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요약문
SUMMARY
Contents
목차
제1장 연구개발과제의 개요 18
제1절 연구 배경 및 필요성 18
1. 연구 배경 18
2. 연구의 필요성 19
제2절 연구개발의 목적 및 내용 20
제2장 국내외 기술개발 현황 22
제1절 국외 기술 개발 현황 22
제2절 국내 기술 개발 현황 23
제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 27
제1절 기기스케일 다공매질 해석을 위한 열수력 수치모델 개발 27
1. 기기스케일 다공매질 2상유동 양식 개발 27
2. 다공매질 계면열전달 수치모델 개발 27
3. 다공매질 벽면 열전달 수치모델 개발 30
4. 다공매질 계면 운동량 전달 수치모델 개발 32
5. 다공매질 벽면 운동량 전달 수치모델 개발 33
제2절 피동보조급수계통 고정밀 해석 35
1. PASCAL 실험 고정밀 해석 35
2. 피동보조급수계통 피동응축냉각수조(PCCT) 해석 37
제3절 기기 열수력 코드 병렬화 40
1. 병렬계산 알고리즘 개발 40
2. 병렬 프로그램 구현 및 평가 42
제4절 수조 내 비등 거동 고정밀 해석 48
1. 목적 48
2. 해석 조건 48
3. 해석 기법 49
4. 해석 결과 50
제5절 기기스케일 다공매질 해석 기능 적용 54
1. 개요 54
2. 기기스케일 다공매질 해석을 위한 열수력 수치모델 54
3. 다공매질 해석 기능 적용 사례 54
제6절 계통/기기 열수력 통합 해석 기술 개발 60
1. 유동장 통합 해석 기술 개발 60
2. 유동장 통합 해석 기술 검증 62
3. CUPID/MARS 열구조체 연계 해석 기술 개발 65
제7절 피동보조급수계통 열교환기 응축 고정밀 해석 67
1. 수직 평판 응축 모델 민감도 해석 67
2. 피동보조급수계통 열교환기 응축 해석 72
제8절 안전주입수 동적거동 고정밀 해석 74
1. DVI 모의 이차원 film flow 실험 모의 74
2. DVI 모의 이차원 film flow 실험 개요 74
3. 격자 생성 및 관련 모델 75
4. 해석 방법 76
5. 해석 결과 77
제9절 계통/기기 열수력 통합해석 기술 적용 79
1. ROCOM 유동장 통합 해석 79
2. CUPID/MARS 열구조체 연계를 통한 증기발생기 해석 83
제10절 APR1400 Fluidic Device 해석 87
1. APR1400 안전주입탱크 개요 87
2. CUPID 코드에 의한 VAPER 해석 88
3. CUPID 코드 계산 결과를 반영한 계통코드(MARS) 해석 91
제11절 APR⁺ Core Catcher 해석 93
1. Core Catcher 해석 목적 93
2. Core Catcher 냉각성능 입증실험(CE-PECS) 및 주요 물리현상 93
3. 물리모델 및 경계조건 94
4. 해석 결과 96
제12절 CANDU 감속재 3차원 해석 98
1. 연구 배경 98
2. 관다발 유동해석을 위한 압력강하 모델 개발 98
3. 3차원 유동해석 결과 100
제13절 강제대류 비등 직접 수치해석 103
1. 목적 103
2. 상경계면 추적기법(Interface Tracking Method)의 종류 104
3. Level Set 기법 105
4. 상변화를 수반하는 Navier-Stokes 방정식 유도 105
5. Micro-Layer 모델 106
6. 접촉각(Contact Angle) 모델 107
7. 강제대류비등 해석 107
제14절 연구 실적 요약 110
1. SCI 논문 게재(19편) 110
2. 비SCI 논문 게재(4편) 111
3. 국외 논문 발표(23편) 111
3. 국내 논문 발표(29편) 113
4. 기술보고서(13편) 115
5. 프로그램 등록(6건) 115
6. 기술이전(6건) 116
8. 국제회의 개최(2건) 116
9. 수상실적(4건) 116
제4장 목표 달성도 및 관련분야의 기여도 117
제1절 연구개발 목표 달성도 117
제2절 관련 분야 기여도 123
