CHF)  occurrence.  CHF  is  the  major  design  parameter  for  the  entire  nuclear  fuel  assembly  and  its  prediction  with  the  least  margins  contributes  to  the  economical and safe operation of the nuclear reactor.  

From the above discussion we can distinguish two views of spacer design consideration: in  the  development  stage  of  the  spacer;  and  in  safe  and  economical  operation.  In  the  development stage, best‐practice methods together with expensive large‐scale experiments  are  still  a  common  practice.  The  amount  of  costs  associated  with  large‐scale  experiments  exercises  pressure  on  the  models  and  correlations  development.  In  view  of  safe  and  economical operation, the CHF phenomenon has to be correctly predicted by analysis codes. 

In Boiling Water Reactor (BWR) the prediction of CHF is a two‐part model, which involves the  prediction of the correct amount of void in the subchannels coupled to the liquid film flow  analysis. The spacer design affects both parts of the model. To predict the amount of void,  cross‐flows between subchannels due to turbulent mixing, transverse pressure gradients and  void drift are to be considered. The modern spacer, with its differently blocked subchannels  has  an  influence  on  all three  processes.  The  liquid  film  is affected  by  the  spacer  presence,  both upstream and downstream of the spacer.  

(10)

2     Chapter 1 Introduction 

 

1.2  Spacer influence on thermal hydraulic characteristics  

The  influence  of  spacers  (or  flow  obstacles)  on  CHF  has  been  studied  for  more  than  three  decades. Summarizing an extensive experimental project Pioro et al. (2002) concluded that  flow  obstacles  can  have  a  significant  (up  to  12  times)  enhancement  effect  on  CHF.    The  largest  enhancement  occurred  for  largest  flow  blockage  and  qualities  corresponding  to  deposition‐driven  annular  flow.  They  also  observed  that  the  distance  from  an  upstream  obstacle has a strong effect on CHF.  

In  BWR  systems  annular  flow  is  the  predominant  regime.  Annular  flow  is  characterized  by  the gas phase flowing in the core of the conduit and the liquid phase, which is split between  thin liquid film flowing on the heater wall and liquid droplets travelling in the gas. There is a  continuous mass transfer from the liquid film to the droplet field, termed entrainment, and a  reverse  process,  termed  deposition.  Evaporation  of  the  film  contributes  to  film  reduction. 

The mechanism that leads to CHF in annular flow is characterized by drying out of the thin  liquid film from the heater wall, even though CHF does not always occur when the liquid film  is  dried  out  in  case  rewetting  exists.  The  effect  of  spacers  on  the  liquid  film  thickness  has  been  studied  by  several  researchers.  Mori  et  al.  (2007)  have  measured  the  liquid  film  thickness  and  noticed  three  distinctive  effects  of  spacer  influence:    a  slight  upstream  increase of the liquid film thickness, a decrease along the spacer height and a downstream  increase.  The  upstream increase  is  believed  to  be  caused  by  stagnation  of  the  flow.  Inside  the  spacer,  the  liquid  film  thickness  decreases  due  to  a  greater  interfacial  shear  resulting  from  the  acceleration  of  the  flow.  The  increase  downstream  is  supposed  to  be  caused  by  turbulence  enhancement  which  promotes  droplet  deposition.  In  addition  to  turbulence  enhancement  a  collection  and  run‐off  effect  contributes  to  the  downstream  thickening  of  the  liquid  film.  The  collection  and  run‐off  effect  results  from  the  fact  that  a  fraction  of  droplets travelling in the gas core will be collected by the spacer surface in the form of film,  which  will  deposit  on  the  neighbouring  surface.  The  amount  of  run‐off  depends  on  the  geometrical characteristics of the spacer and the proximity of the spacer element to the rod  surface.  Following  the  studies,  which  show  that  CHF  in  the  fuel  bundle  always  occurs  upstream  of  the  spacer,  Shiralkar  and  Lahey  (1973)  through  visualization  of  the  flow  and  force  balance  acting  on  the  liquid  film  deducted  that  dry  patches  which  form  upstream  of  the  obstacle  are  due  to  the  stagnation  of  the  flow.  The  obstruction  creates  a  horseshoe  vortex  that  scrubs  the  liquid  film.  However,  more  recent  studies  e.g.  of  Mori  et  al.  (2007)  have a different solution for the CHF occurrence upstream of the spacer. They have analyzed  the  wavy  structure  of  the  liquid  film  upstream  and  downstream  of  the  spacer  and  have  concluded  that  when  disturbance  waves  pass  the  spacer,  the  amplitude  reduces  and  as  a  consequence  the  film  thickness  in  between  the  disturbance  waves  becomes  larger,  that  is  why CHF never occurs downstream of the spacer. However, traces of disturbance waves still  exist and further downstream they develop in typical disturbance waves, reducing the base  film  thickness.  As  a  result  dryout  occurs  further  downstream  from  the  spacer,  eventually 

(11)

   1.2 Spacer influence on thermal hydraulic characteristics     3 

 

upstream of the next spacer. Consequently, they have concluded that the smaller the spacer  spacing the larger the CHF enhancement.  

Besides  the  influence  on  the  wavy  interface  of  the  liquid  film  thickness,  the  spacer  also  causes an increase in turbulence intensity, as was stated above. Several experimental studies  have  been  set  up  to  study  the  turbulence  downstream  of  the  spacer.  The  first  turbulence  study was performed by Rowe and Chapman (1973). They showed that turbulence intensity  for  an  internal  subchannel  significantly  varied  with  distance  downstream  from  the  spacer  grid. The high intensity observed at the trailing edge of the spacer rapidly decayed to values  below  the  fully  developed  condition  at  a  moderate  distance  from  the  spacer.  Further  downstream  the  level  of  intensity  increased  to  nearly  twice  the  level  of  intensity  of  fully  developed  flow  before  finally  decaying  to  the  developed  state.  In  contrast  to  the  internal  subchannel, the wall subchannel had shown high turbulence intensity near the trailing edge  of  the  spacer  and  a  monotonical  decay  downstream  towards  a  fully  developed  condition. 

