نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده چرخه سوخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 8486-11365، تهران- ایران

2 شرکت فن‌آوری‌های پیشرفته ایران، سازمان انرژی اتمی، صندوق پستی :55431-14399، تهران- ایران

10.24200/nst.2021.898.1608

چکیده

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 گرادیان‌های شدیدی در جریان اتفاق خواهد افتاد. در این پژوهش جریان گاز در اطراف اسکوپ در حالت دوبعدی (r-θ) به روش شبیه­سازی مستقیم مونت‌کارلو (DSMC) با استفاده از حل­گر dsmcFoam در فواصل مختلف اسکوپ از دیواره شبیه‌سازی شده است. نتایج نشان می‌دهد که افزایش فاصله اسکوپ از دیواره روتور و کاهش زاویه برخورد جریان گاز با اسکوپ، سبب کاهش بیشینه دما و نیروی درگ می‌شود. به‌عنوان نمونه برای روتوری با شعاع 100 میلی­متر که جریان کنار دیواره آن به ماخ 5/6 می­رسد افزایش فاصله اسکوپ از دیواره به میزان 31 درصد (از 8 به 5/10 میلی‌متر) 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) می‌شود. 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 میلی‌متر 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) می‌شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Simulation of gas flow around the scoop in a two-dimensional (r-θ) centrifugal rotor using the direct Monte Carlo method

نویسندگان [English]

  • V. Ghazanfari 1
  • A.A. Ghorbanpour Khamseh 1
  • M.M Shademan 1
  • J. Safdari 1
  • M.H Askari 2

1 Nuclear Fuel Cycle Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box:11365-8486, Tehran-Iran

2 Advanced Technologies Company of Iran, AEOI, P.O. Box: 14399-55431, Tehran - Iran

چکیده [English]

One 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).

کلیدواژه‌ها [English]

  • Centrifuge rotor
  • Scoop
  • Simulation
  • Direct Simulation Monte Carlo method
  • Solver
  • dsmcFoam
1.       M. Benedict, T.H. Pigford, H.W. Levi, Nuclear Chemical Engineering, 2nd ed., McGraw-Hill, (1981).
 
2. D.R. Olander, The theory of uranium enrichment by the gas centrifuge, Progress in Nuclear Energy, 8, 1-33 (1981). 
 
3. V.D. Borman, et al, The computer simulation of 3-d gas dynamics in a gas, Journal of Physics, 751-760, (2016).
 
4. Y.N. Zhang, et al, On the scoop heating effect of a gas centrifuge in numerical simulation, Journal of Physics, Conference Series, (2018).
 
5. P. Omnes, Numerical and physical comparisons of two models of a gas centrifuge, Computers & Fluids, 36, 1028–1039 (2007).
 
6. A. Bhagat, H. Gijare, N. Dongari, Modeling of knudsen layer effects in the micro-scale backward-facing step in the slip flow regime, Micromachines,  10, 118-133, (2019).
 
7. M. Darbandi, E. Roohi, Applying a hybrid DSMC/Navier–Stokes frame to explore the effect of splitter catalyst plates in micro/nanopropulsion systems, Sensors and Actuators A: Physical, 189, 409-419 (2013).
 
8. C. White,et al, DsmcFoam+: An OpenFOAM based direct simulation Monte Carlo, Computer Physics Communications, 224, 22-43 (2018).
 
9. G.A. Bird, Molecular Gas Dynamics, London: Oxford University Press (1976).
 
10. H. Ya-Ling, T. Wen-Quan, Multiscale Simulation of heat transfer and fluid flow problem, Journal of Heat Transfer, 134, 3 (2012).
 
11. K. Farber, Development and validation of a coupled Navier–Stokes/DSMC simulation for rarefied gas flow in the production process for OLEDs, Applied Mathematics and Computation, 272, 648-656 (2016).
 
12. S. Yousefi-Nasaba, et al, Determination of momentum accommodation coefficients and velocity distribution function for Noble gas-polymeric surface interactions using molecular dynamics simulation, Applied Surface Science, 493, 766-778 (2019).
 
13. M. Khajenoori, et al, Modeling and simulating of feed flow in a gas centrifuge using the Monte Carlo method to calculate the maximum separation power, Journal of Molecular Modeling, 25, 333 (2019).
 
14. G. Bird, Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas flows, Oxford University Press, New York: Oxford University Press (1994).
 
15. J. Zhang, et al, Particle-based hybrid and multiscale methods for nonequilibrium gas flows, Advances in Aerodynamics, 12, 1-12, (2019).