Численное моделирование гидродинамики и теплообмена активной зоны реактора ВВЭР-1000 по модели пористой среды тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

у

На правах рукописи

Щг

БОЧАРОВА ЕКАТЕРИНА ВАСИЛЬЕВНА

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА АКТИВНОЙ ЗОНЫ РЕАКТОРА ВВЭР - Ю00 ПО МОДЕЛИ ПОРИСТОЙ СРЕДЫ

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4843250

2й

ч

Москва —2010

4843250

Работа выполнена на кафедре общей физики и ядерного синтеза Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель:

Консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Комов Александр Тимофеевич

кандидат технических наук, доцент Токарев Юрий Николаевич

доктор технических наук, ст. н. с. Яньков Георгий Глебович

кандидат технических наук, ст. н. с. Харитонов Владимир Степанович

Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных электростанций (г. Электрогорск Московской области)

Защита состоится 28 января 2011 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, корп. Т, кафедра инженерной теплофизики, комн. Т-206.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, просим посылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан декабря 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.04 к.ф.-м.н., доцент

А

МикаВ.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Исследование гидродинамических и тепловьзх процессов при движении однофазных и двухфазных потоков в пористых средах является актуальной задачей современной теплофизики. В атомной энергетике такие задачи требуется решать при разработке конструкций водоохлаждаемых и кипящих реакторов с использованием шаровых микротвэлов.

Как один из вариантов повышения безопасности и эффективности АЭС Российский научный центр « Курчатовский институт » и ВНИИАМ предложили модернизацию широко распространенных реакторов типа ВВЭР с активной зоной с топливом на основе микротвэлов. Основным преимуществом таких реакторов является то, что при любых тяжелых авариях и при любых диверсиях радиационные последствия очень малы. Тепловыделяющие сборки с мпхротвэлами могут применяться в действующих блоках АЭС без изменения конструкции реактора, возможна полная их унификация со сборками традиционной конструкции (со стержневыми твэлами в трубках из циркониевого сплава) по габаритам, присоединительным элементам конструкции по теплогидравлическим. и нейтронно-физическим характеристикам.

Хорошие тепло физические и механические свойства микротвэлов шаровой формы на основе топливных частиц с покрытием привлекли к этому виду топлива внимание специалистов, разрабатывающих концепции высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов и ВВЭР с микротопливом. Успешное использование этого вида ядерного топлива возможно только при наличии данных о структуре и геометрических характеристиках шаровых твэлов различного диаметра в активных зонах канального и насыпного типа; данных о гидродинамике и теплообмене при движении однофазного и двухфазного теплоносителя.

Очень важным является анализ гидродинамического и теплового поведения систем сложной конфигурации, содержащих коллекторы с засыпками. При проектировании такого рода систем возникают различные конструктивные варианты, требующие анализа. Проводить такой анализ сложно вследствие того, что возможные эксперименты не могут дать дос-

таточного количества информации для понимания происходящих процессов. Такие эксперименты дороги и сложны. Поэтому математическое моделирование является единственным способом анализа таких сложных многофакторных систем. При этом создание надежных расчетных методик для такого рода систем с использованием математических моделей является задачей большой сложности.

Цель работы.

Проведение расчетно-теоретических исследований гидродинамики и теплообмена в TBC с микротвэлами (TBC МТ).

Получение распределения линий тока, давления и температуры в объеме TBC. Поиск оптимальных гидродинамических параметров раздаточного, сборного коллекторов и перфорированных чехлов.

Использование модели пористой среды для численного моделирования гидродинамики активной зоны реактора ВВЭР - 1000 МТ.

Научная новизна работы:

Получены данные о полях температуры, давления и скорости теплоносителя в TBC МТ.

Исследовано влияние засыпки топлива и перфорированных чехлов на тепловые и гидродинамические характеристики TBC МТ, выполнена оптимизация перфорации чехлов.

Показано, что активная зона реактора ВВЭР - 1000 МТ является существенно анизотропной. Получены коэффициенты сопротивления для активной зоны ВВЭР - 1000 МТ при течении теплоносителя как в продольном направлении, путем моделирования течения в TBC МТ, так и в поперечном направлении, путем моделирования течения в пространстве между TBC МТ.