Yang  and  Chung  (1998)  and  Nagayoshi  and  Nishida  (1998)  have  conducted  their  own  experiments of turbulence development downstream of the spacer.  They have observed the  behaviour  of  a  sudden  increase  of  turbulence  intensity  just  downstream  of  the  spacer  followed by a monotonic decay – a characteristic wall subchannel behavior in the study by  Rowe  and  Chapman.    However,  no  other  studies  have  shown  the  internal  subchannel  behaviour observed by Rowe and Chapman.  

The interest to study the influence of the spacer on the downstream turbulence distribution  is  two‐fold.  One  reason  is  that  turbulence  mixing  contributes  to  the  cross‐flows  in  the  subchannel  analysis,  discussed  later.  The  other  reasoning  stems  from  the  belief  that  deposition of droplets is substantially influenced by the turbulence of the core flow. Okawa  et  al.  (2004)  have  conducted  experiments  to  elucidate  the  effects  of  the  obstacle  on  deposition  rates.    Okawa  et  al.  (2007)  completed  the  previous  study  by  placing  differently  shaped obstacles in the flow. For studied tubular obstacles placed concentrically the authors  measured  increased  deposition  rates  downstream  of  the  obstacle.  The  deposition  rate  increase was up to 200 %. The droplet deposition due to obstacle increased with increased  blockage ratio and with decreased diameter ratio (obstacle diameter‐to‐channel diameter). 

Thus, the main phenomena responsible for the obstacle‐induced droplet deposition seem to  be the turbulence enhancement downstream of the obstacle and the drift flow upstream of  the obstacle. 

 

In addition  to the upstream and downstream effects, the spacer, especially due to radially  non‐uniform geometry, causes transverse (radial) disturbances, compared to the reference  case of a bare rod bundle. Rehme and Trippe (1980) concluded that different blockages in  the subchannels give rise to a remarkable change in the mass flow rates of the subchannels. 

The separation and redistribution caused by the spacer from the higher blocked subchannels  into the less blocked subchannels was clearly recognized. 

 

(12)

4     Chapter 1 Introduction 

 

1.3 Models and correlations 

The  transformation  of  the  spacer  from  exclusively  mechanical  device  to  clear  the  distance  between the rods into a thermal‐hydraulics‐improving device has required many steps, both  in  experimental  evidence  collection  and  models  and  correlations  development.  The  first  correlations to characterize spacers were the pressure drop correlations. For spacer design  consideration  it  is  not  feasible  to  have  an  exact  pressure  drop  correlation.  However,  an  approximate correlation would help the decision making.  

The measured single‐phase pressure drop over the spacer consists of friction of the bare rod  bundle, represented by the Darcy friction factor  , and spacer pressure loss, represented by  the spacer pressure loss coefficient   and can be calculated by the following relation: 

Δ Δ 1

2  

 

(1.1)

Rehme (1973) has deduced from his experiments that spacer pressure loss coefficient can be  calculated  as  a  function  of  the  blockage  ratio  of  the  spacer  and  an  empirical  coefficient,  which  was  shown  to  be  a  weak  function  of  Reynolds  number.  Kim  et  al.  (1992)  have  developed  a  more  sophisticated  model  including  the  form  drag  of  the  thin  strap  and  the  friction  along  the  spacer  walls.  However,  their  model  did  not  include  important  elements,  which  are  present  in  the  modern  spacer  grid  design  such  as  mixing  vanes,  springs  and  dimples.  Chun  and  Oh  (1998)  extended  the  Kim  et  al.  model  to  include  the  missing  geometrical details. 

The two‐phase pressure loss due to the local flow obstructions of grid spacers is treated in  much  the  same  manner  as  frictional  pressure  loss.  That  is,  the  corresponding  single‐phase  pressure drop is multiplied by an appropriate two‐phase multiplier (Φ) to yield the local two‐

phase pressure drop: 

∆ 2 2 , Φ 

 

(1.2)

where the functional form of the two‐phase multiplier normally is synthesized empirically.   

is the total mass flux,   is the density of the two‐phase mixture and  ,  is the density of  the saturated liquid. 

Up  to  this  date,  for  design  considerations,  best  practice  guidelines  derived  from  expensive  full‐scale  tests  aided  by  pressure  drop  correlations  are  largely  used.  Computational  Fluid  Dynamics (CFD) analysis becomes a more common practice particularly for single‐phase flow  applications, however it still requires further model development and thorough validation. 

For the operational analysis, subchannel‐based computer codes are routinely used to asses  the thermal hydraulic behavior of nuclear fuel assemblies. In such codes, the fuel assembly is  divided  into  imaginary  subchannels,  having  the  coolant  in  the  center  –  a  more  common 

(13)

1.3 Models and correlations     5 

 

practice‐  or  having  the  fuel  rod  in  the  center  ‐  an  approach  adapted  to  film  flow  analysis. 

These  codes  solve  the  one‐dimensional  conservation  of  mass,  momentum  and  energy  for  each interconnected subchannel. Interactions leading to inter‐subchannel exchange of mass,  momentum and energy are modelled as semi‐empirical source terms to the one‐dimensional  equations.  Carlucci  et  al.  (2004)  have  summarized  the  effects  that  contribute  to  the  inter‐

subchannel exchange as follows: 

1. Single‐  and  two‐phase  diversion  cross  flow,  which  is  the  flow  caused  by  the  net  transverse  pressure  difference  between  adjacent  subchannels.  Lateral  pressure  differences  can  result  from  different  subchannel  hydraulic  diameter,  heat  flux  distributions and gradual and abrupt changes in flow areas caused, for example, by  rod bowing and spacer grids, respectively. 

