Development and assessment of computational fluid dynamics models for the study of natural circulation dynamics

The interest on natural circulation systems derives from the passive safety they can ensure in removing heat, avoiding the use of active components. It is necessary to correctly predict the dynamics of natural circulation by means of a depth knowledge of the phenomena involved, in order to avoid undesired oscillating behaviours. In this thesis work, several 3D CFD simulations are run by means of the OpenFOAM® code. Standard solvers are modified in order to take into account also the effect of Internal Heat Generation (IHG), in view of the renewed interest in Molten Salt Reactors (MSR) for new generation nuclear power plants. The solvers are firstly assessed against buoyancy-driven cavity benchmarks in case of conventional natural circulation (i.e., without IHG), considering a wide range of Rayleigh number, and a very good agreement is obtained. A sensitivity study with several RANS turbulence models is also carried out. Successively, the case of IHG is considered, highlighting the main effects it induces. In the second part of the thesis, several models are developed for the study of single-phase natural circulation loops and are validated, in case of conventional natural circulation, against the experimental data provided by the L2 facility of DIME-TEC Labs (Genova University) and available in the open literature. The effect of thermal inertia is essential in order to correctly reproduce the dynamic behaviour while a complete model of the heat exchanger allows predicting the absolute value of the fluid temperature field. At last, the presence of IHG is introduced, simulating some operative transients of the DYNASTY facility, currently under construction at Politecnico di Milano. The results are compared with those obtained through the 1D Object-Oriented model adopted for the design of the facility. Some difference is observed for operative transients near the transition curve from stable equilibria to unstable ones, on the stability maps, but the results can be considered acceptable.

Per garantire la rimozione del calore, i sistemi a convezione naturale sono dei buoni candidati, poiché caratterizzati da un elevato grado di sicurezza, data l’assenza di componenti attivi. Uno studio dei fenomeni in gioco è necessario per evitare comportamenti oscillanti indesiderati. In questo lavoro sono state effettuate numerose simulazioni CFD utilizzando la libreria open source di OpenFOAM®. I solutori standard sono stati inoltre modificati per considerare anche il caso di fluidi con una sorgente interna di energia, in vista del rinnovato interesse per i Reattori a Sali Fusi per impianti nucleari di nuova generazione. I solutori sono stati verificati nel caso della cavità in circolazione naturale convenzionale (senza generazione interna di calore). È stato inoltre effettuato uno studio di sensitività utilizzando diversi modelli di turbolenza. In seguito, è stata introdotta la generazione interna di calore al fine di studiare le differenze rispetto al caso convenzionale. Nella seconda parte del lavoro, sono stati sviluppati diversi modelli per lo studio della circolazione naturale convenzionale in configurazioni a circuito. Tali modelli sono stati validati utilizzando i dati ottenuti tramite l’apparato sperimentale L2 del DIME-TEC (Università di Genova) e riportati in letteratura. In questo caso, è necessario tener conto dell’effetto capacitivo delle pareti per riprodurre correttamente la dinamica del sistema, mentre un modello completo dello scambiatore di calore permette di predire il campo di temperatura del fluido. Infine, il modello è stato esteso al caso con sorgente interna di energia, prendendo come riferimento il circuito dell’apparato sperimentale DYNASTY, in costruzione presso il Politecnico di Milano. I risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti con il modello utilizzato per la progettazione di DYNASTY. Qualche differenza è stata osservata per punti di lavoro prossimi alla curva di transizione tra equilibri stabili e instabili, nelle mappe di stabilità, ma complessivamente i risultati sono in buon accordo.