Практическая ценность и апробация работы. Полученные результаты численных экспериментов могут быть использованы при проектировании и разработке тепловыделяющих сборок для реактора ВВЭР - 1000 с топливом на основе микротвэлов, а также для разработки экспериментальных стендов, предназначенных для изучения коллекторных систем с шаро-

вой засыпкой. Полученные коэффициенты сопротивления активной зоны в продольном и поперечном направлениях могут быть использованы для проектирования реакторов подобного типа.

Основные результаты диссертационной работы изложены и обсуждены на 5, 6 Курчатовских молодежных научных школах в Москве 19-21 ноября 2007 г., 16-18 ноября 2008 г.; на 14, 15, 16 международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в Москве 1-2 марта 2008 г., 26-28 февраля 2009 г., 24-26 февраля 2010 г.; на 11 научно-технической конференции молодых специалистов ОКБ «Гидропресс» в г. Подольск 10 марта 2009 г.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных средств численного моделирования, широко используемых в задачах вычислительной гидродинамики. Полученные результаты являются теоретически обоснованными. Выполнена верификация разработанной модели с известными экспериментальными данными.

Основные положения выносимые на защиту.

- разработанная методика численных экспериментов для определения геометрических и гидродинамических параметров TBC МТ;

- разработанная методика расчета активной зоны реактора путем моделирования течения в пространстве между TBC МТ по модели пористого тела;

- результаты численного моделирования TBC МТ активной зоны реактора ВВЭР - 1000 МТ.

Публикации: Основное содержание диссертационной работы изложено в 8 публикациях, в том числе 2 статьи в реферируемых журналах из списка ВАК.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения (основные результаты и выводы), списка использованной литературы из 34 наименований, 2 приложений. Работа изложена на 137 страницах компьютерного текста, иллюстрируется 77 рисунками, 6 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен обзор работ, посвященных гидродинамике и теплообмену в пористых средах, в частности в шаровых засыпках. На основании выполненного анализа литературных источников сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе дается описание конструктивной схемы TBC МТ (рис.1), расчетной модели (рис.2), математическое описание процессов гидродинамики и теплообмена в модели TBC МТ, построение расчетной сетки. Проведено тестирование численного метода на основе экспериментальных данных. Представлены результаты численного моделирования TBC МТ.

Для тестирования численного метода использованы экспериментальные данные работы Авдеева A.A., Балунова Б.Ф., Зудина Ю.Б., «Гидродинамическое сопротивление потока пароводяной смеси в шаровой засыпке», в которой экспериментальный рабочий участок представлял собой трубу, заполненную шаровой засыпкой с пористостью уш = 0,37 и средним диаметром 2,033 мм. В качестве рабочей среды в экспериментах использовалась вода и пароводяная смесь. Результаты тестирования численного метода представлены на рис.3 и 4 в координатах Ар = / (G) и <f = /(Re). Разница данных эксперимента и результатов моделирования незначительная: в зависимости Ар = f(G) — в интервале (0 - 18%); в зависимости £ = /(Re) — (2,3 - 10 %). Расчетная схема TBC МТ представлена на рис.2. Для описания процессов гидродинамики и теплообмена в TBC МТ используется общий подход, основанный на модели пористой среды с внутренними источниками тепла. Далее рассматриваются осредненные по некоторому объему дисперсной среды уравнения сохранения массы, импульса и энергии. Предполагается, что засыпка микротвэлов неподвижна.

Рис. 1. TBC с микротвэлами:

1 - кластер; 2 - пружины; 3 - СУЗ; 4 -подпружиненное днище; 5 ~ вытеснитель;

6 - внутренний перфорированный чехол;

7 - раздаточный коллектор; 8 - наружный перфорированный чехол; 9 - опорное днище; 10 - хвостовик

Рнс.2 Расчетная схема ТВС

МТ: 1 - раздаточный коллектор; 2 - внутренний перфорированный чехол; 3 - засыпка микро-твэлов; 4 - наружный перфорированный чехол; 5 - сборный коллектор; б - вытеснитель (стрелками указано направление течения теплоносителя)

лр.кпа 100 80 60 40 20 0

0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 G. кг/с

Рис.3. Зависимость перепада давления от расхода теплоносителя

43 46

44

42

— Расчет а Экспериментальные данные

\

\

к

100 150 200 250 300 Re Рис.4. Зависимость гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса Распределение профиля скорости определяется в результате решения уравнений движения. В расчетной модели - жидкость несжимаема, а теп-лофизические свойства в рассматриваемом достаточно узком интервале температур принимаются постоянными. Рассматривается стационарное течение. Поскольку в шаровой засыпке движение является радиальным, то массовыми силами в уравнениях можно пренебречь. Особенностью рассматриваемой задачи теплообмена и гидродинамики является то, что расчетная область представляет собой пористую среду с объемным энерговыделением с примыкающими к ней свободными от микротвэлов объемами.

