تاثیر زاویۀ پره‌های مغشوش‌کننده بر جریان اطراف میله‌های سوخت هسته‌ای و ارتعاشات القایی آن‌ها با استفاده از آنالیز برهم‌کنش جامد و سیال

در مجتمع سوخت رآکتورهای هسته‏ای، پره‌های مغشوش‌کننده اجزایی جامد با ضخامت کم هستند که به شبکه‌های نگهدارندۀ میله‌های سوخت متصل‌اند و برای افزایش انتقال حرارت به کار می‌روند. نیروهای ناشی از عبور سیال می‌توانند باعث خم‌شدن بیش از حد و ایجاد تنش‌های بسیار زیاد در پره‌‏ها شوند که عملکرد پره را دچار اختلال خواهد کرد. پره‌ها معمولا با زاویه‌ای مشخص نسبت به جریان قرار می‌گیرند تا بتوانند بهترین اثر را روی جریان داشته باشند و کمترین نیروهای ارتعاشی از سیال به آن‌ها وارد شود. در این پژوهش با استفاده از روش برهم‌کنش سیال و جامد، جریان سیال و جابه‌جایی پره‌ها برای 3زاویۀ 65، 70 و 75درجه در یک هندسۀ خاص بررسی شده است. به این منظور، ابتدا جریان سیال حل‌شده و نیروهای ناشی از سیال بر جسم محاسبه می‌شود. در مرحلۀ بعد نیروها به جسم جامد وارد و از طریق المان محدود جابه‌جایی جسم محاسبه می‌شود. برای جریان سیال افت فشار محاسبه‌شده با نتایج عددی و تجربی مراجع دیگر مقایسه شده است که اختلاف کمتر از 10درصد را نشان می‌دهد. برای هندسۀ اصلی بررسی‌شده در این پژوهش بیشترین افت فشار روی پره با زاویۀ 65درجه نسبت به جریان رخ می‌دهد. ضمناً اغتشاشات ایجادشده در زاویۀ 75درجه بیشتر از سایر زوایاست. باتوجه‌به نتایج تخمین فرکانس، مشاهده شد که با افزایش فرکانس، اندازۀ جابه‌جایی کم می‏شود.

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

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 fluidsolid 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.