El Centre Tecnològic de Transferència de Calor (CTTC) és un Grup de Recerca de la Universitat Politècnica de Catalunya BARCELONA TECH (UPC) dedicat a la formulació matemàtica, la resolució numèrica i la validació experimental de fenòmens de transferència de calor i massa aplicat a la optimizació tèrmica i fluido dinàmica d’equips i sistemes tèrmics. Aprofitant tot aquest coneixement, el CTTC participa en diferents tasques relacionades amb la simulació numèrica mitjançant Dinàmica de Fluids Computacional (CFD) d’alta fidelitat en High Performance Computing (HPC) per fluxes de metall líquid i la modelització dinámica de cicles de potència de CO2 supercrítics per a les plantes nuclears de fusió dins de FusionCAT Projecte 2 ” “Neutrònica, producció de Triti i cicle operacional del combustible” i Projecte 3 “Estudis del reactor de Fusió”, respectivament.

 

Simulació CFD d’alta fidelitat de metalls líquids. Aplicació a breeding blankets.

Els reactors de fusió nuclear tenen el potencial de generar grans quantitats d’energia lliure de CO2 utilitzant combustibles (deuteri i triti) àmpliament disponibles i pràcticament inesgotables. Per fer-ho, s’ha de produir triti durant la reacció de fusió. Això es du a terme en les denominades breeding blankets (BB) on el triti (i l’heli) resulten de la interacció del liti i els neutrons generats en el procés de fusió. A Europa, una de les opcions de disseny per a reactors de potència com l’ITER és un BB de plom-liti refrigerat amb heli.

Els paràmetres clau per al disseny d’un BB son la caiguda de pressió magnetohidrodinàmica (MHD), el coeficient de transferència de calor, la permeabilitat del triti i els inventaris de triti. Tanmateix, hi ha una manca de correlacions específiques per a metalls líquids, especialment en presència de camps magnètics. El present projecte pretén ser un pas més enllà de l’estat de l’art dels codis actuals amb la fi de permetre estudis numèrics detallats dels fenòmens de transferència de calor en metalls líquids amb presència de forts camps magnètics. Amb aquest objectiu, en primer lloc hem realitzat una avaluació dels models de simulació Large-Eddy Simulation (LES) existents per a metalls líquids turbulents fent una comparació amb els resultats de Direct Numerical Simulation (DNS) obtinguts en el superordinador MareNostrum4 (veure Figura 1). En la Figura 2 es mostren resultats il·lustratius mostrant la millora significativa lograda pels models LES.

 

Figura 1 – Direct Numerical Simulation d’una convecció Rayleigh-Bénard turbulenta de sodi líquid utilitzant una malla de 1910 millons de volums de control i 3872 CPU-core en el superordinador MareNsotrum 4.

Figure 2 – Left: assessment of different LES models for the prediction of the Nusselt number. Bottom horizontal axis shows the number of grid points and the top horizontal axis the computational cost.

Figura 2 – Avaluació de diferents models LES per a la predicció del nombre de Nusselt. A l’eix horitzontal inferior es mostra el nombre de volums de control i a l’eix horitzontal superior el cost computacional.

Right: effect of the LES-S3QR model (proposed by research of CTTC) the prediction of turbulent kinetic energy. Results are compared with the DNS results carried out on the MareNostrum4 supercomputer.

Figura 2 – Efecte del model LES-S3QR (proposat per investigadors del CTTC) la predicció de l’energia cinètica turbulenta. Els resultats es comparen amb els resultats de DNS obtinguts en el superordinador MareNostrum4.

