Tal y como se avanzó en la primera parte de esta serie de artículos titulada Desarrollo de un nuevo modelo de optimización topológica para mejorar la eficiencia de componentes para fusión nuclear, la gran densidad de energía del haz del acelerador IFMIF DONES provoca que los componentes sometidos al mismo trabajen en condiciones críticas, especialmente a nivel de temperaturas y tensiones térmicas. Este hecho presenta un reto importante, ya que puede poner en riesgo el correcto funcionamiento y la seguridad de todo el sistema. Con el objetivo de abordar este reto, Eurecat está trabajando en el proyecto FusionCAT en el desarrollo de un nuevo método de optimización topológica para el diseño del circuito de refrigeración de este tipo de componentes, considerando la dinámica de fluidos y la transferencia de calor.
El método consiste en dividir el área de diseño donde se situaría la refrigeración a estudiar en n dominios de medio poroso y optimizar cuales de ellos permitirán que el fluido refrigerante pase a través, creando un canal de refrigeración, y cuáles no, convirtiéndose en parte solida de la geometría.
Actualmente se está en una fase más de investigación donde se trabaja en un modelo simplificado a nivel geométrico (Figura 1), el cual está compuesto por 16 dominios porosos, donde se va a calcular el valor de porosidad (Φ). Además, también cuenta con una placa de aluminio encima (pieza gris), donde se aplicará una potencia térmica. Para cada uno de los dominios, el modelo es capaz de determinar automáticamente:
- Si el fluido puede pasar a través (el dominio es fluido): Φ=1
- Si el fluido no puede pasar a través (el dominio es sólido): Φ=0
Figure 1: Planteamiento del modelo inicial del método de optimización
Para la modelización del flujo se ha contemplado un régimen turbulento, resuelto mediante el método RANS k-ε, y un modelo que asume equilibrio térmico entre el medio poroso, el sólido y el fluido. Se han investigado distintos métodos de optimización (por ejemplo, basados en algoritmos genéticos o adaptativos), con el objetivo de determinar el método más eficiente que permita llegar a una solución lo más óptima posible en el menor tiempo.
En el caso de estudio, el objetivo sería minimizar la temperatura de la placa de aluminio a través de modificar el diseño del canal de refrigeración, es decir, investigar distintas combinaciones de porosidad (haciendo el dominio fluido o sólido) hasta encontrar la combinación que consiga una temperatura menor en la placa. Por lo tanto, el presente caso tendría un único objetivo complementado con algunas restricciones para poder encontrar soluciones viables.
En la Figura 2 se puede ver una comparativa de la situación inicial y de la solución optimizada, obtenida mediante la metodología desarrollada. Como se muestra, el método de optimización ha sido capaz de encontrar automáticamente el diseño del canal de refrigeración más adecuado para conseguir la menor temperatura posible en la placa de aluminio. En la situación inicial se partía de una temperatura máxima de 86.0ºC, y el nuevo diseño obtenido mediante el método de optimización topológica desarrollado ha conseguido reducir la temperatura un 40%, situándose el máximo en 51.3ºC para el diseño optimizado.
Figure 2 Comparativa de resultados antes y después de la optimización del circuito de refrigeración