Tal i com es va avançar a la primera part d’aquesta sèrie d’articles titulada Desenvolupament d’un nou model d’optimització topològica per millorar l’eficiència de components per fusió nuclear, la gran densitat d’energia del feix de l’accelerador IFMIF DONES provoca que els components sotmesos a aquest treballin en condicions critiques, especialment a nivell de temperatures i tensions tèrmiques. Aquest fet presenta un repte important, ja que pot posar en risc el correcte funcionament i la seguretat de tot el sistema. Amb l’objectiu d’abordar aquest repte, Eurecat està treballant en el projecte FusionCAT en el desenvolupament d’un nou mètode d’optimització topològica per al disseny del circuit de refrigeració d’aquest tipus de components, considerant la dinàmica de fluids i la transferència de calor.
El mètode consisteix en dividir l’àrea de disseny on es situaria la refrigeració a estudiar en n dominis de medi porós i optimitzar quins d’ells permetran que el fluid refrigerant passi a través, creant un canal de refrigeració, i quins no, convertint-se en part sòlida de la geometria.
Actualment s’està en una fase més de recerca on es treballa en un model simplificat a nivell geomètric (Figura 1), el qual està format per 16 dominis porosos, on es calcularà el valor de porositat (Φ). A més a més, també conta amb una placa d’alumini a sobre (peça gris), on s’aplicarà una potència tèrmica. Per a cada un dels dominis, el model és capaç de determinar automàticament:
- Si el fluid pot passar a través (el domini és fluid): Φ=1
- Si el fluid no pot passar a través (el domini és sòlid): Φ=0
Figure 1: Plantejament del model inicial del mètode d’optimització
Per la modelització del flux s’ha contemplat un règim turbulent, resolt mitjançant el mètode RANS k-ε, i un model que assumeix equilibri tèrmic entre el medi porós, el sòlid i el fluid. S’han investigat diferents mètodes d’optimització (per exemple basats en algoritmes genètics o adaptatius), amb l’objectiu de determinar el mètode més eficient que permeti arribar a una solució el més òptima possible en el menor temps.
En el cas d’estudi, l’objectiu seria minimitzar la temperatura de la placa d’alumini a través de modificar el disseny del canal de refrigeració, és a dir, investigar diferents combinacions de porositat (fent el domini fluid o sòlid) fins trobar la combinació que aconsegueixi una temperatura menor en la placa. Per tant, el present cas tindria un únic objectiu que estaria complementat amb algunes restriccions per poder trobar solucions viables.
A la Figura 2 es pot veure una comparativa de la situació inicial i de la solució optimitzada, obtinguda mitjançant la metodologia desenvolupada. Com es mostra, el mètode d’optimització ha sigut capaç de trobar automàticament el disseny del canal de refrigeració més adequat per aconseguir la menor temperatura possible en la placa d’alumini. En la situació inicial es partia d’una temperatura màxima de 86.0ºC, i el nou disseny obtingut mitjançant el mètode d’optimització topològic desenvolupat ha aconseguit reduir la temperatura un 40%, situant-se el màxim en 51.3ºC per al disseny optimitzat.
Figure 2 Comparativa de resultats abans i després de la optimització del circuit de refrigeració