Система уравнений движения и неразрывности в цилиндрических координатах для двумерного осесимметричного движения теплоносителя, записанная относительно средней скорости жидкости в поровом пространстве, выглядит следующим образом:

,/ яг г л

диЛ д

Щфф

5U г

1 д

8U

ur

а

еи

Шфр-

&

О)

где у - пористость среды; р - плотность теплоносителя; р - давление; и г, и2 - компоненты средней скорости.

Эффективная вязкость принимается равной Мэфф = М ъ пористой зоне (0<у <1) и ¡иэфф = ц + /лт в зонах, свободных от твердой фазы (у -1), где

/ит - турбулентная вязкость; // - молекулярная вязкость жидкости. Для

8

расчета турбулентной вязкости (/ит) используется стандартная к -е модель турбулентности с пристеночными функциями.

В системе уравнений (1) гидравлическое сопротивление пористой среды учитывается путем введения дополнительных источниковых членов

arßJr + ßr

pUt

и S =-

V.

a.ßJz + Д

№

У

, гдеaraz^ßr,ß.~ ком-

поненты вязкостного и инерционного коэффициентов сопротивления пористой среды в направлениях координатных осей гиг.

В элементах TBC, представляющих собой свободную зону (у-1), полагается а = 0, ß = 0, и, следовательно, дополнительные источниковые члены равны нулю. В пористых зонах (0</<1) источниковые члены в уравнениях движения, учитывающие гидравлическое сопротивление пористой среды, значительно превышают конвективные члены, а также члены, содержащие эффективную вязкость. В указанных зонах уравнения движения вырождаются в нелинейный закон Дарси:

ор дг'

<t. dz

ar[iUr + ßr

f

«A + A

Pu,

рЩ

2\

/ J

(2)

Именно по этой причине вопрос о точности модели для эффективной вязкости (мэфф) в пористых зонах носит второстепенный характер.

Формально уравнения (1) решаются и в зонах, содержащих исключительно твердую непроницаемую фазу (/ = 0). Очевидно, что в указанных зонах решение сводится к тривиальному решению U = 0 .Таким образом, система (1) описывает процессы гидродинамики во всей расчетной области, моделирующей TBC МТ.

Уравнение энергии в «однотемпературном» приближении имеет вид:

дТЛ д(, дТ) ...

■^Ы^г- (3)

где Т - температура гетерогенной пористой среды; ср - удельная изобарная

Qt Л

теплоемкость теплоносителя; удельное энерговыделение, Вт/м ;

(г, дТ тт дТ

рс„\ и. — + U,— и р[ г дг - &

QT -тепловая мощность TBC МТ, Вт; V - объем, занимаемый микротвэла-ми. Согласно оценкам ВНИИАМ, температура микротвэлов отличается от температуры теплоносителя на 12 - 21 °С. Поэтому в рамках данной работа применяется однотемпературная модель. Для вычисления в (3) в

первом приближении используется упрощенная формула Äeß = ylj + ( 1-/)ÄS, для пористых зон aÄejj- =Äj +ÄS для свободных зон (Х = 1), гдеА^Д^- коэффициент теплопроводности теплоносителя и твердой фазы, Xs ^^c^/Piy- коэффициент турбулентной теплопроводности,

Ргг = 1,0- турбулентное число Прандтля.

Реализация математической модели осуществлена при помощи программного комплекса FLUENT. Задача - двухмерная осесимметричная.

В TBC МТ выделены три пористые зоны: внутренний перфорированный чехол, шаровая засыпка, наружный перфорированный чехол. Эти пористые зоны оказывают сопротивление движению теплоносителя по ходу его течения. Главная задача численного расчета, определить при каких коэффициентах сопротивления каждой из пористых зон достигается равномерное распределение температуры на выходе из шаровой засыпки.

