v. ghazanfari
-
In this work, we attempted to simulate UF6 gas flow in the rarefied and continuum areas of the rotating cylinder using CFD, DSMC, and hybrid one-way and two-way CFD-DSMC methods. In the hybrid two-way CFD-DSMC method, the effect of two rarefied and continuum areas on each other is considered. The results were verified by the DSMC method. The results presented the two-way CFD-DSMC method was useful for three goals. The first purpose was to simulate the flow in the rarefied area using the DSMC method, which was more valid than the CFD method. The second goal was to reduce the computational time of the simulation of the continuum area using the CFD method. The third goal was to investigate the effect of the rarefied solution on the continuum solution. Comparing the results with the DSMC method, it was found that the two-way CFD-DSMC method causes a difference of only 2% for the separation power, while the computational cost is reduced by 60%.
Keywords: Rarefied area, Rotating cylinder, Separation power, CFD-DSMC, Coupled method -
یکی از عوامل محرک برای ایجاد جریان محوری درون روتور سانتریفیوژ به منظور افزایش عملکرد جداسازی، اسکوپ است. با توجه به قرار گرفتن اسکوپ در معرض جریان گاز با ماخ بالا، جریان دچار شوک شده و گرادیان های شدیدی در جریان اتفاق خواهد افتاد. در این پژوهش جریان گاز در اطراف اسکوپ در حالت دوبعدی (r-θ) به روش شبیه سازی مستقیم مونت کارلو (DSMC) با استفاده از حل گر dsmcFoam در فواصل مختلف اسکوپ از دیواره شبیه سازی شده است. نتایج نشان می دهد که افزایش فاصله اسکوپ از دیواره روتور و کاهش زاویه برخورد جریان گاز با اسکوپ، سبب کاهش بیشینه دما و نیروی درگ می شود. به عنوان نمونه برای روتوری با شعاع 100 میلی متر که جریان کنار دیواره آن به ماخ 5/6 می رسد افزایش فاصله اسکوپ از دیواره به میزان 31 درصد (از 8 به 5/10 میلی متر) به ازای فشار دیواره 3800 پاسکال در زاویه برخورد 85 درجه، سبب کاهش بیشینه دما به میزان 3/1 درصد (از 596 به 588 کلوین) و کاهش نیروی درگ به میزان 4/49 درصد (2412 به 1221 دین) می شود. کاهش زاویه برخورد گاز با اسکوپ به میزان 8/11 درصد (از 85 درجه به 75 درجه) به ازای فشار دیواره 3800 پاسکال در فاصله اسکوپ از دیواره برابر با 5/10 میلی متر سبب کاهش بیشینه دما به میزان 8/6 درصد (از 588 به 548 کلوین) و کاهش نیروی درگ به میزان 3/50 درصد (1552 به 771 دین) می شود.
کلید واژگان: روتور سانتریفیوژ, اسکوپ, شبیه سازی, روش شبیه سازی مستقیم مونت کارلو, حل گرOne of the driving factors for creating axial flow inside the gas centrifuge rotor to increase the separation performance is the scoop. Due to the exposure of the scoop to the high Mach gas flow, the flow will be shocked, and strong gradients will occur in the flow. In this research, the gas flow around the scoop in a two-dimensional state (r-θ) is simulated by the Direct Simulation Monte Carlo method (DSMC) using the dsmcFoam solver at different distances of the scoop from the rotor wall. The results show that increasing the distance of the scoop from the rotor wall and decreasing the contact angle of the gas flow with the scoop reduces the maximum temperature and drag force. For instance, increasing the distance of the scoop from the wall by 31% (from 8 to 10.5 mm) in 3800 Pa wall pressure and 85° contact angle, causing a maximum temperature decrease of 1.3% (from 596 to 588 K) and also the drag force is reduced by 49.4% (2412 to 1221 dyn). Furthermore, reducing the angle of the gas flow with the scoop by 11.8% (from 85 ° to 75 °) in 3800 Pa wall pressure and at the distance of the scoop from the wall equal to 10.5 mm causes a maximum temperature decrease of 6.8% (from 588 To 548 K) and the drag force is reduced by 50.3% (1552 to 771 dyn).
