ANALISIS SENSITIVITAS TURBULENSI ALIRAN PADA KANAL BAHAN BAKAR PWR BERBASIS CFD

Abstract

Turbulensi aliran pendingin pada proses perpindahan panas berfungsi untuk meningkatkan nilai koefisien perpindahan panas, tidak terkecuali aliran dalam kanal bahan bakar. Program CFD (CFD=computational fluid dynamics), FLUENT adalah program komputasi berbasis elemen hingga (finite element) yang mampu memprediksi dan menganalisis fenomena dinamika aliran fluida secara teliti. Program perhitungan CFD dipilih dalam penelitian ini karena selain akurat juga dapat memberikan visualisasi dengan baik. Penelitian ini bertujuan untuk memahami karakteristika perpindahan panas, massa dan momentum dari dinding rod bahan bakar ke pendingin secara visual, pada medan temperatur, medan tekanan, dan medan energi kinetika pendingin, sebagai fungsi dinamika aliran di dalam kanal, pada kondisi tunak dan transien. Analisis dinamika aliran pada kanal bahan bakar PWR berbasis CFD dilakukan dengan menggunakan sampel data reaktor PWR dengan daya 1000 MWe dengan susunan bahan bakar 17x17. Untuk menguji sensitivitas persamaan aliran yang sesuai dengan model aliran turbulen pada kanal bahan bakar dilakukan pemodelan dengan menggunakan persamaan k-omega (Ƙ-ω), k-epsilon (Ƙ-ε), dan Reynold stress model (RSM). Pada analisis sensitivitas aliran turbulen di dalam kanal digunakan model mesh hexahedral dengan memilih tiga geometri sel yang masing masing berukuran 0,5 mm; 0,2 mm dan 0,15 mm. Hasil analisis menunjukkan bahwa pada analisis kondisi tunak (steady state), terdapat hasil yang mirip pada model turbulen Ƙ-ε standard dan Ƙ-ω standard. Pengujian terhadap kriteria Dittus Boelter untuk bilangan Nusselt menunjukkan bahwa model Reynold stress model (RSM) direkomendasikan. Analisis sensitivitas terhadap geometri mesh antara sel yang berukuran 0,5 mm, 0,2 mm dan 0,15 mm, menunjukkan bahwa geometri sel sebesar 0,5 mm telah mencukupi. Aliran turbulen berkembang penuh telah tercapai pada model LES dan DES, meskipun hanya dalam waktu singkat (3 s), model LES memerlukan waktu komputasi yang sangat lama dan membutuhkan memori yang besar.

Kata kunci: aliran turbulen, kanal PWR, CFD, tunak, transien

Coolant flow turbulence on heat transfer process serves to enhance the heat transfer coefficient, likewise flow in the fuel sub channel. Computational fluid dynamic program, FLUENT is a computational program based on finite element, that is able to predict and analyze the dynamics of fluid flow phenomena, accurately. CFD calculation program is selected in this study because of its accurately and it also can provide good visualization. Purpose of this research was to understand the characteristics of heat transfer, mass and momentum of the fuel rod to the coolant visually on: the temperature field, pressure field, and the kinetic energy field, as a function of the flow dynamics within fuel channel, on steady state and transient condition. Analysis of flow dynamics in the fuel channel base on CFD was done by using the PWR sample data with reactor power of 1000 MWe on 17x17 array of fuel. To examine the sensitivity of the flow equation in accordance with the model of turbulent flow on fuel channel, the turbulence equation model of k-omega (Ƙ-ω), k-epsilon (Ƙ-ε), and Reynold stress model (RSM) for steady state was used, while for transient turbulence model DES and LES are applied. In the sensitivity analysis of turbulent flow, hexahedral mesh model of three cell geometry each are 0.5 mm, 0.2 mm and 0.15 mm, was selected. The analysis shows that there are similar results of turbulen model Ƙ-ε and Ƙ-ω standard, on steady state analysis. Comparing with Dittus Boelter criteria for Nusselt number, the Reynolds stress model (RSM) is recommended. Sensitivity analysis of mesh geometry between cell size 0.5 mm, 0.2 mm and 0.15 mm, indicating that the cell size of 0.5 mm was sufficient. Developed flow already reached on DES and LES model, however only for short time (3 seconds) for transient condition. LES model need very long computation time and big memory.

Keywords: turbulence flow, PWR fuel channel, CF, steady state, transient