A model for choked flow of single-phase uranium hexafluoride through thick square-edged restriction orifice plates (2023)
- Authors:
- Autor USP: CARVALHO, WEIGLE EMANUEL - EP
- Unidade: EP
- Sigla do Departamento: PQI
- Subjects: DINÂMICA DOS FLUÍDOS COMPUTACIONAL; ESCOAMENTO
- Language: Inglês
- Abstract: Nas principais tecnologias de enriquecimento de urânio, isto é, na separação isotópica deste 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 em cascatas de separação isotópica, na modelagem de escoamento através da estrutura interna de alimentação de 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 gás UF6 monofásico através de placas de orifício espessas para fins de obtenção de correlação de Cd *. A dinâmica dos fluidos computacional (CFD) foi usada por meio do software Ansys Fluent para resolver numericamente os escoamentos. Dois subconjuntos de 20 modelos geométricos cada foram utilizados. O primeiro subconjunto se refere a escoamentos laminares e o segundo a escoamentos turbulentos com baixo número de Reynolds (maior do que 8000). Assim, um total de 40 casos foram estudados através de 165 simulações, todos em tubulação de diâmetro interno 4,45 cm e com o diâmetro do orifício igual à sua espessura. A variação paramétrica de Cd * foi guiada pelo planejamento de experimentos computacionais e feita com dois fatores: i) a pressão total a montante do orifício P0 e ii) a razão entre diâmetro do orifícioe diâmetro interno da tubulação. O modelo de CFD proposto pôde ter sua acurácia avaliada indiretamente pela calibração com dados experimentais de casos da literatura similares aos escoamentos 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 soluções físicas obtidas têm amparo teórico. Para o subconjunto turbulento, Cd * apresentou comportamento errático periódico em relação ao fator (parâmetro) P0, o que impossibilitou a obtenção de qualquer ajuste com as funções testadas. Porém, apresentou bom ajuste polinomial quanto ao fator e foi testado com polinômios de ordens 1 a 8, pelo método dos mínimos quadrados para definição dos parâmetros ótimos. O melhor ajuste foi o polinômio de sexto grau com base no erro padrão de regressão s2 igual a 7.89 10-8. Mas, para evitar overfitting, o polinômio de segundo grau com s2 = 28.6 10-8 consistiu na correlação obtida de Cd * com Beta.
- Imprenta:
- Data da defesa: 07.07.2023
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ABNT
CARVALHO, Weigle Emanuel. A model for choked flow of single-phase uranium hexafluoride through thick square-edged restriction orifice plates. 2023. Dissertação (Mestrado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2023. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-02062025-110446/pt-br.php. Acesso em: 09 jan. 2026. -
APA
Carvalho, W. E. (2023). A model for choked flow of single-phase uranium hexafluoride through thick square-edged restriction orifice plates (Dissertação (Mestrado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-02062025-110446/pt-br.php -
NLM
Carvalho WE. A model for choked flow of single-phase uranium hexafluoride through thick square-edged restriction orifice plates [Internet]. 2023 ;[citado 2026 jan. 09 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-02062025-110446/pt-br.php -
Vancouver
Carvalho WE. A model for choked flow of single-phase uranium hexafluoride through thick square-edged restriction orifice plates [Internet]. 2023 ;[citado 2026 jan. 09 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-02062025-110446/pt-br.php
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