مقدمه

بازده بالای خنک کننده ها از مهمترین اهداف در صنعت می باشد. مقدار خیلی کم نـانوذرات، زمـانی کـه بـه صورت یکنواخت و پایدار در یک سیال توزیع شود می تواند تاثیرات شگفت آوری در رفتار ترموهیـدرولیک سیالات داشته باشد. نانوسیال به واسطه معلق شدن نانو ذرات با اندازه متوسط زیر ۱۰۰mm در سـیالاتی مثـل آب، روغن یا اتیلن گلیکُل ایجاد می شودChoi (1995) .[1] اولین کسی بود کـه ایـن نـوع سـیالات را بـه عنوان نانو سیال معرفی کرد و شاخه تازه ای در نـانو تکنولـوژی را ایجـاد نمـود. بـه تـازگی انتقـال حـرارت جوشش استخری در مورد نانو سیالات برای بدست آوردن شار بحرانـی (CHF) مـورد مطالعـه قـرار گرفتـه است. مدل های به کار گرفته در این مورد برای خنـک کننـده راکتورهـای هسـته ای کـه یـک مقـدار کـم از نانوذارت که عموماً زیر %۱ حجمی می باشد می تواند CHF را به %۲۰۰ افزایش دهد.[۲] توانـایی اسـتفاده از نـانو ســیال بــرای بهبــود (In- Vessel Retention) IVR در راکتورهــای LWR در طــول یــک Sever Accident Scenario مورد مطالعه قرار گرفته است[۳] که در آن نانو سیال توانایی بهبود برداشـت حـرارت تولیــدی در حاشــیهCHF را دارا مــی باشــد. در ایــن مقالــه، انتقــال حــرارت بــه صــورت همرفتــی اجبــاری (Force Convection) برای نانو سیال (Al2O3/ Water) در یک FA از راکتور VVER بـا شـار حرارتـی

۴۳۹

ثابت و یکنواخت بر روی دیواره سوخت می باشد به صورت عددی مورد بررسی قـرار گرفتـه اسـت. نشـان داده شده که ضریب انتقال حرارت برای نانو سیال از سیال پایه بیشـتر بـوده و ایـن نسـبت بـا افـزایش عـدد رینولدز و غلظت حجمی نانوذرات بیشتر می شود. انجام این مطالعـه دو هـدف را مـد نظـر دارداولاً، امکـان بررسی نقش فاز سیال و ذرات جامد در انتقال حرارت بررسی گرددو ثانیاً به این نتیجه برسیم که مدل کـردن دو فــازی ســیال بــه سیســتم واقعــی بــه واســطه گــرانش، اصــطکاک بــین ذرات نیروهــای براونــی (Brownian forces)، نفوذ براونی، ته نشینی و پخش ذرات در نانو سیال اصلی نزدیکتر اسـت و ایـن بـدان معنی است که slip velocity بین سیال و ذرات صفر نمی باشد .[۴] با این فرضیات مدل کردن نانو سیال بـه صورت دو فازی به حالـت واقعـی نزدیـک تـر مـی باشـد. در محاسـبات دو فـازی مـا از معادلـه Miller و [۵] Gidapow برای محاسبه ویسکوزیته فاز جامد اسـتفاده نمـودیم. نتـایج ایـن معادلـه ویسـکوزیته بـالای نانوسیال در حالت دو فازی را ایجاد می نماید. برای اثبات صحت مدل و حـل آن نتـایج بدسـت آمـده را بـا نتایج حاصل از مطالعات تجربی مقایسه نموده و مشاهده گردید که نتایج با داده های تجربی همخوانی خـوبی دارد.

توضیح و مدل مسئله

یک مجتمع سوخت (FA) در قلب را برای محاسبات عددی مـدل نمـودیم( شـکل(۱ بواسـطه دسـته بنـدی متقارن میله های سوخت در یک مجتمع سوخت مدل هندسی به صـورت ۷ میلـه سـوخت کـافی مـی باشـد (شکل .(۲ میله های سوخت دارای قطر ۹/۱mm و در فاصله ۱۲/۷۵mm از مرکز یکدیگر به صـورت مثلثـی قرار دارند. طول مجتمع سوخت ۳۵۵۰mm می باشد و شار حرارتی در طول آن وارد می شود. عدد رینولـدز بیشتر از ۲۵۰۰می باشد که نشان دهنده حالت کاملاً آشفته سیال در مجتمـع سـوخت مـی باشـد. میلـه هـای سوخت به واسطه ۱۵ ردیف spacer grid نگه داشته شده است که ضخامت آنهـا ۰/۸mm مـی باشد(شـکل .(۲

شکل .۱یک مجتمع سوخت شکل .۲ مدل هندسی مورد بررسی

۴۴۰

خواص ترموفیزیکی

خواص ترموفیزیکی خنک کننده در حالت کارکرد راکتور برای سیال پایه از کتـاب هـای راهنمـای مهندسـی هسته ای استخراج شده [۶] و در جدول ۱ آورده شده است.

جدول .۱ خواص ترموفیزیکی در حالت کارکرد راکتور
μ (kg/m-s)
K (w/m-k) Cp (j/kg-K) ρ (kg/m3)
0,0000962 0,51 5650 696,9 Water

− ۴۰ ۷۶۵ ۳۹۷۰ Al2O3

− ۱۸ ۳۳۰ ۶۴۶۹,۸ zircolly

شرایط مرزی

در مورد مجتمع سوخت سرعت محوری یکنواخت و دمـا در ورودی T0= 564 مـی باشـد. شـدت آشـفتگی ثابت و معادل %۵ در نظر گرفته شده، در خروجی حالت جریان کامـل توسـعه یافتـه فـرض شـده اسـت. در دیواره سوخت حالت بدون لغزش در نظر گرفته شده وشار انتقال حرارت در طول میله سوخت ثابـت فـرض شده است. در طول کارکرد راکتور فشار ۱۵/۵ مگا پاسکال در نظـر گرفتـه شـده و بـر روی دیـواره سـوخت شرایط غیر لغزشی فرض شده است.