 

 

Apart d’això, hem estat treballant en la portabilitat eficient del codi en la varietat d’arquitectures computacionals (CPU, GPU, ARM, MIC …) que estan competint en la carrera cap al HPC d’exaescala. Per a això, les operacions computacionals que conformen l’algoritme, els denominats kernels, han de ser compatibles amb el paral·lelisme MIMD de memòria distribuïda i compartida i, el que és més important, amb el stream processing, que és un paradigma paral·lel més restrictiu. En conseqüència, quant menor sigui el nombre de kernels d’una aplicació, més fàcil en serà la seva portabilitat. Per tant, el codi finalment es basarà en un conjunt reduït d’operacions algebraiques: el producte matriu sparse-vector (SpMV), la combinació lineal de dos vectors i el producte escalar. Aquest enfoc algebraic combinat amb una implementació híbrida paral·lela MPI+OpenMP+OpenCL proporcionarà de manera natural portabilitat (i alt rendiment) en una àmplia gamma d’arquitectures computacionals (veure Figura 3).

 

Figura 3 – Superordinadors on s’ha provat el nou codi basat en kernels algebraics. Els resultats detallats es poden trobar a X.Álvarez et al. Computers & Fluids, 214:104768, 2021.

 

SIMULACIÓ DE SISTEMES TÈRMICS DE CICLES AMB sCO2 I INESTABILITATS EN EL CONTROL RELACIONADES AMB LA TURBOMAQUINARIA

Dins de la investigació associada a la planta DEMO (que va més enllà d’ITER i és el següent pas cap a futurs desenvolupaments de fusió), s’ha proposat un cicle de CO2 supercrític com una alternativa prometedora a les actuals unitats de conversió de potència. S’ha demostrat que aquest tipus de cicle és força eficient per als rangs de temperatures que es poden trobar al refrigerant primari dels futurs reactors de fusió.

L’objectiu d’aquest projecte és agafar impuls cap a la modelització dels fenòmens implicats en les diferents fases d’aquests cicles, amb una atenció especial en el comportament del CO2 en condicions properes al punt crític, i aplicar els models desenvolupats al disseny d’estratègies de control adequades per als cicles de potència de CO2 a les centrals nuclears de fusió.

Una de les principals avantatges del cicle és el fet que l’entrada del compressor està a prop del punt crític, augmentant de manera significativa la densitat i reduint el treball requerit en comparació amb un cicle clàssic de Brayton. No obstant això, el CO2 canvia fortament les seves propietats prop del punt crític esmentat (Figura 4), la qual cosa crea un doble repte tecnològic i de modelització:

Els models simplificats classics de compressors es basen en mapes de rendiment que assumeixen comportament de gas ideal amb un coeficient adiabàtic constant. Les propietats reals del sCO2 estan lluny d’aquestes suposicions. CTTC-UPC ha centrat el seu treball a identificar nous models de reducció per implementar nous mapes de rendiment en un model Modelica de compressor que reprodueixi el comportament real (Figura 5).

 

 

Figura 4 – Projecció del coeficient adiabàtic i del factor de compressibilitat Z del CO2 a prop del punt critic.

 

Figura 5 – Correcció deguda als nous models de reducció, en funció de les condicions d’entrada comparades amb el punt nominal.

A causa de la fragilitat esmentada de les propietats d’entrada del compressor, molt depenents de la pressió i la temperatura, és crucial un modelatge adequat del intercanviador de calor (pre-refrigerador) de circuit impress, localitzat aigües amunt del compressor. El paper de CTTC-UPC en el projecte és analitzar les característiques més rellevants de l’intercanviador de calor (transferència de calor, fricció, distribució de flux, resposta dinàmica) i resumir-les en un model Modelica simplificat.

En resum, els models actualitzats de compressors i intercanviadors de calor són probablement els dos més crítics per tal de generar un bessó digital del cicle de potència de sCO2 amb una resposta realista. Aquesta planta serà llavors adequada per definir i verificar les lleis de control per obtenir la millor estabilitat i rendiment del funcionament de la planta.

Aquest treball realitzat per CTTC UPC s’utilitzarà en col·laboració amb el Grup de Recerca en Tecnologies Nuclears Avançades (ANT) de la UPC per incorporar aquests models a tot un cicle de conversió de CO2 supercrític modelat a MODELICA per ANT amb finalitats d’estratègia de control i optimització.