Convezione naturale ed ebollizione sottoraffreddata

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L’Istituto per le Ricerche sulla Sicurezza industriale (Forchungszentrum Rossendorf) si occupa della valutazione di sicurezza degli impianti nucleari e dell’industria chimica. In questo campo, la maggior parte delle componenti della sicurezza passiva si basa sulla convezione naturale per la dispersione del calore, il che comporta enormi flussi di calore ed ebollizione. La scelta del software CFX4 è stata dettata per la facilità con la quale la sua interfaccia aperta permette di aggiungere senza difficoltà i modelli endogeni quando sono necessari.

Prima di decidere in favore di CFX4, si è intrapreso un certo numero di progetti di validazione. Un esempio è la simulazione di un condensatore graduato di emergenza (NOKO), costruito nel laboratorio del Forschungszentrum Juelich. Si è modellato il trasferimento di calore dai tubi surriscaldati nel circuito primario alla piscina di raffreddamento nel circuito secondario. Il calcolo con CFX4 della stratificazione della temperatura e lo sviluppo della piuma convettiva erano in accordo con i risultati sperimentali.

Questo ha contribuito a dare fiducia nei riguardi dell’utilizzazione del modello per altre applicazioni. Per esempio, si è studiato a fondo la vulnerabilità di un serbatoio di liquidi pericolosi esposto ad una fonte esterna di calore come il fuoco, e il possibile rilascio di vapori tossici. Si è paragonato CFX4 con i risultati sperimentali, studiando la temperatura interna e i campi di velocità quando un serbatoio viene riscaldato dalle pareti laterali, e dalle fuoriuscite dovute all’ebollizione e all’evaporazione. Si è usato il modello di ebollizione di CFX4 in queste simulazioni, con uno sgasaggio al contorno nella parte alta del serbatoio a causa delle perdite nell’ambiente. I risultati hanno mostrato un’ottima corrispondenza tra il modello di ebollizione in CFX4 e i fenomeni osservati sperimentalmente.

I risultati CFD hanno fornito una comprensione dettagliata del fenomeno del flusso, dimostrando che durante il periodo della fase singola di convezione, si è venuta a creare una stratificazione stabile della temperatura. L’inizio dell’ebollizione porta ad un aumento della velocità e del mescolamento nella regione più alta dove la temperatura è vicina alla saturazione. Lo strato limite tra la regione superiore ben miscelata e la regione inferiore, che continua a mostrare una forte stratificazione della temperatura, si sposta gradualmente verso il basso. Il modello ha permesso di studiare le contromisure atte a prevenire la forte stratificazione della temperatura che porta ad un’ebollizione non voluta in uno dei primi stadi del processo di riscaldamento. Si sono verificati i risultati dopo avere attaccato due parafiamma orizzontali sulla parete riscaldata in direzione della parte superiore del serbatoio. Si è così dimostrato l’effetto positivo sulla stratificazione, che ritarda il rilascio dei gas.

Si è deciso di continuare gli esperimenti con tecniche di misurazione migliori e geometrie diverse allo scopo di studiare la modellazione dell’alto numero di flussi Rayleigh. Questo fornisce delle spiegazioni per ciò che riguarda la turbolenza e il trasferimento di calore e massa attraverso l’ebollizione e la condensazione, che sono punti di particolare interesse. Grazie ai tools di simulazione Ansys/CFX (www.enginsoft.it) i risultati ottenuti sono di grande aiuto a chi progetta e a chi desidera migliorare le performance dei propri prodotti così come è successo per il Forchungszentrum Rossendorf.

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