A model forchoked flowof single-phase uranium hexafluoridethrough thick square-edged restriction orificeplates

• Autor(a) principal: Carvalho, Weigle Emanuel
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: eng
• Título da fonte: Repositório Institucional da Produção Científica da Marinha do Brasil (RI-MB)
• Texto Completo: https://www.repositorio.mar.mil.br/handle/ripcmb/846369
• topic: Choked flow; Compressible flow; Thick orifice plate; Discharge coefficient; Engenharia química

Nas principais tecnologias de enriquecimento de urânio, isto é, na separação isotópicadeste elemento, este aparece na forma gasosa de hexafluoreto de urânio UF6. Notaram-se trabalhos envolvendo este fluido que fazem tratamento simplificado sobre o escoamento crítico através de orifícios, seja em elementos restritivos de vazão instalados emcascatas de separação isotópica, na modelagem de escoamento através da estrutura interna dealimentaçãode ultracentrífugas, ou ainda em casos de estudos de análise de risco envolvendo vazamentos do gás supracitado. O presente trabalho propõe um tratamento mais realista e criterioso sobre este tipo de escoamento, modelando o escoamento para estimar o coeficiente de descarga sob condições de escoamento blocado Cd*e assim corrigindo a vazão mássica ideal calculada. Dessa forma, aumentando a acurácia de cálculos de vazão nas diversas modelagens possíveis com o UF6. O objetivo deste trabalho foi o estudo de escoamentos críticos compressíveis e em baixa pressão do gásUF6monofásico através de placas de orifício espessas para fins de obtenção de correlação de Cd*. Adinâmica dosfluidos computacional (CFD)foi usada por meio do softwareAnsys Fluentpara resolver numericamente os escoamentos.Dois subconjuntos de 20 modelos geométricos cada foram utilizados. O primeiro subconjunto se refere a escoamentos laminarese osegundo a escoamentos turbulentos com baixo número de Reynolds(maiordoque 8000). Assim,um total de 40 casos foram estudados através de 165 simulações, todos em tubulação de diâmetro interno 4,45 cme com o diâmetro do orifício igual à sua espessura.A variação paramétrica de Cd*foi guiada pelo planejamento de experimentos computacionais efeita comdois fatores: i)a pressão total a montante do orifícioP0e ii)a razão entrediâmetro do orifícioe diâmetro interno da tubulaçãoβ. Omodelo de CFDpropostopôde ter sua acurácia avaliadaindiretamente pela calibração comdados experimentais de casos da literaturasimilares aosescoamentos estudados, porém com ar como fluido de processo.Além disso as simulações foram testadas quanto à conservação de massa e de entalpia total ao longo do domínio fluido computacional para verificar se a soluçõesfísicasobtidastêm amparo teórico. Para o subconjunto turbulento, Cd*apresentou comportamento errático periódicoem relação ao fator (parâmetro) P0, o que impossibilitou a obtenção de qualquer ajuste comas funções testadas. Porém, apresentou bom ajuste polinomial quanto ao fator βe foi testadocom polinômios de ordens 1 a 8, pelo método dos mínimos quadrados para definição dos parâmetrosótimos. O melhor ajuste foi o polinômio de sextograucom base no erro padrão deregressão s2igual a 7.89 •10-8.Mas, para evitar overfitting,o polinômio desegundo graucom s2= 28.6 • 10-8consistiu na correlação obtida de Cd*com β.