Keywords: Centrifuge rotor, Scoop, Simulation, direct simulation Monte Carlo method, Solver, dsmcFOAM -
In this study, the effect of rarefied region in the rotor of the centrifuge was investigated. In a rotor of the centrifuge, the feed inlet is positioned in the rarefied area. The continuum hypothesis is not valid in the rarefied area; therefore, it desires to be analyzed by probabilistic methods like Direct Simulation Monte Carlo (DSMC). In the present study, Computational Fluid Dynamic (CFD) method is used to simulate the continuum area, and the DSMC method is employed in the rarefied area. An implicit coupled density-based scheme was performed for CFD method, and Variable Hard Sphere (VHS) and diffuse model were employed in the DSMC method. Also, the local Knudsen number was defined to determine the interface location between the continuum-rarefied regions (r=0.086 m). The comparison results of pure CFD and CFD-DSMC methods illustrated large differences between the flow properties in the rarefied regions. The results showed that the value of separation power obtained from pure CFD and CFD-DSMC solution is 10.5% different.Keywords: Feed flow, Gas Centrifuge, CFD-DSMC, Separation
-
برای بالا بردن عملکرد یک سانتریفیوژ گازی، به تثبیت یک جریان محوری درون روتور نیاز است. شبیه سازی کامپیوتری در دست یابی به جریان محوری مطلوب، اهمیت قابل توجهی دارد. در این پژوهش یک حلگر خاص (ICDB) موجود در نرم افزار اپن فوم برای شبیه سازی جریان گاز درون روتور سانتریفیوژ توسعه داده شده است. توسعه حلگر ها در نرم افزار اپن فوم با توجه به قابلیت هایی همانند هزینه پایین و متن باز بودن آن بسیار حایز اهمیت است. برای بررسی صحت و دقت این حلگر، مطابق با مطالعه انجام شده توسط گروهی از پژوهشگران، جریان هوا با سرعت بالا روی یک صفحه تخت در نظر گرفته شده است. مقایسه نتایج حاصل از حلگر ICDB، نرم افزار فلوینت نتایج به دست آمده در مطالعه آن ها حاکی از اعتبار و صحت حلگر ICDB می باشد. سپس با استفاده از حلگر ICDB و نرم افزار فلوینت شبیه سازی جریان گاز هگزافلوراید اورانیم درون روتور در حالت متقارن محوری با در نظر گرفتن عوامل محرک متعدد از قبیل گرادیان دمای دیواره، اختلاف دمای کپ ها، ورود و خروج گاز و محرک مکانیکی اسکوپ انجام شد. نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد برای شبیه سازی جریان گاز هگزافلوراید اورانیم درون روتور می توان از حلگر ICDB در اپن فوم استفاده نمود.
کلید واژگان: سانتریفیوژ گازی, شبیه سازی جریان گاز, اپن فوم, هگزافلوراید اورانیمTo increase the performance of a gas centrifuge, it is necessary to stabilize an axial flow inside the rotor. For this purpose, computer simulation is an effective method. In the present work, a specific solver (ICDB) was developed in OpenFOAM to simulate the gas flow in the rotor. Creating a solver is important because OpenFOAM is free and open-source software. According to a study carried out by a research group, high-speed airflow is considered on a flat plate to assess the accuracy of this solver. To validate the ICDB, the results are compared with those of Fluent software and other researchers. It is found that the results corresponding to ICDB solver are in good agreement with other effects. Moreover, using the ICDB solver and the fluent software, the uranium hexafluoride gas flow inside the axisymmetric rotor was simulated considering different drives such as the thermal drive (wall and caps) and the mechanical drive (scoop). The obtained results show that the developed solver in OpenFOAM can simulate the uranium hexafluoride gas flow inside the rotor.
Keywords: Gas Centrifuge, Gas flow simulation, OpenFoam, Uranium hexafluoride -
برای افزایش عملکرد یک سانتریفیوژ گازی که در صنعت غنی سازی اورانیم استفاده می شود، میدان جریان گاز درون آن بررسی و شبیه سازی می گردد. در این مطالعه، برای شبیه سازی جریان گاز درون روتور از روش دقیق و کامل معادلات ناویراستوکس با استفاده از روش CFD بهره گیری شده است. برای استفاده از روش CFD، برای اولین بار یک حلگر ضمنی کوپل شده و بر مبنای چگالی در نرم افزار اپن فوم (OpenFOAM) توسعه داده شد که از آن برای شبیه سازی جریان گاز درون روتور استفاده گردید. در یک روتور نمونه، توان جداسازی با تنظیم پارامترهای دبی خوراک، فشار دیواره، گرادیان دمای دیواره و نیروی درگ اسکوپ بهبود یافت. بررسی نتایج نشان داد کمیت های عملیاتی مقدار بهینه ای دارند که در آن مقدار بهینه، توان جداسازی بیشینه شده است. برای رسیدن روتور مدل به بیشینه توان جداسازی 87/12 کیلوگرم سو 6UF بر سال، شرایط بهینه روتور در دبی خوراک 90 گرم بر ساعت، فشار دیواره 44 تور، گرادیان دمای 25 کلوین و نیروی درگ 1557 دین تعیین شد. با انجام این مطالعه گام مهمی در ارتقا عملکرد جداسازی سانتریفیوژ برداشته شده است.