Числовые значения коэффициентов вязкостного а и инерционного ß сопротивления шаровой засыпки определялись из уравнения Эргуна

АР.„И0(1-УИ)2^ ,175(*-xjt/2 . „ 150(1-Гш)2 _ 3,5(1 -yj (4) 150___ + i,75—з—— аш- ,ßu--, W

Пи "ш ' ш "и 1шиш /шиш

где уш - пористость шаровой засыпки микротвэлов; ¿ш- диаметр микро-твэла; Я - толщина пористого слоя.

Коэффициент сопротивления перфорированных стенок внутреннего и наружного чехла, отнесенный к радиальной скорости в отверстиях и пористость стенки уст можно найти из следующих соотношений:

/ ст

-; 4ст = 0,707 -уст +1 - уст | —, (5)

ст Уст

гДе /отз " площадь одного отверстия; Рст - общая площадь поверхности перфорированной стенки.

С учетом (5) инерционный коэффициент сопротивления стенки равен отношению ее сопротивления к толщине, то есть рст = ,

где hcm - толщина перфорированного чехла. Коэффициент вязкостного сопротивления равен нулю.

При настройке FLUENT предпочтение было отдано варианту, реализующему решение уравнений гидродинамики относительно скорости фильтрации Un = йф/у, где Un - скорость в порах; 0ф - скорость фильтрации.

В результате численного решения системы уравнений (1) и уравнения энергии (3) были получены результаты, представленные на рис.5. Достичь примерно одинаковой температуры на выходе из наружного чехла по всей его площади, удалось, прежде всего, при помощи варьирования параметрами перфорации внутреннего и наружного чехлов. Параметры чехлов представлены в таблице 1. Основные параметры засыпки топлива: пористость уш = 0,39;диаметрмикротвэлов du= 2 мм.

Таблица 1 - Основные расчетные параметры перфорированных чехлов

ТВСМТ

Внутренний чехол Наружный чехол

Наименование параметра Нижняя часть Центральная часть Верхняя часть

Диаметр отверстий перфорации, мм 1 1 1 1

Пористость (доля площади перфорации) 0,012 0,014 0,011 0,014

Толщина, м 0,0005

Топливо в TBC МТ имеет свободную засыпку. Для нее численное значение пористости лежит в интервале 0,37 - 0,4. В каналах со свободной шаровой засыпкой пористость может меняться в различных участках. В области, удаленной от стенки канала она может составлять 0,26 1,0. Рассматривалось два варианта: более рыхлая структура засыпки, пористость которой составляет уш =0,259; более плотная при ущ =0,476. В результате выполненных расчетов выяснилось, что различная структура засыпки топлива не оказывает существенного влияния на параметры TBC МТ.

т, к

530 535 580 575 570 565 560

U. м/с 18 16 14 12 10 8 6 4

а)

1 v

1

\

\

- Х- -

1 2

i

Р.МПа 0,6 0.5

0,4 0.3 0.2 0,1

-И

ч2

0.5 1 1,5 2 2,5 3 Z.M

б)

1,5

Рис.5 Распределение температуры (а) давления (б) скорости (в) теплоносителя по высоте TBC МТ: 1 - в раздаточном коллекторе; 2 - в засыпке топлива; 3 - в сборном коллекторе

Тепловыделение в активной зоне ядерного реактора неравномерно по объему. В цилиндрической активной зоне энерговыделение подчиняется закону

g(r,0) = g(0,0)J0

^2,405/-Л

ro J

; q{r,x)-q(r,0)cosj

Н,

(7)

оУ

то есть, в радиальном направлении оно изменяется в соответствии с функцией Бесселя нулевого порядка, а в осевом - по косинусоидальному закону. Интерес для численных расчетов представляет поведение TBC МТ, в том случае если тепловыделение в осевом направлении подчиняется косинусоидальному закону.

Зависимость р = / (z) и U = / (z) имеет тот же характер, что и на рис.5. Существенно отличается только зависимость T=f(z), представленная на рис.6. Очень хорошо просматривается распределение температуры в TBC МТ по высоте в соответствии с законом (7), на рис. 5 (а) такого не на-

12

блюдается, т.к в предыдущих расчетах тепловыделение в TBC МТ принималось равным 9v=1)4x108Bt/m3, постоянным во всей расчетной области.

