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COMPUTATIONAL NUCLEAR THERMAL HYDRAULICS

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Academic year: 2024

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(1)

COMPUTATIONAL NUCLEAR  THERMAL HYDRAULICS

Cho, Hyoung Kyu

Department of Nuclear Engineering Seoul National University

Cho, Hyoung Kyu

Department of Nuclear Engineering Seoul National University

(2)

Contents

 Introduction

 Conservation laws of fluid motion and boundary conditions

 Turbulence and its modeling

 The finite volume method for diffusion problems

 The finite volume method for convection‐diffusion problems

 Solution algorithms for pressure‐velocity coupling in steady flows

 Solution of discretized equations

 The finite volume method for unsteady flows

(3)

CHAPTER 8: FINITE VOLUME METHOD FOR

UNSTEADY FLOWS

(4)

Contents

 Introduction

 One‐dimensional unsteady heat conduction

 Explicit scheme

 Crank–Nicolson scheme

 The fully implicit scheme

 Illustrative examples

 Implicit method for two‐ and three‐dimensional problems

 Discretization of transient convection–diffusion equation

 Worked example of transient convection–diffusion using QUICK differencing

 Solution procedures for unsteady flow calculations

 Transient SIMPLE

 The transient PISO algorithm

 Steady state calculations using the pseudo‐transient approach

 A brief note on other transient schemes

 Summary

(5)

Introduction

 General transport equation

Applying FVM

Time integration

(6)

Contents

 Introduction

 One‐dimensional unsteady heat conduction

 Explicit scheme

 Crank–Nicolson scheme

 The fully implicit scheme

 Illustrative examples

 Implicit method for two‐ and three‐dimensional problems

 Discretization of transient convection–diffusion equation

 Worked example of transient convection–diffusion using QUICK differencing

 Solution procedures for unsteady flow calculations

 Transient SIMPLE

 The transient PISO algorithm

 Steady state calculations using the pseudo‐transient approach

 A brief note on other transient schemes

 Summary

(7)

One‐dimensional unsteady heat conduction

 Unsteady one‐dimensional heat conduction 

(8)

One‐dimensional unsteady heat conduction

 Unsteady one‐dimensional heat conduction

Superscript ‘o’ refers to temperatures at time t.

Temperatures at time level t+Δt are not superscripted.

First order (backward) differencing scheme.

Higher order schemes: will be discussed later in this chapter

t T T

t

T p p

0

(9)

One‐dimensional unsteady heat conduction

 Variation of TPTE and TW with time

 Integral of temperature with respect to time

(10)

One‐dimensional unsteady heat conduction

 Standard form

θ = a weighting parameter between zero and one

θ = 0   explicit scheme

0 < θ < 1 : implicit scheme, for  θ = 0.5 Crank‐Nicolson scheme

θ = 1.0 fully implicit scheme

(11)

Contents

 Introduction

 One‐dimensional unsteady heat conduction

 Explicit scheme

 Crank–Nicolson scheme

 The fully implicit scheme

 Illustrative examples

 Implicit method for two‐ and three‐dimensional problems

 Discretization of transient convection–diffusion equation

 Worked example of transient convection–diffusion using QUICK differencing

 Solution procedures for unsteady flow calculations

 Transient SIMPLE

 The transient PISO algorithm

 Steady state calculations using the pseudo‐transient approach

 A brief note on other transient schemes

 Summary

(12)

Explicit scheme

 Standard form of the unsteady conductive heat transfer equation

θ = 0   explicit scheme

Right‐hand side: only contains values at the old time step

Left‐hand side: can be calculated by forward marching in time

First‐order accurate 

(13)

Explicit scheme

 Time step restriction

All coefficients need to be positive in the discretized equation. 

The coefficient of  may be viewed 

as the neighbor coefficient connecting the values  at the old time level to those at the new time level.

This inequality sets a stringent maximum limit to the time step size and represents a serious  limitation for the explicit scheme.

Not recommended for general transient problems.

 

k c x

t x or

k t

c x

2

2 2

(14)

Explicit scheme

 Explicit scheme with higher order accuracy

DuFort‐Frankel methods

Use temperatures at more than two time levels

(15)

Contents

 Introduction

 One‐dimensional unsteady heat conduction

 Explicit scheme

 Crank–Nicolson scheme

 The fully implicit scheme

 Illustrative examples

 Implicit method for two‐ and three‐dimensional problems

 Discretization of transient convection–diffusion equation

 Worked example of transient convection–diffusion using QUICK differencing

 Solution procedures for unsteady flow calculations

 Transient SIMPLE

 The transient PISO algorithm

 Steady state calculations using the pseudo‐transient approach

 A brief note on other transient schemes

 Summary

(16)

Crank–Nicolson scheme

 Crank‐Nicolson scheme

θ = 1/2 

Linearization of the source term

Discretized unsteady heat conduction equation

(17)

Crank–Nicolson scheme

 Assessment of Crank‐Nicolson scheme

Unconditionally stable for all values of time step, t

Schemes with 1/2   θ

Boundedness issue

All coefficients are required to be  positive for physically realistic and bounded results.