کلید واژگان: سانتریفیوژ گازی, مطالعه پارامتریک, روش عددی, اپن فومIn order to increase the performance of a gas centrifuge used in the uranium enrichment industry, the gas flow field inside it is studied and simulated. In the present work, the full Navier-Stokes equations using the CFD method are used to simulate the gas flow inside the rotor. For the CFD method, a density-based implicit coupling solver was developed in OpenFOAM software, which was used to simulate the gas flow inside the rotor. The separation power was improved in a sample rotor by adjusting feed flow parameters, wall pressure, wall temperature gradient, and scoop drag force. The results show that the process variable had an optimal value in which the separation power is maximum. In order to achieve the maximum separation power of 12.87 kg UF6 SWU/year, the optimum rotor conditions were determined at a feed rate of 90 g/h, wall pressure of 44 torr, the temperature gradient of 25 K, and drag force of 1557 dyne. This study can be considered an important step in improving the performance of centrifuge separation.
Keywords: Gas Centrifuge, Parametric studies, numerical method, OpenFoam -
عملکرد یک سانتریفیوژ گازی که در صنعت غنی سازی اورانیم استفاده می گردد به شدت به میدان جریان گاز درون آن وابسته است. برای بررسی میدان جریان گاز، نیاز به شبیه سازی کامپیوتری است. از ا ین رو در این مطالعه توانایی ها و قابلیت های نرم افزار اپن فوم برای شبیه سازی جریان گاز درون روتور برای حالت جریان برگشتی کامل (بدون ورود و خروج جریان) با محرک گرمایی در حالت متقارن محوری مورد بررسی قرار گرفت. اعتبارسنجی شبیه سازی با اپن فوم با بررسی نتایج حل تحلیلی مدل اولاندر و حل عددی مدل هارادا و هم چنین مقایسه با نتایج شبیه سازی با فلوینت انجام گرفت. نتایج شبیه سازی جریان برای سانتریفیوژ مدل نشان داد که انتخاب حل گر بر پایه چگالی و تعداد سلول 160×170 برای شبکه بندی مناسب می باشد. ارزیابی توانایی مدل نشان داد که نرم افزارا پن فوم به خوبی قادر به شبیه سازی جریان گاز درون روتور می باشد. هم چنین شبیه سازی توزیع عدد نادسن، وجود ناحیه مولکولی نزدیک محور دوران را تایید کرد. با توجه به این که اپن فوم یک نر م افزار متن باز است و قابلیت حل ناحیه مولکولی و هم چنین کدنویسی برای کوپل ناحیه پیوسته و مولکولی، که در نرم افزار فلوینت ممکن نیست، در آن وجود دارد، از این رو استفاده از آن برای شبیه سازی جریان درون روتور پیشنهاد می گردد.
کلید واژگان: سانتریفیوژ گازی, محرک دمایی, جریان چرخشی, شبیه سازی عددی, اپن فومThe performance of a uranium gas centrifuge which is used in the uranium enrichment industry depends strongly on the gas flow field. The computer simulation is vital to examine the gas flow field. Therefore, in the present study, the capabilities of OpenFoam software for simulating the gas flow inside the rotor for total reflux thermal drive-in axisymmetric mode has been investigated. The results corresponding to the OpenFoam ssimulation have been validated with those of analytical Olander’s model, numerical solution of the Harada’s study, and simulation using Fluent. The simulation results for gas flow inside the rotor of centrifuge showed that the density-based solver was properly chosen and the number of cells, 160×170, was compatible with mesh. The numerical results show that OpenFoam software was capable to examine the gas flow inside the rotor. Also, the simulation of the distribution of Knudsen number confirms the presence of the molecular region near the axis of rotation. OpenFoam is open-source software and there is the ability to solve the molecular region as well as the coding for coupling the continuous and molecular region, the feature which does not exist in the fluent software. The use of open foam is therefore recommended to simulate gas flow inside the rotor.
Keywords: Gas Centrifuge, thermal drive, circulation flow, numerical simulation, OpenFoam
- در این صفحه نام مورد نظر در اسامی نویسندگان مقالات جستجو میشود. ممکن است نتایج شامل مطالب نویسندگان هم نام و حتی در رشتههای مختلف باشد.
- همه مقالات ترجمه فارسی یا انگلیسی ندارند پس ممکن است مقالاتی باشند که نام نویسنده مورد نظر شما به صورت معادل فارسی یا انگلیسی آن درج شده باشد. در صفحه جستجوی پیشرفته میتوانید همزمان نام فارسی و انگلیسی نویسنده را درج نمایید.
- در صورتی که میخواهید جستجو را با شرایط متفاوت تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مطالب نشریات مراجعه کنید.