2. Single‐ and two‐phase turbulent mixing, being a result of random turbulent flow and  pressure  fluctuations.  It  can  be  classified  as  natural  or  forced.  Natural  turbulent  mixing  occurs  continuously  between  smooth  interconnected  subchannels.  Forced  turbulent mixing results from the non‐directional flow scattering caused by local flow  obstructions, especially if the flow obstruction (spacer grid) is non‐symmetric. Under  single‐phase  flow  conditions,  density  differences  between  interconnected  subchannels at different temperatures are negligible, and thus there is a net transfer  of  thermal  energy,  but  negligible  mass  transfer.  Under  two‐phase  flow  conditions,  the  turbulent  fluctuations  of  the  liquid  and  gas  phases  can  result  in  a  net  mass  transfer,  in  addition  to  a  net  energy  transfer  between  two  interconnected  subchannels having different void fractions. 

3. Two‐phase void drift, which is due to the tendency of the vapor phase to redistribute  itself  to  a  preferred  “equilibrium”  void  distribution.  In  a  bundle  comprising  subchannels  of  different  sizes  and  shapes,  the  “equilibrium”  void  fraction  in  the  larger subchannels tends to be higher than in the smaller ones. 

Brown et al. (1975) shows how the specific terms in the transverse interchange characteristic  for flow blockages could be introduced in the subchannel code. The analysis of the effect of  the  obstacle  on  the  transverse  interchange  is  based  on  the  general  transverse  momentum  balance and comprises a variable control volume to capture the effect of the obstacle on the  flow downstream of the obstacle.  

In BWR systems, the subchannel code, which predicts the flow and void distribution in the  fuel  assembly,  is  coupled  to  the  film  flow  analysis.  Here,  the  one‐dimensional  film  is  calculated according to the equation: 

1  

 

(1.3)

where   is the perimeter considered,   is the change in liquid film flow rate in the axial  distance  . The right hand side of eq. (1.3) represents the sources (sinks) to the liquid film 

(14)

6     Chapter 1 Introduction 

 

flow  rate,  namely,    is  the  deposition  rate  of  droplets,    is  the  entrainment  rate  of  droplets and   is the evaporation of the liquid film. 

An increase in deposition due to spacer is usually introduced as: 

1  

(1.4) In this, the deposition is regarded as a diffusion‐like process (see Chapter 3), where   is the  concentration of droplets and   is a mass transfer coefficient. In eq. (1.4),   is a function  characterizing the deposition due to the turbulence increase downstream of the spacer and 

 is the deposition increase due to collection and run‐off effects. 

Akiba  et  al.  (2005)  state  that  the  spacer  effect  in  CHF  calculations  is  handled  by  two  coefficients:  the  deposition  enhancement  coefficient  and  the  entrainment  enhancement  coefficient. Subchannel analysis is unable to predict these coefficients, because the analysis  mesh is too coarse to capture the effects of the spacer geometry. They state that, at present,  these coefficients are arbitrarily given by the researchers so that the analyzed critical power  may  agree  with  the  measured  critical  power.  Therefore,  subchannel  analysis  is  unable  to  predict CHF considering the change in spacer geometry. 

Several  authors  (e.g.  Naitoh  et  al.  2002,  Windecker  et  al.  1999  and  Kanazawa  et  al.  1995)  have reported the use of Lagrangian Particle Tracking technique as a tool to calculate droplet  deposition in annular two‐phase flow of BWR conditions. This method has an advantage that  it models the deposition as a function of the turbulent structure of the flow. However, the  authors  that  report  the  use  of  this  technique  present  no  or  little  validation  of  the  model  itself. 

1.4 Problem statement and objectives 

Following  the  discussion  the  overall  problem  formulation  in  this  subject  would  be  development of a model able to predict the effect of the  spacer on single‐ and two‐phase  flow, in view of changing geometry. This is a long term perspective for aspiration, to which  we chose to contribute with two aspects: an experimental data base for flow around spacer  for  CFD  validation  and  an  engineering  solution  for  deposition  modelling  to  include  spacer  effect.  By  an  engineering  solution  is  meant  either  a  trustworthy  correlation  that  can  be  included  into  eq.  (1.4)  or  a  cheap  computational  model  that  can  be  directly  coupled  to  subchannel codes with film flow analysis. 

 

(15)

   

         

Chapter 2 

Experimental study of spacer grid influence on  single­ and two­phase flow 

 

2.1 Experimental arrangement   

The  experimental  rig,  schematically  shown  in  Fig.2.1,  consists  of  a  test  section,  a  water  reservoir, a 15 kW centrifugal pump, flow control valves and stainless steel piping, forming a  closed loop. The water flow is measured by an electromagnetic flow meter downstream of  the pump. From the pump the water enters the plenum connected to the lower part of the  vertical test section. The plenum contains a honeycomb flow rectifier suppressing large‐scale  vortices  generated  by  the  pump  and  tube  bends.  An  air  injector  mounted  at  the  bottom  centre of the plenum provides air during two‐phase flow tests. The outflow from the plenum  is directed vertically and passes a nozzle with a contraction ratio of 7.4. A fast closing valve is  mounted at the outlet and a transforming unit is placed between the valve and the inlet of  the  test  section  bridging  the  different  cross  sections.  The  upper  end  of  the  test  section  terminates  in  a  quick  closing  valve  followed  by  a  plenum.  A  weir  in  the  upper  plenum  maintains a constant water level and a free surface at atmospheric pressure. The water from  the  upper  plenum  returns  to  the  reservoir  passing  a  number  of  baffles  giving  time  for  air  bubbles trapped in the water to rise to the surface.   

 

(16)

    Chapter 2 Experimental study of spacer grid influence on single­ and two­phase flow 

 

water  reservoir 

test section 

flow meter 

pump  lower plenum 

spacers upper plenum 

air vent

compressed air fast closing valve  fast closing valve 

  Figure 2.1: Experimental rig 

 

The test section has an  asymmetric cross section corresponding to one quarter of the fuel  bundle  of  SVEA–96,  illustrated  in  Fig.  2.2.  The  same  figure  shows  the  spacer  part  in  the  studied subchannels. 

Figure 2.2: The cross‐sectional view of the test section  

The  24  rods  are  held  in  position  by  5  spacers.  The  spacers  are  of  thin  plate  spring  construction; the details of the spacer can be seen on the photographs in Fig. 2.3.  

