In this study 3D CFD was used to study the mass flow distribution in a reheater in a nuclear power plant. The aim was to see if 3D-modeling provide different results than traditionally used 1D-analysis.

Models with detailed geometry were created for a section of the tube package in the reheater to obtain pressure drop coefficients. The set up of the model for pure cross-flow over the tubes was first validated against an experiment by Ward [33]. The model showed good agreement with the experimental data for pressure drop and heat transfer, with both unsteady simulations using LES and steady simulations using the SST k - w model. It also showed that using the empirical correlations by Ward and Young [32] and Rabas et al. [22], without any experimental data for the tube bank, gave an overestimation of the pressure drop.

The pressure drop coefficients obtained from the tube package simulations were used to model the tube package in the reheater as a porous medium. A set of perforated plates in the reheater needed to be modeled as a porous medium as well. These plates were originally meant to be mounted on the inlet side of the tube package to even out the mass flow distribution. However, due to a manufacturing error they were now mounted on the outlet side. A set of simulations using the SST k - w for a part of the plate geometry gave the required pressure drop coefficients.

With all coefficients for the porous medium obtained a full scale model of the reheater was created. In the 3D-model the IAPWS-IF97 formulation was used to model the pressure and temperature dependent properties of the steam. Both the SST k - w model and DES were used for turbulence closure. A 1D-simulation of the reheater was also performed using RELAP5.

The 3D-simulations showed a larger difference in the mass flow distribution between the upper and lower part of the tube package than the 1D-model. The 1D-model showed a clear connection between the pressure drop over the perforated plates and the mass flow distribution. However, in the 3D-model the mass flow distribution appeared to also be affected by other properties.

I den här studien användes 3D CFD för att undersöka massflödesfördelningen i en mellanöverhettare, placerad mellan hög och lågtrycksturbinen i ett kärnkraftverk. Syftet var att undersöka om 3D-modellering gav andra resultat än 1D-analys, som traditionellt har använts. Detaljerade modeller av den fulla geometrin skapades för en sektion av tubpaketet i mellanöverhettaren för att få fram tryckfallskoefficienter. Uppställningen av CFD-modellen verifierades genom att först modellera geometrin från ett experiment utfört av Ward [33]. Tryckfallet och värmeöverföringen som gavs av både tidsberoende LES och den tidsoberoende SST k - w modellen stämde bra överens med experimentet. Jämförelse med de empiriska korrelationerna av Ward och Young [32] och Rabas et al. [22] visade att dessa, utan användningen av experimentell data för tubpaketet, överskattade tryckfallet. Tryckfallskoefficienterna från simuleringarna av tubpaketet användes för att modellera det som ett poröst medium. Även de perforerade plåtarna behövdes modelleras som ett poröst medium. De skulle ursprungligen vara monterade på inloppssidan av tubpaketet men på grund av en tillverkningsmiss har de monterats på utloppssidan istället. Ett antal simulationer genomfördes med SST k - w modellen på en sektion av plåtarna för att få fram de nödvändiga tryckfallskoefficienterna. När tryckfallskoefficienterna för de porösa medierna var erhållna kunde hela mellanöverhettaren modelleras. I 3D-modellen användes IAPWS-IF97 formuleringen för att beskriva ångans termodynamiska egenskaper. För turbulensmodellering användes SST k - w modellen samt DES. En 1D-simulering av mellanöverhettaren genomfördes även i RELAP5. 3D-simuleringarna visade på en större skillnad i massflödet mellan den övre och undre delen i tubpaketet än vad 1D-simuleringen gjorde. I 1D-modellen sågs ett tydligt samband mellan tryckfallet över de perforerade plåtarna och massflödesfördelningen. Dock visade 3Dmodellen på att massflödesfördelningen även påverkades av andra parametrar.