Large eddy simulation of turbulent flow in a simplified helical coil steam generator = 단순화된 나선형 증기발생기 내부 난류 유동의 큰 에디모사

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A helical coil steam generator (HCSG) is a compact shell-and-tube heat exchanger characterized by high heat transfer efficiency and relatively low pressure drop, making it well suited for small modular reactor (SMR) applications. However, flow-induced vibration (FIV) due to turbulent shell-side flow around the coils can cause tube damage and pose safety concerns, highlighting the importance of understanding detailed flow characteristics inside HCSGs.
This work employs a large-eddy simulation framework incorporating an immersed-boundary formulation to examine turbulent shell-side flow in a simplified HCSG geometry corresponding to a PIV-based experimental setup. A 12-degree sector domain containing twelve pairs of curved tubes is considered, where two concentric bundles share the same pitch magnitude but are wound in opposite helical directions. The flow conditions correspond to a Reynolds number of 8608, defined using the inlet velocity and tube diameter. The filtered incompressible Navier–Stokes equations are advanced in time using a dynamic global subgrid-scale model.
The LES accurately predicts the global pressure drop across the test section within 1% of the experimental value, and the time-averaged streamwise and transverse velocity fields show good agreement with PIV measurements at representative spanwise sections. Flow analysis reveals the coexistence of a main-flow region and wake-induced recirculation zones, with the flow reaching a quasi-periodic state after several upstream rods. Pronounced spanwise asymmetry is observed due to the opposing slant orientations of the helical bundles and the influence of the cut-sidewall boundary conditions.
Surface force analysis indicates that the hydrodynamic loading on the rods is dominated by drag, while the mean lift force is significantly smaller and the spanwise force is an order of magnitude lower. This behavior is attributed to circumferential cancellation of pressure-induced transverse forces around the rod surface. These findings provide fundamental insight into pressure loss and hydrodynamic loading mechanisms in oppositely wound HCSG configurations and establish a basis for future investigations of fluid-structure interaction (FSI) in realistic multi-bundle helical coil steam generators.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 소형모듈원자로(SMR)에 적용 가능한 소형·고효율 열교환기로 주목받고 있는 헬리컬 코일 증기발생기(helical coil steam generator, HCSG)의 셸측 난류 유동 특성을 수치적으로 해석하였다. HCSG는 높은 열전달 성능과 상대적으로 낮은 압력 손실을 갖는 장점이 있으나, 코일 주위의 셸측 난류 유동으로 인해 발생하는 유동 유발 진동(flow-induced vibration, FIV)은 관 손상 및 안전성 문제를 야기할 수 있어, 내부 유동 특성에 대한 정밀한 이해가 요구된다.
이를 위해 본 연구에서는 입자 영상 유속계(particle image velocimetry, PIV) 실험 형상을 모사한 단순화된 HCSG 형상에 대해, 가상 경계 방법(immersed boundary method)을 결합한 큰 에디 모사(large eddy simulation, LES)를 수행하였다. 계산 영역은 12° 섹터 내에 배치된 12쌍의 곡선형 관으로 구성되며, 두 개의 동심 관 번들은 동일한 피치 크기를 가지되 헬리컬 감김 방향이 서로 반대이다. 계산 조건은 입구 속도와 관 직경을 기준으로 정의된 레이놀즈 수 8608에 해당하며, dynamic global subgrid-scale model을 적용한 공간 필터링된 비압축성 나비에–스토크스 방정식을 시간에 따라 적분하였다.
LES 결과는 시험 구간 전반에 걸친 압력 손실을 실험값 대비 1% 이내의 오차로 정확히 예측하였으며, 대표적인 스팬 방향 단면에서의 시간 평균 축방향 및 횡방향 속도 분포 또한 PIV 계측 결과와 전반적으로 잘 일치함을 확인하였다. 유동 해석 결과, 주 유동 영역과 후류에 의해 형성된 재순환 영역이 공존하는 유동 구조가 나타났으며, 유동은 상류에 위치한 여러 개의 관을 지난 이후 준주기적 상태에 도달하는 것으로 분석되었다. 또한 헬리컬 번들의 서로 반대 방향 경사 배치와 절단된 측벽 경계조건의 영향으로 인해 스팬 방향 비대칭성이 뚜렷하게 관찰되었다.
표면력 분석 결과, 관에 작용하는 유체력은 항력 성분이 지배적인 반면 평균 양력은 상대적으로 작고, 스팬 방향 힘은 항력 대비 한 자릿수 이상 작은 크기를 갖는 것으로 나타났다. 이러한 특성은 관 표면을 따라 분포하는 압력에 의해 유도된 횡방향 힘 성분들이 원주 방향으로 상쇄되기 때문으로 해석된다. 본 연구의 결과는 서로 반대 방향으로 감긴 헬리컬 코일 번들을 갖는 HCSG 형상에서의 압력 손실 및 유체력 발생 메커니즘에 대한 기초적인 물리적 이해를 제공하며, 향후 실제 다중 번들 헬리컬 코일 증기발생기에서의 유체–구조 상호작용(fluid–structure interaction, FSI) 연구를 위한 기반을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Tables v
• List of Figures vi
• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Geometric configuration and numerical framework of the simplified HCSG 5
• 2.1. Simplified HCSG geometries 5
• 2.2. Numerical methods 7
• 2.3. Computational details and boundary conditions 8
• Chapter 3. Comparison of LES results with previous experimental measurements 15
• 3.1. Overview of the reference PIV experiment 15
• 3.2. Global pressure-drop comparison 16
• 3.3. Mean-velocity comparison at spanwise sections 17
• 3.4. Summary of validation and transition to flow-physics analysis 19
• Chapter 4. Characteristics of turbulent flow in simplified HCSG 27
• 4.1. Local flow topology 27
• 4.2. Streamwise development through the rod bundle 28
• 4.3. Spanwise variations at representative sections 29
• 4.4. Pressure loading and hydrodynamic force components 30
• 4.5. Summary of findings 31
• Chapter 5. Summary and concluding remarks 39
• Bibliography 42
• 국문 초록 46
• 감사의 글 48