Qu’est-ce que la force de traînée Exemple – Coefficient de traînée – Définition

Drag Force en génie nucléaire

L’analyse de la force de levage hydraulique est l’une des analyses les plus importantes dans la conception d’un assemblage de combustible et dans l’analyse de la compatibilité hydraulique des noyaux mélangés. Les forces verticales sont induites par un écoulement ascendant à grande vitesse à travers le cœur du réacteur . La voie d’écoulement du fluide de refroidissement du réacteur à travers la cuve du réacteur serait:

• 

  Le liquide de refroidissement pénètre dans la cuve du réacteur au niveau de la buse d’admission et entre en contact avec le cylindre .

• Le carottier contraint l’eau à s’écouler dans l’espace situé entre la paroi de la cuve du réacteur et le carottier . Cet espace est généralement appelé descendant .
• À partir du bas de l’enceinte sous pression, le flux est inversé à travers le noyau afin de traverser les assemblages de combustible , où la température du liquide de refroidissement augmente à mesure qu’il passe à travers les barres de combustible.
• Enfin, le fluide caloporteur du réacteur le plus chaud entre dans la région interne supérieure, où il est acheminé par la buse de sortie dans les branches chaudes du circuit primaire et se dirige ensuite vers les générateurs de vapeur .

Les assemblages combustibles sont maintenus par la structure de guidage supérieure , qui définit le sommet du noyau. Cet assemblage est en acier inoxydable et sert à plusieurs usages. La structure de guidage supérieure exerce une force axiale sur les assemblages combustibles (grâce à des ressorts dans la buse supérieure), définissant ainsi la position exacte de l’assemblage combustible dans le noyau. La bride de montage de la structure de guidage supérieure est maintenue en place et préchargée par la bride de tête de fermeture RPV. La structure de guidage supérieure guide et protège également les ensembles de barres de commande et les instruments intégrés.

La force d’appui requise de la structure de guidage supérieure sur les assemblages combustibles doit être calculée avec soin. Une force d’appui insuffisante peut entraîner la levée de l’assemblage combustible , par contre, une force d’appui excessive peut entraîner une flexion de l’assemblage combustible , ce qui est également inacceptable.

Exemple: force de traînée – coefficient de traînée – faisceau de carburant

Calculer la traînée de frottement d’une barre de combustible unique à l’  intérieur d’un cœur de réacteur en fonctionnement normal (débit de conception). Supposons que ce crayon de combustible fait partie d’un faisceau de combustible avec le réseau de combustible rectangulaire et que ce faisceau de combustible ne contient pas de grilles d’espacement. Sa hauteur est h = 4 m et la vitesse d’écoulement du cœur est constante et égale à V _cœur = 5 m / s.

Suppose que:

• le diamètre extérieur du revêtement est: d = 2 xr _{Zr, 1} = 9,3 mm
• le pas des goupilles de combustible est: p = 13 mm
• la rugosité relative est ε / D = 5 × 10 ^-4
• la densité du fluide est: ρ = 714 kg / m ³
• la vitesse d’écoulement du cœur est constante et égale à V _cœur = 5 m / s
• la température moyenne du liquide de refroidissement du réacteur est: T en _vrac = 296 ° C

Calcul du nombre de Reynolds

Pour calculer le nombre de Reynolds , nous devons savoir:

• le diamètre extérieur du revêtement est: d = 2 xr _{Zr, 1} = 9,3 mm (pour calculer le diamètre hydraulique)
• le pas des goupilles de combustible est: p = 13 mm  (pour calculer le diamètre hydraulique)
• la viscosité dynamique de l’eau saturée à 300 ° C est: μ = 0,0000859 Ns / m ²
• la densité du fluide est: ρ = 714 kg / m ³

Le diamètre hydraulique, D _h , est un terme couramment utilisé pour gérer le débit dans des tubes et canaux non circulaires . Le diamètre hydraulique du canal de carburant , D _h , est égal à 13,85 mm .

Voir aussi: Diamètre hydraulique

Le nombre de Reynolds à l’intérieur du canal de carburant est alors égal à:

Cela satisfait pleinement les conditions turbulentes .

