DETERMINACIÓN POR MEDIO DE SIMULACIÓN NUMÉRICA DEL PERFIL DE DENSIDADES EN HIDRÓGENO EN ESTADO CRIOGÉNICO CON HAZ DE ELECTRONES COMO FUENTE DE CALOR

Abstract

In order to validate the results of the experiment "A double-target system for precision measurements of nuclear medium effects" lead by the Physics Department at Universidad Técnica Federico Santa María (Valparaíso, Chile) and performed at the Thomas Jefferson National Accelerator Laboratory (VA, USA) the density profile of liquid hydrogen has to be determined. Deviations over 2% are not acceptable compared to the initial conditions. The liquid flows induced by natural convection due to the interaction with an electron beam. Because of restrictions imposed by the experimental conditions, direct density measurements are not feasible. In past experiments, bubble formation due to boiling was observed. A 2D CFD simulation is proposed and performed on ANSYS Fluent. Two multiphase models are used: Mixture and Euler RPI. The Mixture model differs from the actual physics involved in the problem and is ruled out. The results are presented for the Euler RPI model. The calculated velocity field is laminar and, due to the characteristics of the numerical results, it is possible to presume an irregular periodicity and a slightly chaotic behavior of the flow. The numerical results show a reduced vapor production on the exact same areas, where bubble formation due to boiling was observed in past experiments. The vapor volume fraction for vapor is negligible along the electron beam, but not in the whole domain though. A maximum deviation of 3.3% and an average of 1.4% are calculated for liquid hydrogen along the electron beam. A method is proposed to calculate the required inlet temperature for liquid hydrogen in order to avoid nucleate boiling in the target with good preliminary results. However, these results must be numerically and experimentally validated.

Para validar las mediciones hechas en el experimento "A double-target system for precision measurements of nuclear medium effects", liderado por el Departamento de Fìsica de la Universidad Técnica Federico Santa María (Valparaíso, Chile) y realizado en el Thomas Jefferson National Accelerator Laboratory (VA, USA), es necesario determinar el perfil de densidades de hidrógeno en estado líquido. Éste no puede presentar una variabilidad superior a un 2% con respecto a los valores iniciales. El fluido circula inducido por convección natural por el arreglo experimental por interacción con un haz de electrones. Dadas las condiciones del experimento, no es posible determinar el perfil de densidades de manera experimental. De experimentos pasados se sabe que existe la posibilidad que el hidrógeno bulla en las cercanías de la pared del recipiente por acción del haz de electrones. Se propone realizar una simulación CFD en 2D del caso utilizando el software comercial ANSYS Fluent. Se utilizan dos modelos para la simulación de flujos multifásicos: "Mixture" y Euler RPI. Por incongruencia con la física del problema, el modelo "Mixture" es descartado. El análisis de los resultados es realizado con el modelo Euler RPI. El campo de velocidades resultante es laminar y es posible suponer un carácter periódico irregular y levemente caótico. Los resultados muestran una producción de vapor en los mismos sectores donde en experiencias anteriores ya fue detectada. La fracción volumétrica para el vapor es despreciable a lo largo del haz de electrones; no así en la totalidad del dominio. Se calcula una variabilidad máxima de un 3.3% y una variabilidad promedio de un 1.4% para la densidad del hidrógeno líquido a lo largo del haz de electrones. Se propone una metodología para determinar la temperatura inicial requerida para evitar ebullición heterogénea con buenos resultados preliminares. No obstante, éstos deben ser validados a futuro numérica- y experimentalmente.