О 0.5 1 1,5 2 2.5 3 Z.M

Рис.6 Распределение температуры теплоносителя но высоте TBC МТ: 1 - в раздаточном коллекторе; 2 - в засыпке топлива; 3 - в сборном коллекторе

В предыдущих расчетах использовалась геометрия TBC МТ, построенная в полном соответствии с конструкцией, представленной на рис.2. В 12 работе также рассмотрены другие варианты кон-

струкции TBC МТ, в которых изменялась толщина слоя топлива, размеры сборного и раздаточного коллекторов (рис.7). Геометрия TBC МТ изменялась с сохранением габаритных размеров. Численные значения пористости засыпки топлива, перфорированных чехлов и их толщина приняты такими же, что и для конструкции представленной на рис.2.

Таблица - 2 Варьируемые в расчете размеры TBC МТ

Рис. 7. Варьирумые размеры TBC МТ

№ конструкции Размеры, мм

а b с ' d с f

1 34 55 В 12 55 30

2 20 72 5 20 72 5

3 30 60 7 17 70 10

В третьей главе получены коэффициенты сопротивления для активной зоны как в продольном направлении течения, так и в поперечном направлении. Полученные результаты могут быть использованы при моделировании реактора ВВЭР - 1000 МТ.

Численный эксперимент по определению сопротивления в продольном направлении проводился с использованием осесимметричной модели TBC МТ (рис.2).

Обозначение скорости в задаче принято как Üф = (иф,иф,м>^, где иф и Оф - компоненты скорости фильтрации в плоскости XY пересекающей активную зону в поперечном направлении; w^ - компонента скорости фильтрации вдоль оси Z направленной вдоль TBC. Обозначим локальную физическую скорость теплоносителя как й = (и, и, w). Локальная скорость в активной зоне это результат усреднения скорости теплоносителя в пределах TBC.

В результате численных экспериментов при изучении сопротивления активной зоны при продольном направлении течения необходимо получить зависимость

^-/Ы , (8)

птвс

где = твс ; SrBC - площадь сечения TBC, показанная на рис. 8.

Остальные компоненты скорости в результате усреднения становятся равными нулю в силу осесимметричной постановки задачи.

Расход теплоносителя на входе в ТВС МТ равен GTbc = 100 кг/с, поэтому сопротивление определяется для значений расходов, лежащих в некоторой окрестности этой величины.

Результаты численного расчета сис-

Рис. 8 Эффективное поперечное сечение ТВС для определения скорости фильтрации в направлении оси Z

темы уравнений (1) - (3) представлены на рис. 9. С большой точностью эти данные аппроксимируются квадратичной зависимостью, то есть сопротивление TBC МТ описывается законом Дарси (2). В результате аппроксимации были получены численные значения вязкостного и инерционного коэффициентов сопротивления активной зоны как пористой среды.

Для оценки влияния сопротивления при поперечном течении теплоносителя в пространстве между TBC МТ активной зоны на всю гидродинамику активной зоны была построена трехмерная геометрия этой области, которая образована сборными коллекторами TBC МТ. Область пространства между TBC МТ в основном состоит из одинаковых геометрических элементов, поэтому для построения расчетной модели можно выделить в нем периодический элемент (ПЭ) (рис. 10). ПЭ - периодически повторяющийся элемент расчетной области пространства между TBC МТ, из множества таких элементов состоит вся область (рис. 11).

Рнс.9 Зависимость градиента давления от скорости фильтрации в осевом направлении

Трехмерная геометрия ПЭ построена таким образом, что грань АВ периодична грани А1В1 грань СО периодична грани СШ1 (рис.12). Задав граничные условия на ПЭ можно исследовать гидродинамику всей активной зоны.

плоносителя в активную зону ВВЭР - 1000 МТ. Расчетная область: 1 - TBC; 2 - периодический элемент (ПЭ); 3 - засыпка топлива; 4 - втулка; 5 - раздаточный коллектор; б - сборный коллектор Y

¥ \

Рис.11 Расчетная обттяг.тк^ образованная из нескольких периодических элементов

Gns.x

*

Grra.y

Рис.12 Граничные условия на ПЭ

Граничные условия на периодическом элементе:

1. Конструкция периодического элемента составлена из наружных перфорированных чехлов TBC, на которых задано условие притока теплоносителя в пространство между TBC МТ. Условие притока на твердых границах периодической области заключается в предположении, что скорость нормальна к поверхности и равна скорости притока теплоносителя из перфорированного чехла сборного коллектора

¡ми=1м1^=1м1гс=1мЬ=1м1яс1 =

= Н0Ш = 14йЛ = Ил51 = 14ПК = Ию? = , (Ю)

где и^ = ^'твс~— скорость притока теплоносителя; Зшч - площадь боко-$бпчР

вой поверхности перфорированного чехла сборного коллектора.