Calcul du coefficient de friction cutanée

Le facteur de frottement pour un écoulement turbulent dépend fortement de la rugosité relative. Il est déterminé par l’équation de Colebrook ou peut être déterminé à l’aide du diagramme de Moody . Le graphique de Moody pour Re = 575 600 et ε / D = 5 x 10 ^-4 renvoie les valeurs suivantes:

• le facteur de friction de Darcy est égal à f _D = 0,017
• le facteur de friction Fanning est égal à f _F = f _D / 4 = 0,00425

Le coefficient de frottement cutané est donc égal à:

Calcul de la force de traînée

Pour calculer la force de traînée , nous devons savoir:

• le coefficient de frottement cutané, qui est: C _{D, frottement} = 0,00425
• l’aire de la surface de la broche, qui est: A = π.dh = 0,1169 m ²
• la densité du fluide , qui est: ρ = 714 kg / m ³
• la vitesse d’écoulement du cœur, constante et égale à V _cœur = 5 m / s

À partir du coefficient de friction de la peau, qui est égal au facteur de friction de Fanning, nous pouvons calculer la composante de friction de la force de traînée. La force de traînée est donnée par:

En supposant qu’un assemblage combustible puisse avoir, par exemple, 289 goupilles combustibles (assemblage combustible 17×17), la composante frictionnelle de la force de traînée est alors de l’ordre de kilonewtons . De plus, cette force de traînée provient uniquement du frottement de la peau sur le faisceau de combustible. Mais l’assemblage combustible PWR typique contient d’autres composants, qui influencent l’hydraulique de l’assemblage combustible:

• Barres de combustible . Les crayons combustibles contiennent le carburant et les poisons combustibles.
• Buse supérieure . Fournit le support mécanique de la structure d’assemblage combustible.
• Buse inférieure . Fournit le support mécanique de la structure d’assemblage combustible.
• Grille d’espacement . Assure un guidage précis des crayons combustibles.
• Guide tube de dé à coudre . Tube vide pour barres de contrôle ou instrumentation in-core.

Comme il a été écrit, le deuxième composant de la force de traînée est la traînée de forme. La traînée de forme, également appelée traînée de pression, résulte de la forme et de la taille de l’objet. La traînée de pression est proportionnelle à la différence entre les pressions agissant à l’avant et à l’arrière du corps immergé et la zone frontale.

Chute de pression – assemblage de carburant

En général, la chute de pression totale de l’assemblage combustible est formée par la chute de friction du faisceau de combustible (en fonction de la rugosité relative des crayons combustibles, du nombre de reynolds , du diamètre hydraulique , etc.) et d’autres chutes de pression des éléments structurels (buse supérieure et inférieure, grilles d’espacement ou grilles de mélange ).

En général, il n’est pas si simple de calculer les chutes de pression dans les assemblages combustibles (en particulier les grilles d’espacement) et il appartient au savoir-faire clé de certains fabricants de carburants. La plupart du temps, les chutes de pression sont mesurées dans des boucles hydrauliques expérimentales , plutôt que calculées.

Les ingénieurs utilisent le coefficient de perte de pression , PLC . Il est noté K ou ξ  (prononcé «xi»). Ce coefficient caractérise la perte de charge d’un certain système hydraulique ou d’une partie d’un système hydraulique. Il peut être facilement mesuré dans les boucles hydrauliques. Le coefficient de perte de charge peut être défini ou mesuré pour les deux tuyaux droits et en particulier pour les pertes locales (mineures) .

En utilisant les données de l’exemple mentionné ci-dessus, le coefficient de perte de pression (seulement le frottement du tuyau droit) est égal à ξ = f _D L / D _H = 4,9 . Mais le coefficient global de perte de pression (y compris les grilles d’espacement, les buses supérieure et inférieure, etc.) est généralement environ trois fois plus élevé. Cet automate ( ξ = 4,9 ) provoque que la chute de pression est de l’ordre de ( en utilisant les entrées précédentes) Dp _friction = 4,9 x 714 x 5 ² /2 = 43,7 kPa (sans grilles, embouts supérieur et inférieur d’ espacement). Un PLC réel environ trois fois plus élevé signifie un _carburant  Δp environ trois fois plus élevé .

La perte de charge globale du réacteur, _réacteur Δp , doit comprendre:

• descente et fond de réacteur
• plaque de support inférieure
• assemblage de combustible comprenant des grilles d’espacement, des buses supérieure et inférieure et d’autres composants structurels –  Δp _fuel
• ensemble de structure de guidage supérieur

En conséquence, la perte de charge globale du réacteur –  _réacteur Δp est généralement de l’ordre de centaines de kPa (disons 300 – 400 kPa) pour les paramètres de conception.