 

dimple

D

spring 

(17)

2.2 Measurement techniques and procedure     9 

 

  Figure 2.3: The details of the spacer of SVEA‐96 fuel bundle 

 

The characteristic geometric parameters of the test section are given in Table 1. The walls of  the  test  section  are  made  of  10  mm  thick  glass  plates,  allowing  visibility  techniques  to  be  used to study the flow. 

 

Table 2.1: Geometrical parameters of the test section   

Rod diameter  10.0  mm 

P/D (pitch‐to‐diameter ratio)  1.320   

W/D (wall‐to‐diameter ratio)  1.305 and 1.264   

Rod length  1894  mm 

Cross‐section flow area  2400  mm2 

Hydraulic diameter  9.86  mm 

 

 

2.2 Measurement techniques and procedure 

 

2.2.1 Pressure measurements   

The  pressure  distribution  inside  the  mock‐up  of  the  fuel  bundle  was  measured  by  use  of  pressure probes. Five pressure taps were drilled in one of the rods, aligned along a vertical  straight line. The pressure sensing rod could be rotated along its axis and traversed axially  within a range of ± 250 mm.  The position of the holes and the traversing range enables to  get  a  detailed  vertical  pressure  distribution  in  the  test  section.  The  pressure  taps  are  connected  from  the  inside  of  the  rod  with  plastic  tubes  to  a  set  of  differential  pressure  transducers,  positioned  at  the  level  of  the  free  surface  in  the  upper  plenum,  thus  compensating  for  the  gravitational  pressure  head  in  the  vertical  test  section.  The  flexible  plastic tubes are translucent to ensure proper purging of air bubbles prior to testing. 

 

(18)

10     Chapter 2 Experimental study of spacer grid influence on single­ and two­phase flow 

 

During  single  phase  flow  measurements,  the  first  thing  was  to  establish  the  desired  arrangement  of  the  pressure  sensing  rod:  at  specific  radial  and  axial  positions,  which  involved  dismantling  of  the  test  section  if  the  radial  position  was  changed.  The  next  thing  was to reach steady pump rotations at the desired liquid flow rate. The accumulated air in  the plastic tubes which connect the pressure taps with the transducer was properly purged. 

The  traversing  system  of  the  pressure  sensing  rod  was  connected  to  the  LABVIEW  programme, where the desired translation distance and the step were entered before each  run.  The  data  of  each  run  were  automatically  saved  to  the  computer.  The  rate  was  1000  samples  per  second  and  the  sampling  time  was  set  to  10  s  for  each  position.  The  waiting  time before sampling was set to 10 s in order to avoid the influence of rod movement. 

 

During two‐phase flow measurements the same procedure was repeated with the addition  of  adjustment  of  desired  air  flow  rate.  To  measure  the  void,  two  fast  closing  valves  were  used at the extremes of the test section. The calibration of the amount of void in the test  section  was  performed  by  filling  the  test  section  starting  from  the  lower  fast  closing  valve  with measured amounts of water. 

 

2.2.2 Local velocity and turbulence intensity measurements   

In order to have good spatial and temporal resolution and minimal probe interference with  the  local  flow  structure,  Laser  Doppler  Velocimetry  (LDV)  technique  was  used  to  measure  axial velocity and the turbulence intensity across the third spacer of the test section. Polytec  LDV system used in the present work has been operated in dual‐beam back‐scatter mode. 

The 61.178 mm beam separation and 310 mm focal‐length focusing lens result in beam waist  at the measurement volume equal to 68 μm. To avoid the influence of vibrations of the test  loop on the measurement equipment, the LDV with its 3‐D traverse system was installed on  a separate platform.  

 

The start of the measurement run was the adjustment of the desired water flow rate. The  initial  position  of  the  LDV  measurement  volume  was  selected  and carefully  placed starting  from  a  reflecting  surface,  such  as  rod  surface  or  box  wall  and  translating  the  system  by  known  distance.  Before  each  run  a  few  test  measurements  were  observed  on  the  oscilloscope  screen  to  make  sure  that  the  signal‐to‐noise  ratio  is  appropriate,  if  not  it  was  adjusted  to  satisfy  the  requirement.  The  translation  algorithm  was  introduced  into  the  computer. The data were automatically saved. 

(19)

2.3 Accuracy     11 

 

2.3 Accuracy    

The  water  flow  was  measured  using  ABB  Kent‐Taylor  electromagnetic  MagMasterTM  flowmeter with stated measuring accuracy ±0.15 %. Over the time period required to obtain  a  full  axial  pressure  profile  or  a  full  velocity  run,  the  standard  deviation  of  the  fluctuating  flowmeter readings was ±1% or less. The air flow was measured and controlled by Bronkhost  Hi‐Tec  digital  mass  flowmeter  and  controller  F‐203AC‐RBB‐44Z.  The  stated  error  of  the  calibrated  instrument  was  ±1  %  and  the  time  standard  deviation  was  calculated  to  be  less  than ±1 %.  

 

Calibrated  Motorola  MPX‐5050  piezoresistive  differential  pressure  transducer  was  used  to  sense the pressure. The calibration of the transducer showed a maximum error of 6%. The  pressure tap locations were calibrated before each set of measurements against a reference  point by means of a ruler. The maximum error in location reading was considered to be less  than 0.5 mm.  

 

During  velocity  and  turbulence  intensity  measurements  a  reasonable  signal‐to‐noise  ratio  was chosen by adjusting the shape of the probability density function curve to represent a  Gaussian  distribution  by  modifying  the  burst  threshold.  The  raw  signal  together  with  the  triggering of the digitized data were observed on the oscilloscope screen to make sure that  the triggering occurs when the burst does.  To have a reliable statistical value, at least 2000  valid  counts  were  accumulated,  which  in  some  cases  accounted  for  20‐30  min  measuring  time in one point. The biggest source of error was considered to be the initial positioning of  the  LDV  measurement  volume.  The  position  was  measured  by  a  ruler  and  sight  judgment  accounting  for  0.5  mm  error  in  readings,  which  for  the  subchannel  width  of  3  mm  is  a  significant source of error. 