2. Внутри активной зоны имеется два выделенных направления -по оси Y, когда поток натекает на угол шестиугольной ТВС МТ и по оси X - когда поток натекает на грань шестиугольной ТВС МТ (рис.12). Поэтому для оценки сопротивления теплоносителя в поперечном направлении были рассмотрены эти два случая.

3. Поперечные перетечки теплоносителя в активной зоне малы по сравнению с продольным течением. Поэтому расход теплоносителя через ПЭ (Gro) задается как некоторая малая доля от основного расхода в ТВС MT(Gtbc).

4. На гранях АВ и А1В1, а также CD и C1D1 выполняются условия прпиптгачнппти и .„ = ¿7... и = и. кпаме того, масса тепло-

-I "" - " ЛО Л1Ю1 blAVl ' А

носителя, проходящая через грань АВ должна равняться массе теплоносителя, проходящей через грань А1В1 и должна равняться половине всего расхода через ПЭ в заданном поперечном направлении, аналогично для граней CD и C1D1

| pudS = | pudS — -Gn3 = const; J pudS = J pudS = —Gn3 = const .(11)

АВ AlBl ^ CD C1D1 ^

В случае течения в направлении X, теплоноситель поступает в ПЭ через грани АВ и CD и вытекает через грани А1В1 и C1D1. Если течение направлено вдоль Y, то, соответственно, теплоноситель поступает в ПЭ через грани CD и А1В1 и вытекает через грани C1D1 и АВ.

Условие 4 выполнено при течении теплоносителя как в направлении оси X, так и в направлении оси Y. Численное решение основывалось на решении системы уравнений (1), в которой пористость полагалась равной единице.

Был рассчитан вариант фактически двухмерного течения теплоносителя в межкассетном пространстве при условии нулевого вдува теплоносителя через перфорированные чехлы, то есть полагалось и = 0. В результате численных расчетов получены зависимости, представленные на рис.13. С большой точностью расчетные данные аппроксимируются квадратичной зависимостью.

Был рассмотрен случай, когда в расчетах учитывался приток теплоносителя в пространство между ТВС МТ, что соответствует реальным

условиям работы реактора. В итоге получены зависимости градиента дав-

17

ления от скорости при поперечном течении теплоносителя (рис.14). С большой точностью расчетные данные аппроксимируются линейной зависимостью.

В результате аппроксимации получены численные значения инерционного и вязкостного коэффициентов гидродинамического сопротивления активной зоны при поперечном течении теплоносителя в активной зоне реактора ВВЭР - 1000 МТ, существенное различие которых говорит о существовании сильной анизотропии сопротивления в активной зоне реактора ВВЭР - 1000 МТ. Поперечный приток теплоносителя оказывает влияние на гидродинамику всей активной зоны.

др Па ду ' м

0.08 0,06 0.04 0,02

| — кривая аппроксимации ]

1 /

/ /

л /

/

/

0 0,1 0,2 о,) 0,4 0,5 0,6

ЁЕ. 111

дх' м 0,05

1

• расчет

— кривая аппроксимации /

/

/

/

9

у*

б)

Рис.13 Зависимость градиента давления от скорости теплоносителя при поперечном течении без учета притока теплоносителя: а) в направлении У ;б) в направлении X

др П а ' ду ' м

* расчет

— крипля аппроксимации

Зр_ Па дх' м

, *

а)

• расчет -кривая аппроксимации

.....

б)

Рис.14 Зависимость градиента давления от скорости теплоносителя при поперечном течении с учетом притока теплоносителя: а) в направлении У; б) в направлении X

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе модели пористой среды была разработана модель тепловыделяющей сборки на основе сферических микротвэлов.

2. В результате расчетов было выявлено, что достичь оптимальных теплогидравлических параметров TBC МТ возможно при помощи варьирования параметрами перфорации внутреннего и наружного чехлов. Такие параметры индивидуальны для каждой конструкции TBC МТ. Шаровая засыпка топлива в такой системе оказывает меньшее сопротивление движению, чем коллекторы.

