Numerical Modelling of Flow induced vibrations in Nuclear Fuel rods. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MSc_Thesis_Report_g202318870.pdf Restricted to Repository staff only until 18 May 2027. Download (7MB)

Arabic Abstract

ظاهرةً بالغة األهمية، إذ تؤثر بشكلٍ كبير على السالمة الهيكلية، وأمان المفاعالت )FIV( تُعدّ االهتزازات الناجمة عن التدف قهتزازات الناتجة عن تدفق المائع إلى النووية، وموثوقية تشغيلها. فعلى وجه الخصوص، في قضبان الوقود النووي، قد تؤدي اال تآكل تدريجي، وإجهاد، وحتى انهيارات هيكلية، مما يُشكّل مخاطر جسيمة على سالمة المفاعل وكفاءته. ورغم محدودية الدراسات في قضبان الوقود، ويعود ذلك في الغالب إلى صغر سعة االهتزازات، )FIV( التجريبية لالهتزازات الناجمة عن التدف قلترابط القوي بين المائع والتحديات المرتبطة بالقياسات الدقيقة في بيئات التدفق المحصورة، فإن الطبيعة الديناميكية المتأصلة وا أ، وذلك والهيكل تستلزم استخدام أساليب النمذجة العددية. في هذا السياق، يتم ربط حلول المائع والهيكل من خالل اقتران مُجزّ .بتبادل قوى التداخل واإلزاحات لتحليل االهتزازات الناجمة عن )FSI( تركز هذه الدراسة على تطوير إطار عمل عددي ثنائي االتجاه لتفاعل المائع مع الهيك لالمقترنة )CFD( في قضبان الوقود النووي. استخدمت عمليات المحاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية المتقدمة )FIV( التدفق تم نمذجة مجال المائع باستخدام معادالت .)FSI( باستخدام تقنيات تفاعل الموائع مع الهياكل )CSM( بميكانيكا الهياكل الحسابية غير المستقر لريونولدز ستوكس المتوسط - ستوكس غير القابلة لالنضغاط مع نمذجة االضطراب بناءً على نهج نافيير- نافيير (URANS) SST k-ω ب الوقود باستخدام ميكانيكا المواد الصلبة المرنة الخطية. تم ، بينما تم تمثيل االستجابة الهيكلية لقضيسيدل التكراري المجزأ، حيث تم تبادل قوى وإزاحات الواجهة بشكل تكراري في - ربط حلول المائع والهيكل باستخدام نهج جاوس تائج أن إطار عمل تفاعل الموائع مع الهياكل ثنائي االتجاه المُطور، والذي تم كل خطوة زمنية حتى تم تحقيق التقارب. تُظهر الن التحقق من صحته باستخدام البيانات التجريبية المتاحة، ينجح في محاكاة سلوك االهتزاز السائد لقضبان الوقود المرنة تحت تدفق محوري مضطرب. من خالل حاالت االختبار، تم استنتاج أنه في نظام القض .أساسية تدفع االهتزاز المستمر، مع زيادة معدل تدفق الكتلة وانخفاض نسبة الخطوة مما يؤدي إلى سعات اهتزاز أعلى

English Abstract

Flow-induced vibrations (FIV) are critical phenomena that significantly impact the structural integrity, safety, and operational reliability of nuclear reactors. Particularly in nuclear fuel rods, vibrations caused by fluid flow can lead to progressive wear, fatigue, and even structural failures, posing substantial risks to reactor safety and efficiency. Although experimental investigations of flow-induced vibration (FIV) in fuel rods are limited, largely due to the small vibration amplitudes and the challenges associated with accurate measurements in confined flow environments, the inherently dynamic and strongly coupled nature of fluid structure interaction necessitates the use of numerical modelling approaches. Here, the fluid and structural solvers are linked through partitioned coupling by exchanging interface forces and displacements. The study focuses on the investigation of a two-way Fluid Structure Interaction (FSI) numerical framework for the analysis of FIV in nuclear fuel rods. The simulations employed advanced computational fluid dynamics (CFD) coupled with Computational Structural Mechanics (CSM) using FSI techniques. The fluid domain is modelled using the incompressible Navier–Stokes equations with turbulence modelling based on the Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) SST k-ω approach, while the structural response of the fuel rod is represented using linear elastic solid mechanics. The fluid and structural solvers were coupled using a partitioned Gauss–Seidel iterative approach, where interface forces and displacements were exchanged iteratively at each time step until convergence was achieved. The results demonstrate that the developed two-way FSI framework, validated against available experimental data, successfully captures the dominant vibration behaviour of flexible fuel rods under turbulent axial flow. From the test cases, it was concluded that in the two-rod system, the development of gap flow pulsation was identified as a primary mechanism driving sustained vibration, with increasing mass flow rate and reduced pitch ratio leading to higher vibration amplitudes.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research Research > Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Afaque Shams,
Thesis Committee Members:	Pieter Boom, Walter Villanueva,
Depositing User:	FARHATHUDHEEN PANNIYADI (g202318870)
Date Deposited:	19 May 2026 05:13
Last Modified:	19 May 2026 05:13
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144362