Numerical investigation of buoyant flows in tight lattice fuel bundles

In this thesis, a solver for the thermal-hydraulics simulation of natural convection flows in tight lattice fuel bundles is developed using the FreeFem++ computational language. The full 3-dimensional parallel solver is considered to simulate incompressible flows. The solver is applied to a Large Eddy Simulation for a representative Generation-IV Sodium Fast Reactor (SFR) subchannel under natural convection conditions. During the natural convection conditions in new SFRs, characterized by a fuel assembly with very low pitch to diameter ratio, experimental investigations have shown remarkable inter-channel oscillatory patterns. The investigation of flows under these conditions is of great interest, and the analysis by means of Computational Fluid Dynamics techniques appears to be mature for giving a valuable support to experimental data. The solver is validated through the GAMM benchmark for oscillatory convection of low-Prandtl number fluids. The scalability of the solver is also tested. Comparison of simulation results with the experimental data is satisfactory, showing that Computational Fluid Dynamics can correctly predict some important features of the flow, such as the oscillation frequency, and that it can give new insights into the behaviour of the considered flows, especially regarding the identification of turbulent coherent structures. The coupled thermal and hydrodynamic simulation of global flow pulsation phenomena in fuel rod bundles represents a novelty since previous works have well predicted the oscillatory behaviour of isothermal flows only.

Obiettivo di questa tesi è l'analisi termoidraulica di flussi in elementi di combustibile a passo compatto in condizioni di convezione naturale. Per questa analisi si è costruito un solutore tridimensionale e instazionario per flussi incomprimibili con il linguaggio FreeFem++. Il risolutore è impiegato per una simulazione LES di un sottocanale rappresentativo di un reattore veloce a sodio (SFR) di IV generazione in condizioni di convezione naturale. I nuovi reattori a sodio sono caratterizzati da rapporto passo su diametro molto ridotto, e in condizione di convezione naturale le analisi sperimentali hanno rilevato la presenza di interessanti flussi oscillatori tra sottocanali adiacenti. Lo studio di questo tipo di flussi è pertanto di notevole interesse, e la loro analisi tramite tecniche di fluidodinamica computazionale (CFD) appare opportuna per integrare i dati sperimentali. Il risolutore è verificato con il benchmark GAMM per convezione naturale oscillatoria di fluidi a basso numero di Prandtl, in seguito la scalabilità del software è provata. I risultati della simulazione appaiano in soddisfacente accordo con le misure sperimentali, indicando che la fluidodinamica computazionale può ricostruire correttamente alcune caratteristiche del flusso, come ad esempio la frequenza di oscillazione. Inoltre l'analisi delle strutture coerenti turbolente a partire dai risultati del calcolo numerico può offrire una migliore comprensione del comportamento del fluido nella configurazione d'interesse. La simulazione numerica di questo tipo di flussi con parte termica e idraulica accoppiate rappresenta una novità in quanto lavori precedenti hanno fornito buoni risultati soltanto per flussi isotermi.