Seismic sloshing of heavy liquid metal in a suspended structure with internals

The current work regards the sloshing in MYRRHA reactor under development at SCK-CEN. Sloshing is the oscillation of a liquid with a free surface. In the case of MYRRHA the sloshing caused by an earthquake is investigated. The software Ansys has been used for the simulations. During a seismic event the sloshing, in particular for heavy metal cooled reactors, can result in overloads for the structure, especially in case of resonance. The thesis develops a Fluid Structure Interaction procedure, for the coupling between a structural and a fluid field. The theoretical aspects precede the simulations. The modelling of fluids is first dealt with: models for turbulence, flow near walls and multiphase flow are presented. As a second step, the discussion moves towards the finite elements used for the structural aspects. The Fluid Structure Interaction coupling can be performed both by a 1 way and a 2 way approach: the second is required when the deformation of the structures has a significant impact on the velocity and pressure fields in the fluid. The many issues concerning FSI modelling for sloshing are also presented. The conclusion of the thesis suggests to move towards a modelling approach involving added masses and dashpots instead of the use of CFD in the case of the MYRRHA reactor. The large stiffness of the components leads to structural resonance frequencies which are above the principal natural sloshing frequencies and the typical frequency spectrum of earthquakes.

Il presente lavoro riguarda lo sloshing nel reattore MYRRHA in fase di sviluppo presso il centro SCK-CEN. Con sloshing si intende l'oscillazione di un liquido con una superficie libera. Nel caso di MYRRHA si analizza lo sloshing causato da un terremoto. Per le simulazioni viene utilizzato il software Ansys. Durante un evento sismico lo sloshing, in particolare per i reattori raffreddati ai metalli pesanti, può dare vita a carichi addizionali per la struttura, specialmente in caso di risonanza. La tesi sviluppa una procedura di Interazione Fluido Struttura, per l'accoppiamento tra un campo strutturale e uno fluido. Gli aspetti teorici precedono le simulazioni. In prima istanza si affronta la modellazione dei fluidi: si presentano i modelli di turbolenza, le condizioni al muro e il flusso multifase. In secondo luogo, la discussione si concentra sugli elementi finiti usati per gli aspetti strutturali. L'accoppiamento Fluido Struttura si può realizzare sia attraverso un approccio unidirezionale sia bidirezionale: il secondo è richiesto nel caso in cui la deformazione della struttura abbia un impatto significativo sui campi di pressione e velocità nel fluido. Si presentano inoltre i numerosi problemi legati alla modellazione dell'Interazione Fluido Struttura. La conclusione della tesi suggerisce di muoversi verso una approccio modellistico che coinvolga sia masse aggiunte sia smorzatori anziché ricorrere alla CFD, nel caso del reattore MYRRHA. La rigidità dei componenti porta a frequenze di risonanza strutturali superiori alle frequenze naturali di sloshing ed al tipico spettro in frequenza dei sismi.