 

2.4 Summary of results  

 

Paper  1  reports  all  the  pressure  measurements  performed  in  the  frame  of  this  work.  The  experimental bare rod friction coefficient is compared to several correlations, among which  are the Blasius, McAdams and a specific correlation developed for fuel bundle. The Blasius  correlation  shows  good  prediction  within  experimental  uncertainty.  A  specific  spacer  pressure loss coefficient is calculated as a function of Reynolds number. A large data base of  detailed pressure measurements inside the spacer is presented for several subchannels with  differing  spacer  part.  Single‐  and  two‐phase  flow  pressure  measurements  are  included.  An  example of the difference in pressure distribution of single‐ and two‐phase flow is presented  in Fig. 2.4.  

(20)

12     Chapter 2 Experimental study of spacer grid influence on single­ and two­phase flow 

 

Figure 2.4: Pressure distribution along the length of the third spacer around middle rod ”a” 

 

Paper 2 reports the mean local velocity and turbulence intensity measurements. An example  of velocity and its rms value measurements upstream and downstream of the third spacer  for different Reynolds numbers is presented in Figure 2.5. 

20 25 30 35 40 45 50

‐1340

‐1350

‐1360

‐1370

‐1380

‐1390

Pressure, [kPa]

Distance from fixed reference point, [mm]

0º  +45º +135º ‐45º ‐135º

a

+ 45

0

- 45 + 135

- 135

void 0%

jl=4.5 m/s

20 25 30 35 40 45 50

‐1340

‐1350

‐1360

‐1370

‐1380

‐1390

Pressure, [kPa]

Distance from fixed reference point, [mm]

0 deg +45 deg +135 deg ‐45 deg ‐135 deg

a

+ 45

0

- 45 + 135

- 135

void 6%

jl=4.5 m/s jg=0.21 m/s

(21)

 

Figure  the spa  

A carefu the  turb and  an  observa the spac

V/Vv'/v'

2.5: Local a acer for sub

ul analysis o bulence  de

inside  one ation  consid cer do not r

0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3

‐1 VSP/V0

0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

‐1 vSP/v0

Re=

axial velocit bchannel wi

of the data p velopment  e,  even  tho dering  that  reflect this f

0

0

=42000

y and its rm ith blockage the middl

proved the  downstrea ough  the  s available  c fact. 

1 Re=4

1 Re=32000

ms value me e ratio 26.5%

e of the sub

trend foun am  the  spac

spacer  part correlations

2 z/z 42000 Re

2 z/zSP

0 Re

easurement

%. The mea bchannel. 

d by Rowe  cer  differs  t  does  not  s  for  turbul

3

SP

=32000

3

P

e=25000

Θ Θ=

2.4 Summ

ts upstream asurements

and Chapm between  th

differ.  Thi ence  increa

4

4

Nagayos

=26.5%

=26.5%

ary of resul

m and downs  are perform

man (1973),  he  wall  sub

s  is  an  int ase  downst

5

5

hi&Nishida

lts     13 

stream  med in 

in which  bchannel  teresting  tream  of 

6

6

(22)

14     Ch

 

Paper 3 of  the  s Fig.2.6. 

 

From  t represe turbule emphas position

hapter 2 Ex

3 attempts t spacer  usin

 

he  compar enting  the 

nce  repres sized:  the  ning the me

xperimenta

to compare ng  unstruct

Figure 2.

rison  it  is  axial  veloc sentation  d

imperfectio easurement

al study of sp

e CFD calcul ured  mesh 

6: Mesh of

concluded ity  in  the  downstream on  of  geom

 volume. 

pacer grid 

ations with is  done.  A

the subcha

d  that  the  middle  of  m  of  the  metry  and 

influence o

 the measu An  example

nnel with o

calculatio the  subcha

spacer.  Th mesh  repr

n single­ an

urements. A e  of  the  me

one spring 

n  models  annel,  but  he  pre‐ana resentation

nd two­pha

A detailed ge esh  is  illust

are  accept are  unreli alysis  error

  and  the 

ase flow 

eometry  trated  in 

table  in  able  for  rs  were  error  in 

(23)

   

         

Chapter 3 

Modelling of deposition of drops in annular flow. 

Influence of obstacle on deposition   

3.1  Experiments of deposition of drops in annular flow 

On the way to experimentally establish the parameters of influence, the deposition of drops  in annular two‐phase flow is often regarded as a diffusion‐like process. The droplets move  from the core of the channel with a prescribed concentration   towards the channel wall,  where  the  concentration  becomes  zero.  This  movement  is  described  by  the  mass  transfer  coefficient, named also deposition velocity,  , so that the deposition rate becomes: 

  (3.1)

 

Finding  of  true  concentration  of  drops  presupposes  knowledge  of  the  mean  drop  velocity  ( ) or the slip ratio   ⁄  , where   is the mean gas velocity: 

  (3.2)

 

where    is  the  mass  flux  of  entrained  liquid  (in  form  of  drops).  The  slip  ratio  is  rarely  reported  in  experimental  studies  and  there  are  no  generally  accepted  correlations  to  calculate it, that is why is often assumed to be equal to one when correlating experimental  data. An illustration on how the deposition velocity depends on homogeneous concentration  ( 1) is presented in Fig. 3.1, where data from some recent and older experimental studies  have been collected. 

(24)

16    Chapter 3 Modelling of deposition of drops in annular flow     

 

  Figure 3.1: Collection of experimental data of deposition velocity as a function of 

homogeneous volumetric concentration of droplets   

Figure  3.1  presents  mostly  experiments  performed  in  air‐water,  with  the  density  ratio 

⁄ 1000 300. A set of helium‐water data with  ⁄ 5000  and a set of steam‐

water  in  BWR  conditions  (P=70  bar)  with  ⁄ 20   are  included.  The  dependence  of  deposition  velocity  on  homogeneous  concentration  is  unclear,  when  the  concentration  is  low  (e.g.  1).  It  becomes  a  decreasing  function  when  1.  The  influence  of  the  density ratio cannot be identified from this particular presentation of data. 

