Análisis de modelos fluidodinámicos de difusión de especies en mezclas de gases / Analysis of fluid-dynamic models of species diffusion in gaseous mixtures

Constantinidis, Adonis (2023) Análisis de modelos fluidodinámicos de difusión de especies en mezclas de gases / Analysis of fluid-dynamic models of species diffusion in gaseous mixtures. Integration Project in Mechanical Engineering, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.

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Abstract in Spanish

En este trabajo se lleva a cabo un estudio de diferentes modelos de difusión de especies en mezclas de gases, centrándose en mezclas binarias y ternarias. Se desarrolla e implementa un nuevo modelo ternario diluido con el objetivo de representar de manera optima y con menor costo computacional al modelo ternario original. El estudio se realiza mediante simulaciones numéricas utilizando el software ANSYS Fluent, con un cálculo fluidodinámico acoplado con los modelos difusivos mediante un código en lenguaje C. Se elige una geometría adecuada para simular, una tobera cerrada, que permite simular un flujo supersónico y estacionario y crear gradientes de presión conocidos para tener criterio para el comportamiento y comparación entre los modelos. Los gases utilizados en el trabajo son en todos los casos Helio (He), como gas carrier, al 95% con un 5% de un gas de proceso. Este ultimo es en un primer momento hexafluoruro de uranio (UF_6) con diferentes concentraciones de la especie 235"UF_6 (0.711%, 5 %, 10 %, 20% y 99 %) y luego, UF_6 con hexafluoruro de azufre (SF_6) con diferentes concentraciones de este ´ultimo (0.1 %, 0.5 %, 1 %, 10 %, 15% y 20 %). En el caso de la mezcla de He y UF_6 natural, se encuentra una buena concordancia entre los modelos binario y ternario. Luego, se realiza un análisis del perfil de concentración de la especie con menor concentración en el modelo ternario. Se observa una forma funcional que podría atribuirse a inestabilidades de convergencia dada la baja concentración de entrada, la poca diferencia de masas y la característica no lineal y acoplada del modelo. Este perfil resulta independiente del valor de la especie con menor concentración en la mezcla, pero dependiente del coeficiente de difusión. También, se realiza un análisis del modelo diluido, y se obtienen resultados satisfactorios en cuanto a la representación del modelo ternario. Se decide cambiar la mezcla para aumentar la diferencia de masas y comparar valores cuantitativos, con el objetivo de mejorar la convergencia del modelo ternario. Se simula el modelo ternario diluido con la mezcla de He−UF_6 −SF_6 y se observa un perfil de concentración esperado para la especie con menor concentración, pero más difundido de lo que debería. Nuevamente, los coeficientes de difusión son determinantes. Este nuevo modelo resulta ser buena aproximación del modelo original, captando la física de la difusión y el orden de los valores de concentración en el dominio simulado.

Abstract in English

Different models of species diffusion in gas mixtures are analysed, focusing on binary and ternary mixtures. A new ternary model with one diluted component (called ”diluted ternary model”) is developed and implemented to represent the original ternary model in an optimal way and with lower computational cost. The study is carried out by numerical simulations using the ANSYS Fluent software, with a fluid dynamic calculation coupled to the diffusive models, which are programmed in C language. A suitable geometry is chosen, a curved nozzle, which allows to simulate a supersonic and stationary flow and to obtain qualitatively pressure gradients to have a performance criteria and to compare results between the models. The gases that are used in all cases are Helium (He), as carrier gas, at 95% molar concentration, mixed with a process gas. First, the process gas is uranium hexafluoride (UF_6) with different concentrations of 235"UF_6 isotope (0.711%, 5%, 10%, 20% and 99%) and then, the process gas is UF_6 mixed with sulphur hexafluoride (SF_6) with different concentrations of the last one (0.1%, 0.5%, 1%, 10%, 15% and 20%). In He − UF_6 mixture with natural uranium, good agreement is observed between the binary and ternary models. Then, a concentration profile analysis of the diluted specie in the ternary model is performed. Some observed profiles are attributed to convergence instabilities given from the low input concentration, the small mass difference and the non-linear, implicit and coupled characteristic of the model. This profile is independent of the lowest concentration specie value in the mixture, but depends on the diffusion coefficient. A diluted model analysis is implemented and satisfactory results are obtained for ternary mixtures representations. Then a change in the mixture composition was evaluated, increasing the mass difference to compare the quantitative values, in order to improve the convergence of the ternary model. The diluted ternary model is simulated with a He − UF_6 − SF_6 mixture and an expected profile is observed for the lowest concentration specie, but more diffused than it was expected. It was found that the diffusion coefficients are decisive in these results. This new model turns out to be a good ternary model approximation, representing the diffusion physics and the concentration values in the simulated domain.

Item Type:Thesis (Integration Project in Mechanical Engineering)
Keywords:Diffusion, Difusión; Isotopic separation; Separación isotópica; Enrichment; Enriquecimiento; Fluid mechanics; Mecánica de fluidos; Simulation; Simulación
References:[1] Chapman, S., Cowling, T. G. Cambridge mathematical library: The mathematical theory of non-uniform gases: An account of the kinetic theory of viscosity, thermal conduction and diffusion in gases. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1970. 3, 23, 24 [2] Ehrfeld, W. Elements of Flow and Diffusion Processes in Separation Nozzles. Springer Berlin Heidelberg, 1983. 5 [3] Morgan, N. M. Estudio de modelos de difusión de especies en mezcla de gases. Proyecto integrador de fin de carrera, Instituto Balseiro, 2020. 5, 11, 12, 23, 26, 35, 36 [4] Mardones, C. J. Comparación teórico experimental de flujos en toberas en régimen supersónico. Proyecto integrador de fin de carrera, Instituto Balseiro, 2023. 6 [5] Frigerio, L. J. Modelado de gases en flujo compresible en expansiones libres. Proyecto integrador de fin de carrera, Instituto Balseiro, 2019. 12, 23, 24 [6] Shapiro, A. H. The dynamics and thermodynamics of compressible fluid flow, volume 1. Nashville, TN: John Wiley & Sons, 1953. 15 [7] User’s guide. Ansys Fluent 16.0. ANSYS Inc. 2016. 15, 16, 17, 19, 24 [8] White, F. M. Fluid Mechanics. 8a ed. New York, NY: McGraw-Hill Professional, 2015. 16 [9] Córdoba, A. Estudio de modelos de clusterización en mezclas de gases. Proyecto integrador de fin de carrera, Instituto Balseiro, 2021. 17 [10] DeWitt, R. Uranium hexafluoride: A survey of the physicochemical properties. 1 (1), 8 1960. 18 [11] De La Iglesia, G. M. Caracterización de procesos separativos en mezclas de gases. Proyecto integrador de fin de carrera, Instituto Balseiro, 2022. 23, 36 [12] Perlo, L. R. Modelado de gases en flujo compresible en toberas y expansiones. Proyecto integrador de fin de carrera, Instituto Balseiro, 2018. 24 [13] Cussler, E. L. Cambridge Series in Chemical Engineering: Diffusion: Mass Transfer in Fluid Systems. 3a ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, 2009. 29
Subjects:Nuclear engineering > Mecánica de fluidos
Divisions:Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. LASIE
ID Code:1208
Deposited By:Tamara Cárcamo
Deposited On:17 Aug 2023 12:50
Last Modified:17 Aug 2023 12:50

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