Coefficient for 

Time step restriction for Crank‐Nicolson

 

k c x

t 2

2

Time step restriction for explicit method

(18)

Crank–Nicolson scheme

 Assessment of Crank‐Nicolson scheme

Accuracy

Second‐order accurate in time

(19)

Contents

 Introduction

 One‐dimensional unsteady heat conduction

 Explicit scheme

 Crank–Nicolson scheme

 The fully implicit scheme

 Illustrative examples

 Implicit method for two‐ and three‐dimensional problems

 Discretization of transient convection–diffusion equation

 Worked example of transient convection–diffusion using QUICK differencing

 Solution procedures for unsteady flow calculations

 Transient SIMPLE

 The transient PISO algorithm

 Steady state calculations using the pseudo‐transient approach

 A brief note on other transient schemes

 Summary

(20)

The fully implicit scheme

 The fully implicit scheme

θ = 1

Discretized unsteady heat conduction equation

System of algebraic equations at each time level

Time marching procedure

Start with given temperature field, 

The system of equations is solved  after selecting time step t

is assigned to 

(21)

The fully implicit scheme

 Assessment of the fully implicit scheme

All coefficients are positive.

Unconditionally stable for any size of time step

Accuracy

First order accurate in time

Small time steps are needed 

to ensure the accuracy of results.

Recommended for general purpose transient calculations because of its robustness and  unconditional stability.

(22)

Contents

 Introduction

 One‐dimensional unsteady heat conduction

 Explicit scheme

 Crank–Nicolson scheme

 The fully implicit scheme

 Illustrative examples

 Implicit method for two‐ and three‐dimensional problems

 Discretization of transient convection–diffusion equation

 Worked example of transient convection–diffusion using QUICK differencing

 Solution procedures for unsteady flow calculations

 Transient SIMPLE

 The transient PISO algorithm

 Steady state calculations using the pseudo‐transient approach

 A brief note on other transient schemes

 Summary

(23)

Illustrative examples

 1D unsteady conduction example with analytical solutions

Initially, uniform temperature of 200C

At t=0, Teast becomes 0C

(24)

Illustrative examples

 1D unsteady conduction example with analytical solutions

Governing equation

Initial condition

Boundary conditions

Analytical solution

(25)

Illustrative examples

 1D unsteady conduction example with analytical solutions

Discretized with 5 control volumes

x=0.004 m

At node 1

At node 5

(26)

Illustrative examples

 1D unsteady conduction example with analytical solutions

Standard form

Time step restriction

(27)

Illustrative examples

 1D unsteady conduction example with analytical solutions

With a suitable time step:  = 2 s.

Discretized equation at each cell

(28)

Illustrative examples

 1D unsteady conduction example with analytical solutions

With a suitable time step:  = 2 s.

(29)

Illustrative examples

 1D unsteady conduction example with analytical solutions

With a suitable time step:  = 2 s. 

With large time step:  = 8 s.

(30)

Illustrative examples

 1D unsteady conduction example with analytical solutions

At node 1 & 5

(31)

Illustrative examples

 1D unsteady conduction example with analytical solutions

General form

Calculation with reasonably small time step: 2s

(32)

Illustrative examples

 1D unsteady conduction example with analytical solutions

With implicit scheme: 2s vs. 8s

Whereas the explicit method gives unrealistic oscillations at this step size, the implicit method gives  results that are in reasonable agreement with the exact solution. 

This clearly illustrates a key advantage of the implicit method, which tolerates much larger time  steps. However, we stress that good solution accuracy can, of course, only be achieved with small  time steps.

(33)

Contents

 Introduction

 One‐dimensional unsteady heat conduction

 Explicit scheme

 Crank–Nicolson scheme

 The fully implicit scheme

 Illustrative examples

 Implicit method for two‐ and three‐dimensional problems

 Discretization of transient convection–diffusion equation

 Worked example of transient convection–diffusion using QUICK differencing

 Solution procedures for unsteady flow calculations

 Transient SIMPLE

 The transient PISO algorithm

 Steady state calculations using the pseudo‐transient approach

 A brief note on other transient schemes

 Summary

(34)

Implicit method for 2‐D and 3‐D problems

 Extension of the 1D calculation to 2D and 3D problems

3D transient diffusion problem

General form: fully implicit method

(35)

Contents

 Introduction

 One‐dimensional unsteady heat conduction

 Explicit scheme

 Crank–Nicolson scheme

 The fully implicit scheme

 Illustrative examples

 Implicit method for two‐ and three‐dimensional problems

 Discretization of transient convection–diffusion equation

 Worked example of transient convection–diffusion using QUICK differencing

 Solution procedures for unsteady flow calculations

 Transient SIMPLE

 The transient PISO algorithm

 Steady state calculations using the pseudo‐transient approach

 A brief note on other transient schemes

 Summary

(36)

Discretization of transient convection–diffusion eq.

 Transient problem

Central coefficient

Additional source term

 Transport equation

 3D equation

(37)

Discretization of transient convection–diffusion eq.

 Coefficients with the hybrid scheme

(38)

Discretization of transient convection–diffusion eq.

 Coefficients with the hybrid scheme

참조

관련 문서