제5장 연구개발 결과의 활용계획 125
제1절 CUPID 코드 사용자 그룹 운영 계획 125
제2절 산업체 활용 계획 125
제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 126
제1절 NURESAFE 프로젝트 126
제2절 CASL 프로젝트 126
제7장 참고문헌 128
부록 134
부록 1. 연구 성과 실적서 134
부록 2. SCI 논문 증빙사본 152
서지자료양식(BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET) 171
그림 1.1-1. 고정밀 2상유동 해석기술 개발 현황 19
그림 1.2-1. 프랑스의 NEPTUNE Project(Guelfi, 2007) 24
그림 1.2-2. 유럽연합 다중스케일 다분야 안전해석을 위한 NURESIM 플랫폼 개념도 24
그림 1.2-3. 원자로 적용을 위한 CASL 가상원자로 환경 26
그림 3.1-1. MARS 코드의 일차원 수직 2상유동 양식도 27
그림 3.1-2. 유동양식 계산 27
그림 3.1-3. 기포율 분포 29
그림 3.1-4. 압력 분포 29
그림 3.1-5. 높이에 따른 기포율, 평균엔탈피, 포화액체엔탈피(중심선) 30
그림 3.1-6. 높이에 따른 기체-계면, 액체-계면 열전달계수(중심선) 30
그림 3.1-7. 열전달 모드 결정 논리 31
그림 3.1-8. 열전달 모델 계산 순서도 31
그림 3.1-9. 액체로의 열전달량 확인 계산 31
그림 3.1-10. 상변화 열전달량 확인 계산 31
그림 3.1-11. 기체로의 열전달량 확인 계산 31
그림 3.1-12. 계면 마찰 계수 모델 알고리즘 32
그림 3.1-13. 전 유동 영역의 계면마찰계수(저항계수모델, 5.0MPa, Vfg=0.2m/s)[이미지참조] 33
그림 3.1-14. 전 유동 영역의 계면마찰계수(저항계수모델, 5.0MPa, Vfg=0.2m/s)[이미지참조] 33
그림 3.1-15. 압력강하 검증 문제 35
그림 3.1-16. 입구 속도 변화에 따른 압력강하 검증 계산 35
그림 3.2-1. 부피 팽창에 의한 수위 증가 및 플래싱에 의한 수위 감소 36
그림 3.2-2. Flashing 발생 시 온도 및 속도 분포 36
그림 3.2-3. 수위 감소 경향: 실험 및 해석(기울기 오차 6.4%) 36
그림 3.2-4. PCHX 주변유동 상세해석 37
그림 3.2-5. PCHX 주변유동 상세해석: PASCAL 및 PAFS 37
그림 3.2-6. APR+ 피동보조급수계통 개념도와 격자 생성 38
그림 3.2-7. 단상 자연대류 해석 39
그림 3.2-8. 2상 자연대류 해석 39
그림 3.2-9. 반사 유동 분석 40
그림 3.3-1. 영역 분할 및 각 프로세서에서의 변수 번호의 지정 40
그림 3.3-2. METIS를 이용한 영역분할 41
그림 3.3-3. CSR 포맷 저장 41
그림 3.3-4. MPI_ALLREDUCE 연산의 개요 42
그림 3.3-5. Serial/병렬 코드의 Matrix 구성 비교 43
그림 3.3-6. 프로세서 개수에 따른 영역분할 44
그림 3.3-7. Scalability(40,000개 격자) 45
그림 3.3-8. Scalability(320,000개 격자) 45
그림 3.3-9. 서브루틴 별 Scalability(단상유동, ILU, 320,000 격자) 46
그림 3.3-10. 서브루틴 별 Scalability(단상유동, ILU, 320,000 격자) 46
그림 3.3-11. 서브루틴 별 Scalability(2상유동, ILU, 40,000 격자) 46
그림 3.3-12. 서브루틴 별 Scalability(2상유동, ILU, 320,000 격자) 47
그림 3.3-13. 각 조건에 따른 압력 솔버의 반복 횟수 47
그림 3.3-14. 계산시간 간격(time step size) 추이 48
그림 3.4-1. 3차원 유체 격자 및 히터 모델링 49
그림 3.4-2. 전도체를 고려한 수조 모델링 49
