Strömningsmekanik

CFD är ett kraftfullt verktyg för att analysera strömningsproblem inom en rad olika områden. Metoden löser (numeriskt) differentialekvationer som styr hur fluider beter sig. Genom att använda datormodeller i stället för att genomföra experiment, kan både kostnader och ledtider minskas.

Inom till exempel kärnkraftsindustrin kan CFD användas för att simulera hur krafter uppkommer till följd av flödesförändringar i rörsystem. Detta kan ske på olika sätt, till exempel ventilstängning/ventilöppning, pumpstart/pumpstopp, ångkollaps etc. De krafter på rörsystemet som då beräknas kan användas som indata till hållfasthetsanalyser för att verifiera att rör och rörstöd håller för de belastningar som förväntas kunna uppkomma vid drift av ett kärnkraftverk.

En fördel med CFD är att den är 3-dimensionell, till skillnad mot den inom kärnkraftssammanhang ofta använda termohydrauliska 1-dimensionell koden Relap5. Följden av detta är att resultaten är betydligt mer noggranna för CFD än Relap5, men till priset av längre beräkningstider. I allmänhet krävs här tillgång till datorkluster.

Valet av metod beror på graden av noggrannhet som erfordras för att analysera ett problem. Vad som till exempel sker i ett blandningsställe när två fluider av olika temperaturer blandas behöver i allmänhet hanteras med CFD.

TÜV NORD har lång erfarenhet inom CFD-området. Ett exempel är hur backventilers rörelse på ett bättre sätt kan modelleras. Relap5 har för sådana ventiler visat sig ge upphov till otillfredsställande resultat, varvid CFD används för att förbättra prestandan i beräkningarna.

Tryckslag i rörsystem uppkommer vid olika händelser såsom ventilöppning/ventilstängning, pumptripp och ångkollaps (hastig kondensation av ånga till följd av temperaturförändringar/tryckförändringar). Dessa fenomen är vanligt förekommande i kärnkraftverk. Tryckslag ger upphov till krafter i rörsystem och rörstöd, varför rörsystemet måste konstrueras på sådant sätt att det håller för belastningen.

För att beräkna krafterna används vanligen Relap5. Massflödesförändringen till följd av tryckslaget räknas sedan om till krafter som utgör indata till hållfasthetsanalyser.

TÜV NORD har utvecklat en egen termohydraulisk kod kallad Dyvro. Här ges möjlighet att jämföra resultat mellan Dyvro och Relap5. Vidare ges större möjligheter att styra parametrar i Dyvro, vilket gör att man kan anpassa beräkningarna på ett bättre sätt beroende på vilken modell som analyseras.

FSI är ett begrepp som används för att beskriva interaktioner mellan fluider (vätskor, gaser) och strukturer, till exempel rörsystem. Ett massflöde i ett rör kommer att påverka rörsystemets delar, men även det omvända det vill säga strukturen kommer att påverka fluiden.

FSI är användbart inom till exempel kärnkraftsindustrin. För att konstruera och strukturellt verifiera anläggningar behöver samspelet mellan flöden och strukturer beaktas. Vid förändringar i anläggningen måste i allmänhet systemen räknas om, till exempel om en ventil byts ut mot en annan med något annorlunda karaktäristik.

TÜV NORD Scandinavia AB har anlitats i olika projekt kopplade till FSI inom kärnkraftsindustrin. En konstruktionsprocess är ofta lång och kostsam, där granskning av ritningar, framtagning av belastningsunderlag och hållfasthetsanalyser utgör grunden. FSI är här tillämpbart för att korta ledtider och reducera kostnader.

Reglerna gällande belastningsunderlag kommer från Strålsäkerhetsmyndighetens författningssamling SSMFS 2008:13 som gäller för mekaniska anordningar i vissa kärntekniska anläggningar.

 I SSMFS 2008:13, 4 Kap. 5§ finns de konstruktionskrav som ställs för mekaniska anordningar som ska användas i kärntekniska anläggningar i Sverige. Kraven definierar att konstruktionslösningen ska vara enligt väl beprövade konstruktionslösningar och som visats ge tillräckliga marginaler för att kunna uppfylla de grundläggande villkoren för användning.

 I SSMFS 2008:13, 5 Kap. 2§ har SSM kravställt att ett ackrediterat kontrollorgan ska granska belastningsunderlag, hållfasthetsanalyser och övrigt underlag. TÜV NORD är ett ackrediterat kontrollorgan enligt denna föreskrift och tillhandahåller därför denna tjänst, kunskap och erfarenhet.