ADAPTATION OF TEMPERATURE WALL FUNCTION FOR CALCULATION THE HEAT TRANSFER AT SUPERCRITICAL COOLANT PARAMETERS

Authors

DOI:

https://doi.org/10.20535/1813-5420.4.2021.257268

Keywords:

universal wall functions, supercritical parameters, CFD, deteriorated heat transfer

Abstract

To date, the engineering community pays special attention to the study, research and development of methods for predicting the behavior of the coolants at supercritical parameters. This paper discusses the problem of adaptation of the existing universal or specialized tools of thermohydraulic analysis for nonlinear heat transfer problems at supercritical coolant parameters with deterioration of heat transfer. Complexities of prediction the nonlinear heat transfer at supercritical parameters of the coolant by engineering methods of computational fluid dynamics are considered. A simple way to adapt the dual-zone Kader's temperature wall function on the basis of existing probe measurements for carbon dioxide is proposed. The problem of implementation into universal packages of computational fluid dynamics (CFD), which is based on the method of choosing the reference coordinate of the near-wall zone to determine the dynamic speed and dimensionless temperature, is discussed. The example on the ANSYS CFX using shows one of the ways to create a special user procedure, which has an improved tendency to predict the axial temperature profile with deteriorated heat transfer. Calibration and validation of the obtained results on the basis of experimental investigations for vertical pipes and rod assemblies of fuel simulators is carried out in the work. The paper also discusses the features of the proposed implementation, and formed recommendations for the application and further improvement of engineering approaches to predict the heat transfer deterioration at supercritical parameters of the coolant.

References

J.Allegrini, V. Dorer, T. Defraeye, J. Car-meliet, “An adaptive temperature wall function for mixed convectiveflows at exterior sur-faces of buildings in street canyons,” Building and Environment, vol. 49, pp. 55–66, 2012.

М. Popovac, К. Hanjalic, “Compound Wall Treatment for RANS Computation of Complex Turbulent Flows and Heat Transfer,” Flow Turbulence Combust, vol. 78, pp. 177–202, 2007.

P. Kirillov, M. Terent'eva, “Turbulent Prandtl number (History and present),” (In Russian), Obninsk: IPE, 3271, p. 56, 2017. (ISBN 978-5-906512-89-5).

B. Kader, “Temperature and concentration profiles in fully turbulent boundary layers,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 9, pp. 1541–1544, 1981.

S. ZHlutkov, A. Aksenov, “ Near-wall functions for high-Reynolds calculations in the FlowVision software package,” (In Russian), Computer research and modeling, vol. 6, pp.. 1221–1239, 2015.

V. Kurganov, A. Kaptil’nyi, “Velocity and enthalpy Fields and edd diffusivities in a heated supercritical fluid flow,” Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 5, pp. 465–478, 1992.

V. Kurganov, A. Kaptil’nyi, “Flow structure and turbulent transport of a supercritical pressure fluid in a vertical tube under the conditions of mixed convection. Experimental data,” Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 36, pp. 3383–3392, 1993.

A.Zhukauskas, A. Shlyanchyauskas, “Heat transfer in a turbulent fluid flow,” (In Russian), Vilnius: Mintis, pp. 328, 1973.

F. Berni, S. Fontanesi, “A 3D-CFD methodology to investigate boundary layers and assess the applicability of wall functions in actual industrial problems: A focus on incylinder simulations,” Applied Thermal Engineering, vol. 174, pp. 4–15, 2020.

Y. Dubyk, V. Filonov, Y. Filonova, O. Kovalenko, “Deteriorated Heat Transfer Influence On the Stress-Strain State of SMR SCWR Fuel Bundles,” ASME J of Nuclear Rad Sci, pp. 1–14, 2021.

V. Filonov, Y. Filonova, Y. Dubyk, E. Pis'mennyi, “Transfer matrix method for analysis of flow thermohydraulic characteristics with extremely nonlinear behavior of thermophysical properties using channel approach,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 15, pp. 1–18, 2022.

S. Mokry, I. Pioro, P. Kirillov, Y. Gospodinov, “Supercritical-water heat transfer in vertical bare tube,” Nuclear Engineering and Design, vol. 240, pp. 568–576, 2010.

V. Kurganov, I. Maslakova, “Normal and deteriorated heat transfer upon heating of turbulent flows of heat carriers with variable physical properties in tubes,” High Temperature, vol. 54, pp. 577–598, 2016.

V. Filonov, Y. Filonova, V. Razumovskiy, E. N. Pis’mennyi, “On experimental and computational investigation of heat transfer deterioration and hydraulic resistance in annular channel and SCWR 3-rod bundle,” Proceedings of the ICONE-26, 2018.

Downloads

Published

2022-05-29

Issue

No. 4 (2021): 66

Section

ENERGY SYSTEMS AND COMPLEXES

License

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
  1. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
  1. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).