۱ مقدمه :

روش محیط متخلخل در مدل سـازی فیلترها، کاتالیزورها، بانک لوله و صفحه و بطور کلی هر کاربردی که با نسـبت های ابعادی تند و غیر متعارف سـروکار داشته باشد، کاربرد دارد. برای استفاده از این مدل باید ابتدا با ظرافت بخشـی از فضـای مورد حل را بعنوان محیط متخلخل انتخاب و ســپس در این محیط تمامی پیچیدگی های هندسـی حذف و بجای آن ضـرایب افت ویسـکوز ناشـی از اصطکاک و افت اینرسی ناشی از انبساط یا انقباض مسـیر عبور جریان را در نظر گرفت. واضـح اسـت که دقت استفاده از این مدلکاملاً وابسته به دقت تخمین پارامترهای آن است. روشهای مختلفی برای برآورد این پارامترها در محیط تعیین شده وجود دارد .[۱] در مورد راکتور این محیط مجتمع ســوخت آن می باشــد که امکان شــیبه ســازی دقیق عددی آن بطور مجزا وجود دارد. این امر در مرجع [۲] برای برای راکتور تحقیقاتی opal[3] که از نوع استخری ۲۰Mw است، طبق دستورالعمل مرجع [۴] انجام شده است. سطح مقطع مجتمع سوخت این راکتور که سازنده مشترکی با راکتور تهران دارد، بسـیار شـبیه راکتور تهران است، اما تعداد صفحات آن ۲۱ و ارتفاع آن در حدود ۲۵ درصد بلندتر اسـت. میزان افت فشـار در این مجتمع سوخت درحالت کارکرد طبیعی حدود۲۴kpa گزارش شده است .[۳] در حالیکه مرجع [۲] این افت فشــار را حدود ۱۸kpa محاســبه می کند. با وجود خطای حدود ۲۵ درصــد، همین مـدل برای تولید پارامترهای محیط متخلخل در حالت جابجایی آزاد بکار رفته اســـت. در بخش ۲ این مقاله ضـمن ارائه مدلی بسـیار دقیقتر برای راکتور تهران، ریشـه های این خطا بررسـی و رفع می شود. بخش سـوم الگوی اصلاح شده ای برای تولید دقیقتر پارامترهای محیط متخلخل ارائه و کاربرد عملی آنرا در کاهش

۶۱۶

خطای محاســبات در مورد راکتور تهران به کمتر از یک درصــد نشــان می دهد. بخش آخر این مقاله شــامل خلاصه ای از نتایج حاصله است.

.۲ مدل سازی مجتمع سوخت و بحث روی نتایج حاصله از حالت کارکرد طبیعی

جهت برآورد دقیق پارامترهای محیط متخلخل باید شبیه سازی مجتمع سوخت بنحوی انجام شود که تغییرات دما و فشـارِ جریان عبوری از آن با بالاترین دقت ممکن محاسبه شود. برای این منظور هندسه نشان داده شده در شـکل ۱ در نظر گرفته شده است. این هندسه پیچیده برای در نظر گرفتن حداکثر جزئیات لازم از ۵ بخش مجزا تشـکیل شـده اسـت که بطور جداگانه در نرم افزار Inventor تولید و در نرم افزار Gambit شبکه بندی شـده و نهایتاً در نرم افزار Fluent به یکدیگر متصـل و حل شده اند. این ۵ بخش شامل: .۱ بخش مرکزی، .۲ بخش جانبی، .۳ اتصــال انتهایی، .۴ بخش بالایی و .۵ بخش پایینی هســتند. بخش جانبی در حقیقت فضــای عبوری جریانجهت خنکاری ســمت خارجیِ صــفحات جانبی را دربر می گیرد. همانطور که دیده می شــود، این ناحیه تا انتهای مجاری ایجاد شـده در صفحه نگهدارنده ادامه دارد. قسمت های بالا و پایین جهت در نظر گرفته شـدن اثر ترکیب و مجزا شـدن جریانحیاتی هسـتند و به این سـئوال پاسـخ می دهند که اساساً تقسیم بندی جریان بین مجاری مرکزی و جانبی چگونه اسـت. ۴ مرز مشـترک این ۵ بخش بصورت مرز مش مجزا تعریف شـده اند. این بدان معنی اسـت که شبکه بندی استفاده شده در ۲ طرف این مرز یکی نبوده و در حین حل با استفاده از روشهای پیشرفته میانیابی، تمامی متغییرهای مورد حل بین دو ناحیه مبادله می شوند. این امر در شـکل ۲ نشـان داده شـده است. با این وجود این هندسه در مجموع حدود ۴,۶ میلیون مش دریافت کرده اسـت. این هندسـه شـامل مدل سـازس انتقال حرارت در سوختاز جنسِ U3O8-Al و غلاف و سایر بخش های ساختاری از جنسِ Al-6061 می شود که خصوصیات این مواد از مرجع [۵] برگرفته شده که در این میان تعریف ضــریب هدایت حرارتی ســوخت از رابطه زیر که در آن دما برحســب درجه کلوین اســت، از اهمیت

