Giménez, Marcelo (2004) Modelos de polidispersiones bifásicas con aplicaiones en seguridad nuclear / Biphasic poly-dispersions modelling with applications in nuclear safety. Tesis Doctoral en Ingeniería Nuclear, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
Numerosas aplicaciones tecnológicas, científicas, medicinales y ambientales requieren del entendimiento de la dinámica de polidispersiones multifase (e.g., inyectores, refrigeración, farmacología, emisiones industriales, etc.). En lo que respecta al área nuclear, la eventual liberación de productos de fisión y actínidos en caso de un hipotético accidente grave en un reactor se haría en forma de gases y aerosoles, cuyo transporte en el circuito primario y contención es necesario evaluar para el diseño de los sistemas de seguridad y licenciamiento de la instalación. La refrigeración de los elementos combustibles en dos fases es otra aplicación que requiere del modelado de flujos con estas características. En esta tesis se presentan modelos adecuados para el estudio y la comprensión de la dinámica de sistemas polidispersos (aerosoles y burbujas) transportados en un medio continuo y en ambientes confinados. Con respecto a la aplicación a la dinámica de aerosoles, el modelo desarrollado parte de una formulación estadística para describir la evolución del sistema en función del tamaño de las partículas, considerando el transporte por el gas, la sedimentación, difusión, sustentación, coagulación, termoforesis y condensación. La ecuación de balance es del tipo integrodiferencial no lineal, cuya resolución se realiza utilizando el Método de los Momentos, en donde se propone una forma funcional para describir la distribución del volumen de las partículas. Se obtiene de esta forma un sistema acoplado de ecuaciones de convección-difusión con fuente, que describe la dinámica de cada uno de los parámetros que caracterizan dicha distribución. Este sistema es resoluble numéricamente a un costo computacional muy atractivo, que, a su vez, permite abordar el modelado de las heterogeneidades espaciales del aerosol. En base a dicho modelo se desarrolla uno complementario que permite cuantificar coeficientes de sensibilidad de funcionales de respuesta respecto de incertezas en parámetros del modelo o de las condiciones del problema a resolver. Este modelo se basa en la teoría de perturbaciones, usando el Formalismo Diferencial y resulta de gran utilidad tanto para estudios teóricos como para el diseño de experimentos. Se realizan diversas comparaciones del modelo, tanto en una como en dos dimensiones, con soluciones analíticas y datos de bibliografía y se analiza cuidadosamente los efectos de los mecanismos físicos que intervienen en la dinámica del aerosol. Se presta particular atención a las consecuencias del modelado de gradientes espaciales de concentración y a la validez de la hipótesis de homogeneidad espacial utilizada comúnmente en modelos de cálculo. Por un lado, de la comparación con modelos espacialmente homogéneos se han observado desviaciones y por otro diferencias de más de un orden de magnitud entre distintos puntos del dominio, principalmente debido al acople entre coagulación y sedimentación, sustentación y coagulación y termoforesis, que harían inadecuada la hipótesis de homogeneidad espacial. En general el modelo desarrollado muestra una buena capacidad de responder a los fenómenos físicos involucrados, siempre y cuando éstos no produzcan una distorsión de la forma functional adoptada para describir la distribución en tamaño del aerosol, como es el caso de sedimentación pura. Como contribución adicional y extensión del modelo, se aplicó la formulación desarrollada para resolver el transporte de burbujas en un dominio vertical, modelando la distribución en tamaño, la dinámica de las mismas y su distribución espacial. El modelo es comparado exitosamente con resultados experimentales
Resumen en inglés
Many technological, scientific and environmental areas require of the understanding of multiple-phase, polydisperse systems. Particularly, in nuclear safety area, under hypothetical severe accident conditions, the fission products are released as gases and airborne particles. In the present thesis a contribution to the modeling of confined polydisperse systems (aerosols and liquid-gas) is presented. A family of one and two dimensional models was developed, describing the impact of the particles size on the aerosol evolution, taking into account the transport mechanisms by the carrying media, settling, lift, thermophoresis, diffusion, coagulation and condensation, considering the spatial dependence. The aerosol general dynamic balance equation -no-linear integral-differential equation-, is treated by means of the Moments Method, imposing a prescribed volume size distribution, and obtaining a model based in the first few moments. This yields to a relatively simple convection-diffusion set of coupled equations, that describes the evolution of the parameters that characterize the size distribution, with a low computational cost that allows to deal the heterogeneities of the spatial distribution of the aerosol. A complementary model, based also on the Moments Method, is developed to perform sensitivity analysis due to uncertainties in the constitutive equations and in the input parameters. The Perturbative Method, Differential-formalism, is used to develop a set of sensitivity equations, which are useful for designing experiments and theoretical studies. The model results are compared with exact solutions and numerical and experimental data extracted from the open literature. Various physical phenomena involved in different simulated case are analysed in detail. Particularly, the study is oriented to the analysis of the concentration gradients and the validation of the aerosol well-mixed hypothesis, typically used in present numerical codes. Deviations were observed from the comparison with models that use this hypothesis, finding also variation in the concentration of one order of magnitude or more at different points of the domain. In general this is due to the coupling between coagulation and settling, lift and coagulation and thermophoresis, which showed the situations in which homogenization fails. The model showed good performance to represent the aerosols dynamics, whenever no distortion of size spectrum is present (e.g., the case of settling when no other physical mechanisms present). As a final contribution and extension of the methodology, a model to simulate the transport and dynamics of bubbly gas-liquid flows was developed, considering the axial spatial dependence of bubbles distribution. The results are successfully compared with experimental data of a bubble column
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Ingeniería Nuclear) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Aerosoles; Nuclear safety; Aerosols; Two phase flow; Seguridad nuclear; Fases; Flujo; Termoforesis; Themoforesis; Moments method; |
| Materias: | Ingeniería nuclear |
| Divisiones: | Energía nuclear > Ingeniería nuclear > Termohidráulica |
| Código ID: | 22 |
| Depositado Por: | Administrador RICABIB |
| Depositado En: | 28 Abr 2010 10:53 |
| Última Modificación: | 28 Abr 2010 10:53 |
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