그림 3.4-3. 전도체를 고려하지 않은 수조에 대한 난류모델 평가 50
그림 3.4-4. 전도체를 고려하지 않은 수조에 대한 벽함수 평가 51
그림 3.4-5. 전도체를 고려하지 않은 수조에 대한 y+ 및 난류점성계수 평가 52
그림 3.4-6. 전도체를 고려한 수조 벽면 경계조건 및 유체 온도장 확인 53
그림 3.4-7. 전도체를 고려한 수조에 대한 단상 및 2상 자연대류 속도분포 평가 53
그림 3.5-1. FRIGG 시험루프 구성도 및 시험체 단면도 55
그림 3.5-2. FRIGG 실험 모사를 위한 격자(성근 격자, 조밀 격자, 다면체 격자) 55
그림 3.5-3. CUPID-SG 예측과 FRIGG 실험의 단면 평균 기포율 비교(정상상태) 56
그림 3.5-4. CUPID-SG 예측과 FRIGG 실험 출구 기포율(과도상태) 56
그림 3.5-5. 정렬격자와 비정렬 다면체 격자로 해석한 FRIGG 실험 기포율 분포 56
그림 3.5-6. 2/3 축적 D4 증기발생기 유동 실험 장치의 형상 57
그림 3.5-7. 2/3 축적 D4 증기발생기 유동 해석을 위한 측면 및 평면도 57
그림 3.5-8. plate B에서 permeability 계산을 위한 평판과... 57
그림 3.5-9. 해석에 사용한 다면체 격자계 57
그림 3.5-10. 2/3 축적 D4 증기발생기 유동 해석 결과: 압력분포 및 속도벡터 58
그림 3.5-11. 신고리 3/4 증기발생기 해석 격자계(46053 cell) 59
그림 3.5-12. 신고리 3/4 증기발생기 해석 경계 조건 59
그림 3.5-13. 신고리 3/4 증기발생기 예비해석 결과 59
그림 3.6-1. CUPID/MARS 연계 셀(CUPVOL) 개념도 60
그림 3.6-2. CUPID 코드의 압력 수정 방정식 행렬 예시 62
그림 3.6-3. 유량 보존확인 계산 수직채널 격자 및 각 경계에서 유량 비교 63
그림 3.6-4. 마노미터 유동진동 계산용 격자세트 64
그림 3.6-5. 하단 x방향 속도 비교 64
그림 3.6-6. 마노미터 유동진동에서 초기(a,b,c)및 1초시(d,e,f) 수면위치 65
그림 3.6-7. 열구조체 연계 방법 도식 66
그림 3.6-8. 단상 열전달 검증 문제 67
그림 3.6-9. 2상 열전달 검증 문제 67
그림 3.7-1. 실제 수직 평판 내 응축 액막과 Nusselt의 가정에 의한 응축 액막 68
그림 3.7-2. 경계 조건 및 초기 조건 69
그림 3.7-3. Non-film model(왼쪽)과 Mechanistic falling film model(오른쪽) 71
그림 3.7-4. APR+ PAFS 개략도 73
그림 3.7-5. PCHX 모의를 위한 PASCAL 실험장치 개략도 73
그림 3.7-6. 응축관내 기포율 분포 74
그림 3.7-7. 응축관 위치에 따른 기포율(단면) 및 기체 속도 분포 74
그림 3.8-1. DVI 모의 실험장치 개략도 75
그림 3.8-2. 초음파 두께 측정 방법 75
그림 3.8-3. 부피 평균 PIV 측정 방법 75
그림 3.8-4. 계산 격자 76
그림 3.8-5. 국소유동양식도 76
그림 3.8-6. 액막 및 주변의 국소유동양식 계산결과 예시 76
그림 3.8-7. 액막 내 속도 분포(Tentner 모델) 77
그림 3.8-8. 액막 내 속도 분포(Ishii 모델) 77
그림 3.8-9. 액막 내 속도분포 (실험 결과) 78
그림 3.8-10. 액막 두께(실험 결과) 78
그림 3.8-11. 액막 내 속도분포(상수 모델) 78
그림 3.8-12. 액막 두께(상수 모델) 79
그림 3.8-13. 액막 내 속도분포(속도 구배 모델) 79
그림 3.8-14. 액막 두께(속도 구배 모델) 79
그림 3.9-1. ROCOM 실험장치 정면도 및 평면도 80
그림 3.9-2. ROCOM 실험의 연계 해석 MARS 격자(80개) 80
그림 3.9-3. ROCOM 실험의 연계 해석 RPV 3차원 격자(37068개) 81