برخوردار است.

K=180,26-2,29E-2×T [ W/ (m .K)] (1) برای تعریف شـار حرارتی حجمی تولیدی در سوخت، در تک تک ۱۹ صفحه با استفاده از یک برنامه الحاقی به نرم افزار با زبانِ برنامه نویســی C، شــار حرارتی در دو راســتای محوری و موازی با صــفحات بصــورت کسـینوسـی و در راسـتای عمود به آنها ثابت در نظر گرفته شده است. جهت تعریف دقیق خصوصیات خنک کننده از جدول بخار در فشـار کارکردی ۱ ۷۱bar ، هر چهار خصوصیت چگالی، ویسکوزیته، ضریب هدایت حرارتی، ظرفیت حرارتی ویژه در محدوده ۳۰۳ ۱۵ K تا ۳۸۸ ۴۸ K اســتخراج، به نرم افزار Matlab منتقل و تابعی چند جمله ای به این داده ها منطبق شـده اسـت. روابط بدست آمده که اعمال آنها برای محاسبه چگالی

و ویسکوزیته از اهمیت بالایی برخودار است، بدین صورت می باشد.

= ۸۴۸,۱۳+۱,۳۱۸۱×T-0,00274×T2 [kg/m3] (2)

۶۱۷

ʽ= ۰,۱۴۶۶۷-۰,۰۰۱۵۴۸۱×T+6,1935E-6×T2-1,1089E-8×T3+7,4813E-12 ×T4 [pa.s] برای حـالـت کـارکرد طبیعی ورودی در بـالا و دما و ســـرعت متوســـط برای آن ۳۰۳ ۱۵ K و ۱ ۳۷m/s درنظرگرفته شـده است. جدول ۱ نتایج بدست آمده برای تغییرات فشار و دما برای اعمال فرضیات و مدلهای عددی مختلف را نشان می دهد. اولین نکته اساسی در مورد نتایج این مدل سازی مربوط به شرایطی است که با صـرفنظر از جریان عبوری از قسمت جانبی، این قسمت بهمراه دو بخش بالایی و پایینی که در واقع بخش هایی از فضـای اسـتخر و پلنیوم هستند از هندسه مورد حل حذف شوند. بدین ترتیب برای در نظر گرفتن اثر تولید حرارت در صـفحات جانبی از منبع حرارتی سـطحی که از طریق برنامه نویسـی ولی این بار به صورت شـرایط مرزی تعریف می شـود، استفاده شده است. این ساده سازی که تنها بخش مرکزی و اتصال انتهایی را باقی می گذارد،دقیقاً همان فرضــی اســت که مرجع[۲] برای مدل ســازی مجتمع ســوخت راکتور opal بکار برده اسـت. حال اگر نتایج این حالت با شرایطِ هندسه کامل در حالتی که سایر شرایط همسان هستند مقایسه شـود درصـد تغییر نتایج افت فشـار، بسـیار نزدیک به درصـد خطایی اسـت که برای محاسبات مرجع[۲] در مقدمه این مقاله به آن اشــاره شــد. این نتیجه علاوه بر تائید صــحت مدل هندســه کامل، گواهی نیز بر اهمیت بالای در نظر گرفتن اثر ترکیب و جدایش جریان در ابتدا و هایانت مجتمع ســوخت روی صــحت محاســباتِ بخصـوص میدان توزیع فشـار اسـت. مسئله بعدی استفاده از مدلهای عددی پیشرفته تر بجای نمونه استاندارد