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研究生:吳俊龍
論文名稱:能源系統中多孔性介質熱移除之分析方法
論文名稱(外文):Porous Media Heat Removal Analysis in Energy System
指導教授:施純寬
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:141
中文關鍵詞:多孔性介質用過核燃料中期儲存熱移除設計
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目前各種能源系統的設計與應用,常會牽涉到多孔性介質或多孔性介質的假設,如地熱、密集式熱交換器、用過核燃料儲存、熱管設計等等。為了要達到高效率的能源使用需求,如何正確評估及計算多孔性介質的熱移除行為,是相當重要的研究課題。本研究以計算流力程式CFD(本研究採用的是CFX4.4)為基礎的分析工具,研究並建立一套可應用於用過核燃料儲存設施等類似能源系統的多孔性介質分析模式。
本研究的進行為先收集多孔性介質的流力、熱傳的基本定律,以及統御方程式,並針對CFX4.4內的多孔性介質分析模式加以瞭解並測試。
至於用過核燃料儲存,本研究將以中期儲存為主,針對直立式與水平式兩大類用過核燃料中期儲存設施,進行熱移除設計的分析。由於儲存設施內的密集核燃料棒與其空隙間的氦氣流體會顯現出多孔性介質的熱傳流力特性,因此我們利用CFX4.4所建立的多孔性介質分析模式來分析該設施,能得到比過去採用「燃料與流體均質化」假設的相關研究更為精確的熱移除設計。
由分析結果可以發現:對於用過核燃料中期儲存設施的熱設計分析方面,以該分析模式所得之系統溫度,整體來說比起均質化假設的分析結果來得低;孔度較大的燃料組件,散熱能力較好;多孔性介質分析模式的暫態解會很快地接近穩態。
Porous media exists in many kind of energy systems design and applications, such as geothermal usage, compact heat exchangers, spent nuclear fuel storage, heat pipe design. For higher thermal efficiencies requirement, it is important to determine system temperature as accurate as possible. The present investigation looks into the procedure to evaluate porous media heat removal behavior in energy system such as spent nuclear fuel storage using CFD methods.
First, investigation begins with understanding of the basic definitions and fundamental laws and governing equations in porous media approach. Next, we need to explore and test the porous media modeling in CFD code.
We will focus on the situations of spent nuclear fuel interim storage. There are two different designs for fuel rod orientation in interim storage, vertical and horizontal. In either design, the fine matrix of fuel rods and nature convecting cooling helium gas form a particular region that presents important porous media characteristics. With such special geometrical and physical arrangement and CFD porous model, it is expected that more accurate system temperature distributions will be obtained compared to traditionally “homogenization of fuel and gas” approach.
From our simulated results, we noticed that the temperature of porous model is lower than homogenization model in the spent nuclear fuel interim storage. The larger porosity of the fuel assembly, the better heat transfer capability. The steady state solutions are reached in relatively short transient times in porous model.
第一章 前言 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究方式與目的 3
第二章 多孔性介質理論基礎 4
2-1 流動及熱傳現象 4
2-2 統御方程式 6
2-2.1 質量守恆方程式 6
2-2.2 動量守恆方程式 6
2-2.3 能量守恆方程式 9
第三章 CFX軟體及多孔性介質相關設定簡介 11
3-1 CFX計算流力模擬軟體簡介 11
3-1.1 前處理器 11
3-1.2 處理器 12
3-1.3 後處理器 12
3-1.4 CFX軟體的安裝 12
3-2 多孔性介質相關設定簡介 16
3-2.1 多孔性介質內部流動方程式引入 16
3-2.2 多孔性介質區塊建立 16
3-2.3 孔度設定 18
3-2.4 流阻係數相關設定 18
3-2.5 熱源設定 19
3-2.6 對流邊界設定 20
3-3 暫態分析的設定 22
3-3.1 CFX的暫態模式 22
3-3.2 固定時間步階 22
3-3.3 適應性時間步階 23
第四章 多孔性介質理論分析模式建立 26
4-1 模型建立與參數設定 26
4-2 結果分析與討論 32
第五章 多孔性介質理論分析模式應用─直立式用過核燃料中期儲存設
施 50
5-1 直立式混凝土護箱簡介 50
5-2 模型建立與參數設定 55
5-3 穩態分析 59
5-3.1 標準分析 61
5-3.2 熱對流係數的改變 65
5-3.3 外界環境溫度的改變 66
5-3.4 孔度的改變 67
5-3.5 穩態分析的結果與討論 68
5-4 暫態分析 85
5-4.1 空氣通道阻塞事故分析 85
5-4.2 空氣通道阻塞的極端狀況 88
5-4.3 火災事故分析 91
5-4.4 暫態分析的結果與討論 94
第六章 多孔性介質理論分析模式應用─水平式用過核燃料中期儲存設
施 116
6-1 水平式混凝土模組簡介 116
6-2 模型建立與參數設定 123
6-3 結果分析與討論 131
第七章 結論與建議 140
參考文獻
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