Starting from eq. (3.1) extensive efforts were spent to find the correlation parameters of the  deposition velocity. The study of Govan et al. (1988) uses a group formed by the size of the  conduit  ,  the  density  of  the  gas  phase    and  the  surface  tension, 

.

  as  a  correlation parameter, even though no physical support for this choice was reported. Other  correlations  (e.g.  Sugawara,  1990)  have  the  gas  superficial  velocity    as  the  correlation  parameter. From the plot in Fig. 3.2, it is unclear how the two correlate. Some experimental  sets, e.g. Jepson et al. data for helium‐water, Schadel et al. data and Cousins and Hewitt data  exhibit  an  increasing  function  of  deposition  velocity  against  increasing  superficial  gas  velocity, while the rest of experimental data sets do not present such a function. 

0.001 0.01 0.1 1

0.01 0.1 1 10 100

kd, [m s‐1]

Ch, [kg m‐3]

Jepson et al. 1989: helium‐water Jepson et al. 1989: air‐water Okawa et al. 2005: air‐water Schadel et al. 1990: air‐water Hewitt et al. 1969: steam‐water Govan et al. 1988: air‐water Cousins&Hewitt 1969: air‐water

(25)

3.1 Experiments of deposition of drops in annular flow    17 

 

 

Figure 3.2: Collection of experimental data of deposition velocity as a function of superficial  gas velocity 

 

Schadel et al. (1990) argued that the function could be clearly seen if the true concentration   would be used in calculating the deposition velocity. However, the experimental  studies,  as  mentioned  above,  rarely  report  droplet  velocity  in  combination  with  measured  deposition velocity. 

Even  though  these  correlations  have  shown  acceptable  predictions  in  flows  similar  to  the  correlating ones, it is unclear how to extrapolate their effects for the situations, which are  interesting in BWR annular flow deposition, namely, the effect of the rod bundle geometry  with  the  presence  of  spacer  and  varying  cross‐section  on  a  subchannel  basis.  To  answer  these  questions  a  more  detailed  experimental  investigation  is  needed  to  show  how  the  deposition is actually happening and which local parameters are responsible for it. 

Visual observations and photographic studies have shown that droplets in annular flow have  different  sizes  (see  Fig.  3.3  for  references).  It  was  also  observed  that  droplets  have  a  different way of depositing depending on their size and flow characteristics (e.g. Young and  Leeming, 1997 and James et al. 1980), so that one correlation could hardly incorporate the  complex  situation  in  annular  two‐phase  flow.  One  way  to  overcome  the  complexity  of  representing a multitude of sizes is to calculate a representative mean droplet diameter. If  an optical technique is used to measure the droplet diameter, then the number distribution  function   could be found that is described by: 

⁄   (3.3)

0.001 0.01 0.1 1

0 50 100 150 200 250

kd, [m s‐1]

jg, [m s‐1]

Jepson et al. 1989: helium‐water Jepson et al. 1989: air‐water Okawa et al. 2005: air‐water Schadel et al. 1990: air‐water Hewitt et al. 1969: steam‐water Govan et al. 1988: air‐water Cousins&Hewitt 1969: air‐water

(26)

18    Chapter 3 Modelling of deposition of drops in annular flow     

 

where   is the number of droplets in the range  , , and   is the total number  of  measured  droplets.  If  the  distribution  number  function  is  known,  the  commonly  used  mean diameters can be represented by the following formulas: 

   

(3.4)

   

(3.5)

   

(3.6)

  (3.7)

 

where   is the mean length diameter when  1, mean surface diameter when  2 and  mean  volume  diameter  when  3.    is  the  mean  volume‐length  diameter,    is  the  mean  volume‐surface  diameter  (named  also  Sauter  mean  diameter,  or  )  and    is  the  mean mass diameter. 

The  number  distribution  function  has  been  empirically  fitted  to  show  that  the  droplet  size  distribution  in  annular  two‐phase  flow  can  be  represented  by  the  Rosin‐Rammler  distribution and the upper limit log normal (ULLN) distribution. Azzopardi (1997) have noted  that mathematically the Rosin‐Rammler equation has no natural upper cut off resulting in a  tail of infinite drop sizes and a more suitable in a physical sense would be the ULLN function. 

It  has  to  be  mentioned  that  the  experimental  number  distribution  function  as  well  as  the  reported  mean  droplet  diameter  are  very  sensitive  to  the  measurement  technique  and  statistical accuracy chosen (Azzopardi, 1997).  

 

Liquid drops in annular flow are usually represented by the mean volume‐surface diameter  (eq.3.5). In Figure 3.3 a collection of experimental Sauter mean diameter of the droplets in  annular two‐phase flow is presented as a function of homogeneous droplet concentration. 

The general trend, seen from the figure, is that drop size increases with concentration. The  common belief among researchers is that bigger drops result from coalescence.  

(27)

3.1 Experiments of deposition of drops in annular flow    19 

 

Figure 3.3: Collection of experimental data of Sauter mean droplet diameter as a function of  homogeneous volumetric droplet concentration

 

Young  and  Leeming  (1997)  have  summarized  several  experimental  results  of  deposition  of  particles  and  based  on  that  have  differentiated  three  deposition  regimes  as  a  function  of  particle relaxation time τ , which measures the responsiveness of the particle to a change in  fluid velocity: 

18    

(3.8)

where    is  the  particle  diameter,    is  the  continuous  flow  kinematic  viscosity,    is  the  material density of the particle and   is the density of the gas. 

