Analysis of individual forces in force-balance model for bubble departure diameter prediction

Abstract

Understanding two-phase flow is key to the safety and efficiency analysis of Light Water Nuclear reactors (LWR). Because of inaccuracies, LWRs operate below the maximum point of output power to ensure safety. Computational Fluid Dynamics (CFD) methods use heat partitioning models for a better understanding of flow boiling with a special focus on the critical heat flux. In the heat partitioning models the bubble departure diameter is a term that highly influences the prediction of the heat flux. This work seeks an analysis of individual forces contained in a force-balance approach for bubble departure diameter prediction by using high speed photography. To analyze force expressions individually, two scenarios with different operating conditions are proposed. From the first scenario of a static bubble attached to a surface the contact pressure force F_cp and surface tension force F_s were validated to follow the physics of the problem. Then, the second scenario where a rapid growing bubble is analyzed allowed the computation of an experimental growth force based on the force-balance. A comparison was made between the experimental growth force and the growth force estimated from existing models. Comparing the Rayleigh-Plesset model growth force values with the experimental growth force gave a %difference of 833%. While the Added Mass model gave a %difference of 351%. From the comparison between the experimental growth force and the growth force estimated by the models a correction coefficient was proposed for the Rayleigh-Plesset model C=0.02 which made the average %difference 75% and an added mass coefficient was derived C_AM=0.09 for the Added Mass model which made possible an average %difference of 73%. By contributing to an improvement in the prediction of the bubble departure diameter LWRs can operate safely closer to their maximum operating point, thus allowing an increase in efficiency, lower operating cost or less fuel consumption.

Entender la dinámica de flujo de dos fases es fundamental para el análisis de la seguridad y eficiencia de reactores de agua liviana. Por inexactitudes, los reactores de agua liviana operan debajo del punto máximo de generación de potencia para garantizar la seguridad. Se usa Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para un mejor entendimiento de la dinámica de flujo de dos fases. El diámetro de desprendimiento de la burbuja influencia estos análisis. Este trabajo busca el análisis individual de fuerzas contenidas en el modelo de balance de fuerzas para la predicción del diámetro de la burbuja usando fotografía a alta velocidad. Para el análisis individual de fuerzas, dos escenarios con diferentes parámetros de operación fueron propuestos. En el primer escenario propuesto donde se analizan burbujas estáticas expresiones analíticas de la fuerza de contacto F_cp y fuerza de tensión superficial F_s fueron validadas. Luego, un segundo escenario donde había continuo crecimiento de burbuja, la fuerza de crecimiento F_du fue calculada experimentalmente. Una comparativa se estableció entre la fuerza de crecimiento experimental y dos modelos que estiman la fuerza de crecimiento. Comparando el estimado para la fuerza de crecimiento obtenida del modelo de Rayleigh-Plesset y la fuerza de crecimiento experimental se obtuvo un %diferencia de 833%. Mientras que el modelo de masa virtual tuvo un %diferencia de 351%. De la comparación entre la fuerza de crecimiento experimental y los modelos se propuso un coeficiente de corrección para la expresión de Rayleigh-Plesset C=0.02 lo cual logro un %diferencia de 75%. Por otro lado, se derivó un coeficiente de masa virtual C_AM=0.09 para el modelo de masa virtual que hace la %diferencia ser 75%. Contribuir a la mejora de la predicción del diámetro de desprendimiento de la burbuja una planta nuclear de generación de potencia puede operar más cerca del punto máximo de operación manteniendo la seguridad, haciendo posible el aumento de eficiencia, menor costo de operación o menor consumo de combustible.