그림 3.9-4. MARS 의한 ROCOM TEST 1.1의 전체 유동거동 81
그림 3.9-5. ROCOM TEST1.1의 RPV 속도 및 온도분포 계산 결과 82
그림 3.9-6. ROCOM TEST1.1의 시간종속 공간평균온도 및 최소온도 82
그림 3.9-7. ROCOM TEST1.1의 노심입구 시간평균온도의 공간분포 비교 82
그림 3.9-7. ROCOM TEST1.1의 강수부 시간평균온도의 공간분포 83
그림 3.9-8. 증기발생기 격자(46053 cell) 84
그림 3.9-9. 경계조건 84
그림 3.9-10. 다공도 계산을 위한 알고리즘 84
그림 3.9-11. 기포율 분포 및 속도벡터 85
그림 3.9-12. CUPID/MARS 연계계산을 위한 격자 맵핑(Mapping) 85
그림 3.9-13. CUPID/MARS 연계계산에서의 데이터 흐름 모식도 86
그림 3.9-14. CUPID/MARS 연계계산 결과 - 유체온도 및 기포율 86
그림 3.10-1. SIT Fluidic Device 개념도 87
그림 3.10-2. VAPER 실증실험 개략도 88
그림 3.10-3. Control 노즐 유동의 CFD 스케일 해석 88
그림 3.10-4. SIT 격자 및 압력 강하 모델 적용 영역 89
그림 3.10-5. Vortex chamber 압력 강하 모델 89
그림 3.10-6. 초기압력 41기압인 경우의 해석 결과 비교 90
그림 3.10-7. 초기압력 21기압인 경우의 해석 결과 비교 90
그림 3.10-8. 방출 유량 해석 결과 비교 90
그림 3.10-9. SIT 및 Standpipe 수위 변화 91
그림 3.10-10. 초기압력 변화에 따른 Standpipe 수위 비교 91
그림 3.10-11. SIT 해석을 위한 MARS 모델 92
그림 3.10-12. MARS VAPER 해석 결과 비교 92
그림 3.11-1. Core Catcher 내의 2상유동 자연순환 개념도 93
그림 3.11-2. CE-PECS 실험장치 94
그림 3.11-3. 하향 가열면 경사 유로 비등에서의 기포 거동 94
그림 3.11-4. 가열블럭 열속 분포 96
그림 3.11-5. CE-PECS 모델링 96
그림 3.11-6. 격자 민감도 해석 96
그림 3.11-7. CE-PECS 계산 격자 96
그림 3.11-8. 속도 벡터 97
그림 3.11-9. 기포율 분포 97
그림 3.11-10. 기포 이탈 직경 97
그림 3.11-11. 계면 면적 밀도 98
그림 3.11-12. 계면 열전달 계수 98
그림 3.11-13. 다운커머에서의 자연순환 유량 98
그림 3.11-14. 수직 유로에서의 단면 평균 기포율 98
그림 3.12-1. 압력강하 요소(교차유동, 입사각) 99
그림 3.12-2. 압력강하 모델 검증 99
그림 3.12-3. STERN 실험장치 격자 구성 100
그림 3.12-4. STERN 계산 결과 - Nominal flow case 101
그림 3.12-5. STERN 계산 결과 - Low flow case 101
그림 3.12-6. 칼란드리아 탱크 열출력 분포 102
그림 3.12-7. 칼란드리아 탱크 형상 모델링 102
그림 3.12-8. 정상상태 운전조건 결과 103
그림 3.12-9. 노즐 면적 축소 해석 결과 103
그림 3.13-1. 상경계면 추적기법 104
그림 3.13-2. Microlayer 모델링 106
그림 3.13-3. Contact Angle의 정의 107
그림 3.13-4. Dynamic Contact Angle의 정의 107
그림 3.13-5. 강제대류비등 예제 개략도 108
그림 3.13-6. 과냉도에 따른 강제대류 비등 거동 비교 108
그림 3.13-7. Dynamic contact angle을 고려한 강제대류 비등 거동 비교 109
그림 3.13-8. 강제대류 비등 조건에서의 기포이탈직경 비교 109
그림 5.1-1. CUPID 코드 활용 계획 125
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