These  regimes  are  diffusional  deposition  regime,  diffusion‐impaction  regime  and  inertia‐

moderated  regime.  Very  small  particles,  with  the  non‐dimensionalized  particle  relaxation  time  τ 0.2    (τ τ u ν ,  u   is  the  friction  velocity)  travel  in  the  core  by  turbulent  dispersion and move through the quiescent boundary layer by Brownian diffusion. The non‐

dimensionalized  deposition  velocity,  k k u⁄ , in  this  regime  has  an  almost  constant  value.  In  annular  flow,  however,  the  drops  with  such  small  sizes  occupy  a  negligible  mass  fraction out of the total mass of drops and in the modelling this regime could be ignored. In  the diffusion‐impaction regime, 0.2 τ 20, the particles have more inertia, interacting  actively  with  turbulent  eddies.  They  arrive  at  the  wall  by  the  influence  of  turbophoresis, 

1 10 100 1000 10000

0.01 0.1 1 10

d32, [µm]

Ch, [kg m‐3]

Hay et al. 1996: air-water Jepson et al. 1989: air-water Jepson et al. 1989: helium-water Fore&Dukler 1995: air-water Fore&Dukler 1995: air-glycerine/water Azzopardi&Teixeira 1994: air-water Pogson et al. 1970: steam-water, P=1 bar Ardron&Hall 1981: steam-water, P=1 bar Fore et al. 2000: nitrogen-water, P=3 bar Fore et al. 2000: nitrogen-water, P=17 bar

(28)

20    Chapter 3 Modelling of deposition of drops in annular flow     

 

which  is  the  movement  down  the  gradient  of  turbulence  fluctuations.  The  non‐

dimensionalized deposition velocity in this regime increases by several orders of magnitude. 

The  non‐dimensionalized  deposition  velocity  in  the  inertia‐moderated  regime,  τ 20,  slightly  decreases  as  a  function  of  increased  particle  response  time,  as  reported  by  Young  and Leeming (1997). One of the stated reasons being the lower responsiveness to turbulent  eddies, because of the high inertia. Another deposition regime, characteristic to annular flow  has been first experimentally established by James et al. (1980). Their photographic studies  in  air‐water  showed  that  the  measured  large  droplets  d 250 µm   detached  from  the  waves of the liquid film travel almost in straight lines to the opposite wall, unaffected by the  turbulence  of  the  flow.  This  regime,  called  direct  impaction,  is  characterized  by  the  dependence  on  the  initial  conditions  of  droplets  (entrainment  process).  At  present,  however,  there  is  no  complete  understanding  to  establish  the  initial  momentum  of  the  droplet,  thus  the  limit,  in  terms  of  drop  response  time,  when  direct  impaction  is  predominant is in principle unknown.  In annular flow, as was mentioned above, the droplets  have a distribution of sizes, where the deposition is likely to be a mix of different deposition  regimes, which in terms of modeling is not an easy task. 

In  Figure  3.4  the  data  from  Fig.  3.3  are  recalculated  to  represent  the  non‐dimensional  particle relaxation time (Sauter mean diameter was used). From this plot we can conclude  that  the  deposition  regimes  worth  modelling  in  annular  two‐phase  flow  are  the  inertia  moderated  regime  (τ 20)  and  the  direct‐impaction  regime  with  the  condition  that  the  Sauter  mean  diameter  is  a  representative  droplet  size.  The  representative  droplet  size  means  in  this  case,  the  size  responsible  for  the  main  deposition  regime  in  certain  annular  flow conditions. 

 

(29)

3.2 Deposition mechanisms and deposition modelling    21 

 

 

Figure 3.4: Non‐dimensional particle relaxation time of droplets in annular two‐phase flow  Another parameter worth investigating in relation to deposition of droplets in annular flow is  the turbulence intensity of the gas. Since all deposition regimes, except direct impaction are  driven by the turbulence of the core flow, it has to be correctly represented in the model. 

Annular  flow  is  characterized  by  the  presence  of  a  wavy  liquid  film  at  the  heated  wall. 

Researchers (e.g. Hay et al. 1996, Azzopardi and Teixeira 1994) have shown that the liquid  film on the wall acts as a rough surface increasing the turbulence of the flow. The increase is  proportional  to  the  liquid  film  thickness.  From  the  other  side,  Chamberlain  (1967)  and  El‐

Shobokshy  (1983)  have  shown  that  deposition  increases  on  rough  surfaces  compared  to  smooth surfaces. It is also interesting to know how the presence of droplets influences the  turbulence  of  the  flow.  For  solid  particles  Gore  and  Crowe  (1989)  have  shown  that  small  particles decrease the turbulence intensity, while larger particles increase considerably the  turbulence  intensity  up  to  400%.  Azzopardi  and  Teixeira  (1994)  and  Trabold  and  Kumar  (2000)  have  experimentally  shown  that  liquid  droplets  always  increase  the  turbulence  intensity of the gas flow.  

 

3.2  Deposition mechanisms and deposition modelling 

The study of deposition and its modelling has been going on for more than half a century. 

Herein we will refer to deposition of particles, since many researchers have dealt with solid  particles.  Many  conclusions  and  models  of  the  deposition  of  particles  are  valid  for  liquid  drops  as  well.  Friedlander  and  Johnstone  (1957)  have  proposed  one  of  the  earliest  descriptions  of  deposition  mechanism  of  particles  onto  the  wall,  based  on  “free‐flight” 

1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000

0.01 0.1 1 10

τp+[-]

Chg, [‐]

Hay et al. 1996: air‐water Jepson et al. 1989: helium‐water Jepson et al. 1989: air‐water Fore&Dukler 1995: air‐water Fore&Dukler 1995: air‐water/glycerine Azzopardi&Teixeira 1994: air‐water Pogson et al. 1970: steam‐water, P=1 bar Ardron&Hall 1981: steam‐water P=1 bar Fore et al. 2000: nitrogen‐water, P=3 bar Fore et al. 2000: nitrogen‐water, P=17 bar

(30)

22    Chapter 3 Modelling of deposition of drops in annular flow     

 

theory. The essence of this mechanism is that particles are transported by turbulent motions  to within one stop‐distance from the wall, where they acquire sufficient momentum to move  through the quiescent viscous sub‐layer towards the wall. The much‐debated assumption of  the  model  is  the  independence  of  the  velocity  of  the  particle,  set  on  the  “free‐flight”,  on  particle  position.  In  the  initial  model  this  velocity  was  set  equal  to  the  turbulent  velocity  fluctuation  of  the  gas  well  outside  the  sub‐layer  region.  This  assumption  had  no  physical  support.  Many  other  improved  models  based  on  this  theory  followed  and  the  “free‐flight” 

mechanism of deposition is still considered nowadays (e.g Brooke et al. 1994, Narayanan et  al. 2003). 

