¿Qué es el ejemplo de fuerza de arrastre? Coeficiente de arrastre: definición

Ejemplo: Fuerza de arrastre – Coeficiente de arrastre. Calcule el arrastre de fricción de una sola barra de combustible dentro del núcleo del reactor en funcionamiento normal (caudal de diseño). Problema con la solución. Ingenieria termal

Fuerza de arrastre en ingeniería nuclear

El análisis de la fuerza de elevación hidráulica es uno de los análisis más importantes para diseñar un conjunto de combustible y analizar la compatibilidad hidráulica de núcleos mixtos. Las fuerzas verticales son inducidas por el flujo ascendente de alta velocidad a través del núcleo del reactor . La ruta de flujo para el refrigerante del reactor a través del recipiente del reactor sería:

  • Ecuación de continuidad: tasas de flujo a través del reactor
    Ejemplo de caudales en un reactor. Es un ejemplo ilustrativo, los datos no representan ningún diseño de reactor.

    El refrigerante ingresa al recipiente del reactor en la boquilla de entrada y golpea contra el barril del núcleo .

  • El barril central obliga al agua a fluir hacia abajo en el espacio entre la pared del recipiente del reactor y el barril central , este espacio generalmente se conoce como el tubo descendente .
  • Desde el fondo del recipiente a presión, el flujo se invierte hacia arriba a través del núcleo para pasar a través de los conjuntos de combustible , donde la temperatura del refrigerante aumenta a medida que pasa a través de las barras de combustible.
  • Finalmente, el refrigerante del reactor más caliente ingresa a la región interna superior, donde se dirige la boquilla de salida a las patas calientes del circuito primario y pasa a los generadores de vapor .

Los conjuntos de combustible están sujetos por el conjunto de estructura de guía superior , que define la parte superior del núcleo. Este conjunto está hecho de acero inoxidable y tiene muchos propósitos. El conjunto de estructura de guía superior ejerce una fuerza axial sobre los conjuntos de combustible (a través de resortes en la boquilla superior), por lo tanto define la posición exacta del conjunto de combustible en el núcleo. La brida del ensamblaje de la estructura de la guía superior se mantiene en su lugar y se precarga mediante la brida del cabezal de cierre RPV. El conjunto de la estructura de la guía superior también guía y protege los conjuntos de la barra de control y la instrumentación en el núcleo.

La carga aerodinámica requerida del conjunto de la estructura de la guía superior en los conjuntos de combustible debe calcularse con mucho cuidado. Una carga aerodinámica insuficiente puede provocar la elevación del conjunto de combustible , por otro lado, una carga aerodinámica excesiva puede provocar la inclinación del conjunto de combustible , lo que también es inaceptable.

Ejemplo: Fuerza de arrastre – Coeficiente de arrastre – Paquete de combustible

Diámetro hidráulico - Canal de combustibleCalcule el arrastre de fricción de una sola barra de combustible  dentro del núcleo del reactor en funcionamiento normal (caudal de diseño). Suponga que esta barra de combustible es parte de un paquete de combustible con la red rectangular de combustible y que este paquete de combustible no contiene rejillas de separación. Su altura es h = 4 my la velocidad de flujo del núcleo es constante e igual a núcleo = 5 m / s.

Asumir que:

  • El diámetro exterior del revestimiento es: d = 2 xr Zr, 1 = 9,3 mm
  • El paso de los pasadores de combustible es: p = 13 mm
  • la rugosidad relativa es ε / D = 5 × 10 -4
  • la densidad del fluido es: ρ = 714 kg / m 3
  • la velocidad del flujo central es constante e igual a core = 5 m / s
  • la temperatura promedio del refrigerante del reactor es: T a granel = 296 ° C

Cálculo del número de Reynolds.

Para calcular el número de Reynolds , tenemos que saber:

  • El diámetro exterior del revestimiento es: d = 2 xr Zr, 1 = 9,3 mm (para calcular el diámetro hidráulico)
  • El paso de los pasadores de combustible es: p = 13 mm  (para calcular el diámetro hidráulico)
  • La viscosidad dinámica del agua saturada a 300 ° C es: μ = 0.0000859 Ns / m 2
  • la densidad del fluido es: ρ = 714 kg / m 3

El diámetro hidráulico, D h , es un término comúnmente utilizado cuando se maneja el flujo en tubos y canales no circulares . El diámetro hidráulico del canal de combustible , h , es igual a 13,85 mm .

Ver también: diámetro hidráulico

El número de Reynolds dentro del canal de combustible es igual a:

número de reynolds - ejemplo

Esto satisface completamente las condiciones turbulentas .