More  detailed  studies  on  the  nature  of  the  viscous  sub‐layer  gave  start  to  a  new  set  of  deposition  mechanism  explanations  based  on  the  “downsweep”  motion,  initialized  by  Cleaver and Yates (1975). Later experimental studies performed first by Rashidi et al. (1990)  and  later  by  Kaftori  et  al.  (1995)  proved  that  the  wall  coherent  structures  (bursts)  have  a  significant effect on the wall deposition. The interactions between the near‐wall bursts and  solid  particles  are  a  strong  function  of  particle  size,  particle  density  and  flow  Reynolds  number. 

Caporaloni et al. (1975) and Reeks (1983) proposed a new physical explanation on how the  particles  arrive  to  the  wall  passing  through  the  anisotropic  turbulence  layer.  They  derived  the  turbulence  diffusion  equation  on  the  analogy  with  thermal  diffusion,  and  term  it  turbophoresis, which represents the movement of particles down the gradient of turbulent  fluctuations. The diffusion of particles – the movement down the concentration gradient is  recognized also as a possible deposition mechanism in Direct Numerical Simulation studies,  due to the accumulation of particles in the viscous sublayer (see Brooke et al. 1994). 

The movement of the very small particles can be described by Brownian motion and the very  large  particles  with  initial  velocity  deposit  solely  by  inertia.  This  sums  up  the  present  knowledge about the physical process of deposition onto the wall. 

Two main streams are formed to model the deposition of particles: the first is the Eulerian  description  of  both  continuous  and  particulate  phases,  and  the  second  is  the  Lagrangian  representation  of  the  particulate  phase  coupled  with  the  Eulerian  representation  of  the  continuous phase. Illustratively the degree of freedom in the two methods is represented in  Fig. 3.5. 

(31)

3.2 Deposition mechanisms and deposition modelling     23 

 

 

Figure 3.5: Degrees of freedom in Eulerian and Lagrangian representation of particulate  phase 

 

The  Eulerian  description  for  the  dispersed  phase  assumes  that  particle  characteristics  (e.g. 

velocity)  can  be  described  as  a  continuous  process.  This  assumption  allows  the  dispersed  phase to be treated with the same discretization and the same numerical technique as the  continuous phase, which becomes important when the dispersed phase exerts an influence  on  the  surrounding  fluid  –  a  process  termed  two‐way  coupling.  If  the  dispersed  phase  is  present  with  a  range  of  sizes  with  individual  characteristics  (e.g.  velocity),  a  set  of  mass,  momentum  and  energy  equations  should  be  included  for  each  bin  of  sizes,  increasing  substantially  the  computational  cost.  The  Eulerian  models  proposed  in  the  literature  are  dependent on the phenomenological constants that need to be estimated by experiment or  costly simulations (see Cerbelli et al. 2001 and cited literature). 

In the Lagrangian description the particle is represented as a single point, which moves with  an independent velocity. In this way the particle individual path is calculated throughout the  flow, providing an easier method to monitor turbulent diffusion and particle deposition onto  the solid wall or reflection from the wall. In the point‐volume or point‐mass representation  the presence of the particles is not felt by the continuous flow field or the discretization. The  other Lagrangian representation of particle is to discretize its finite volume together with the  continuous  field.  However,  this  method  is  applicable  at  present  only  for  studies  of  one  or  very  few  particles  at  a  time.  These  studies  are  very  useful  in  respect  of  interphase  terms  evaluation,  needed  for  the  point‐volume  representation.  The  spatial  and  temporal  calculation resolution of the continuous field puts a limit in terms of the amount of physics  of particulate flow that can be resolved.  

The  calculation  of  the  continuous  phase  in  the  Eulerian  formulation  can  be  done  in  an  unresolved‐  or  resolved‐eddy  description.    See  Loth  (2000)  for  full  classification  of  continuous flow descriptions. The Reynolds‐averaged Navier‐Stokes equations represent the  basis  of  the  unresolved‐eddy  description.  In  order  to  close  the  system  of  equations  turbulence  modelling  is  required.  Among  the  turbulence  models  that  are  applicable  to  engineering calculations Loth (2000) names the robust and relatively inexpensive k‐epsilon  turbulence model, which can be successfully used in isotropic and homogeneous turbulent 

Particle  path line  Particle  velocity  vector 

Eulerian particle representation  Lagrangian particle representation 

References

Related documents

The EU exports of waste abroad have negative environmental and public health consequences in the countries of destination, while resources for the circular economy.. domestically

46 Konkreta exempel skulle kunna vara främjandeinsatser för affärsänglar/affärsängelnätverk, skapa arenor där aktörer från utbuds- och efterfrågesidan kan mötas eller

För att uppskatta den totala effekten av reformerna måste dock hänsyn tas till såväl samt- liga priseffekter som sammansättningseffekter, till följd av ökad försäljningsandel

The increasing availability of data and attention to services has increased the understanding of the contribution of services to innovation and productivity in

Generella styrmedel kan ha varit mindre verksamma än man har trott De generella styrmedlen, till skillnad från de specifika styrmedlen, har kommit att användas i större

Since we wish to study the conjunction in the plane perpendicular to the rotation axis (also referred to as the x-y plane) usual elastohydrodynamic lubrication experimental

The plots show the uncorrected velocity fields, where (a) is an evaporating droplet placed on a 60 °C sapphire plate, and (b) shows the velocity distribution inside a freezing

● Taking into consideration spatial resolution is essential when analysing hot-wire data, since they are found to both amplify (e.g. in the buffer region of the skewness factor