Cálculo del coeficiente de fricción de la piel

El factor de fricción para el flujo turbulento depende en gran medida de la rugosidad relativa. Está determinado por la ecuación de Colebrook o puede determinarse usando la tabla Moody . La tabla Moody para Re = 575 600 y ε / D = 5 x 10 -4 devuelve los siguientes valores:

Por lo tanto, el coeficiente de fricción de la piel es igual a:

coeficiente de fricción de la piel - ejemplo

Cálculo de la fuerza de arrastre

Para calcular la fuerza de arrastre , tenemos que saber:

  • el coeficiente de fricción de la piel, que es: D, fricción = 0.00425
  • El área de la superficie del pasador, que es: A = π.dh = 0.1169 m 2
  • la densidad del fluido , que es: ρ = 714 kg / m 3
  • la velocidad del flujo central, que es constante e igual a core = 5 m / s

A partir del coeficiente de fricción de la piel, que es igual al factor de fricción de Fanning , podemos calcular el componente de fricción de la fuerza de arrastre. La fuerza de arrastre viene dada por:

fuerza de arrastre - ejemplo

Suponiendo que un conjunto de combustible puede tener, por ejemplo, 289 pasadores de combustible (conjunto de combustible 17 × 17), el componente de fricción de la fuerza de arrastre es del orden de kilonewtons . Además, esta fuerza de arrastre se origina puramente de la fricción de la piel en el haz de combustible. Pero el conjunto de combustible PWR típico contiene otros componentes, que influyen en el sistema hidráulico del conjunto de combustible:

  • Barras de combustible . Las barras de combustible contienen el combustible y los venenos quemables.
  • Boquilla superior . Proporciona el soporte mecánico para la estructura del conjunto de combustible.
  • Boquilla inferior . Proporciona el soporte mecánico para la estructura del conjunto de combustible.
  • Cuadrícula de espaciado . Asegura una guía exacta de las barras de combustible.
  • Tubo guía dedal . Tubo vacante para barras de control o instrumentación en el núcleo.

Como se escribió, el segundo componente de la fuerza de arrastre es la forma de arrastre. El arrastre de forma conocido también como arrastre de presión surge debido a la forma y el tamaño del objeto. El arrastre de presión es proporcional a la diferencia entre las presiones que actúan en la parte frontal y posterior del cuerpo sumergido, y el área frontal.

Caída de presión – Conjunto de combustible

En general, la caída de presión total del conjunto de combustible está formada por la caída por fricción del haz de combustible (dependiendo de la rugosidad relativa de las barras de combustible, el número de Reynolds , el diámetro hidráulico , etc.) y otras caídas de presión de los elementos estructurales (boquilla superior e inferior, rejillas de separación o rejillas de mezcla )

En general, no es tan simple calcular las caídas de presión en los conjuntos de combustible (especialmente las rejillas de separación) y pertenece a los conocimientos clave de ciertos fabricantes de combustible. Principalmente, las caídas de presión se miden en bucles hidráulicos experimentales , en lugar de calcularse.

Los ingenieros usan el coeficiente de pérdida de presión , PLC . Se observa K o ξ  (pronunciado “xi”). Este coeficiente caracteriza la pérdida de presión de un determinado sistema hidráulico o de una parte de un sistema hidráulico. Se puede medir fácilmente en bucles hidráulicos. El coeficiente de pérdida de presión se puede definir o medir para tuberías rectas y especialmente para pérdidas locales (menores) .

PLC - Coeficiente de pérdida de presión - ecuaciones

Usando los datos del ejemplo mencionado anteriormente, el coeficiente de pérdida de presión (solo friccional de la tubería recta) es igual a ξ = f D L / D H = 4.9 . Pero el coeficiente global de pérdida de presión (incluidas las rejillas de separación, las boquillas superior e inferior, etc.) suele ser aproximadamente tres veces mayor. Este PLC ( ξ = 4.9 ) hace que la caída de presión es del orden de (utilizando las entradas anteriores) Ap fricción = 4,9 x 714 x 5 2 /2 = 43,7 kPa (sin rejillas Espaciado, toberas superior e inferior). Un PLC real aproximadamente tres veces mayor significa que el combustible  Δp será aproximadamente tres veces mayor .

La pérdida de presión global del reactor, el reactor Δp , debe incluir:

  • bajante y fondo del reactor
  • placa de soporte inferior
  • conjunto de combustible que incluye rejillas de separación, boquillas superior e inferior y otros componentes estructurales –  combustible Δp
  • conjunto de estructura de guía superior

Como resultado, la pérdida de presión general del reactor – el  reactor Δp es generalmente del orden de cientos de kPa (digamos 300-400 kPa) para los parámetros de diseño.

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