3. В расчетных исследованиях TBC МТ показано, что при использовании параметров тепловыделения, имеющего место для ВВЭР - 1000 возможны режимы кипения в средней части сборки.

4. Разработана численная модель для расчета течений в активной зоне реактора ВВЭР - 1000 МТ, состоящей из тепловыделяющих сборок с топливом на основе микротвэлов.

5. Показано наличие сильной анизотропии гидродинамики течения в объеме активной зоны реактора ВВЭР - 1000 МТ.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Бочарова Е.В., Комов А.Т., Токарев Ю.Н. Численное решение гидродинамической задачи при течении в шаровой засыпке // Сборник аннотаций работ 5-я Курчатовская молодежная научная школа, издательство РНЦ «Курчатовский институт», Москва 2007,1б-17с.

2. Бочарова Е.В., Комов А.Т., Токарев Ю.Н. Тестирование программного пакета FLUENT для решения теплогидравлической задачи в шаровой засыпке // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Четырнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов том 3- Издательский дом МЭИ, 2008. 82-83с.

3. Бочарова Е.В., Комов А.Т., Сафронова O.A., Токарев Ю.Н. Гидродинамическая устойчивость системы жидкость-пар при фазовом переходе в пористой среде // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Четырнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов 3 том - Издательский дом МЭИ, 2008. 96-97 с.

4. Бочарова Е.В., Комов А.Т., Токарев Ю.Н. Численное моделирование процессов гидродинамики и теплообмена при течении теплоносителя в шаровой засыпке // Сборник аннотаций работ 6-я Курчатовская молодежная научная школа, издательство РНЦ «Курчатовский институт», М.: 2008

5. Бочарова Е.В., Комов А.Т., Токарев Ю.Н. Численное моделирование процессов гидродинамики и теплообмена при течении теплоносителя в шаровой засыпке // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Пятнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов т. 3- Издательский дом МЭИ, 2009.126-127с.

6. Бочарова Е.В., Комов А.Т., Токарев Ю.Н. Численное моделирование процессов гидродинамики и теплообмена в тепловыделяющих сборках с микротвэлами // Вестник МЭИ 2009 №2 с.43-47.

7. Бочарова Е.В., Комов А.Т., Токарев Ю.Н. Численное моделирование течений в активной зоне ядерного реактора с использованием ANSYS FLUENT // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Шестнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов том 3- Издательский дом МЭИ, 2010. с.37

8. Бочарова Е.В., Токарев Ю.Н., Комов А.Т. Численное моделирование тепловыделяющих сборок с шаровыми микротвэлами // Теплоэнергетика 2010, №12, с.70-74

Подписано в печать Зак. 3YJ тир. ЮО п.л.

Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИИ.

1.1. Микротвэлы.Конструкция.

1.2. Пористая среда. Шаровая засыпка. Общие сведения.

1.3. Гидродинамика при однофазном течении теплоносителя в пористых средах. Уравнение Дарси.

1.4. Определение вязкостного и инерционного коэффициентов сопротивления пористой среды.

1.5 Гидравлическое сопротивление в шаровых засыпках.

1.6 Теплообмен в шаровых засыпках.

1.7. Выводы и постановка задачи диссертационной работы.

ГЛАВА 2. ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА С МИКРОТВЭЛАМИ КОНСТРУКЦИЯ. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.

2.1. Проектные основы.

2.2. Конструктивная схема

2.3. Общая характеристика концепции безопасности ВВЭР с микротвэ лами.

2.4. Особеннности гидродинамики TBC МТ.

2.5 Особенности численного моделирования процессов гидродинамики и теплообмена в пористых средах.

2.6 Тестирование численного метода на основе экспериментальных данных.

2.7 Математическая модель.

2.8 Построение расчетной сетки.

2.9.Численное моделирование TBC МТ.

2.10. Результаты численного расчета TBC МТ.

2.11 Численное исследование TBC МТ при различных значениях пористости микротвэльного топлива.

2.12 Численное исследование тепловыделения в TBC МТ.

2.13 Численное исследование теплогидравлических процессов в TBC МТ измененной конструкции.

Одним из перспективных и эффективных способов интенсификации теп-ломассообменных процессов является использование в теплообменных устройствах пористых материалов. Физическую основу этого способа составляет чрезвычайно высокая интенсивность теплообмена между проницаемой матрицей и протекающим сквозь нее теплоносителем вследствие очень развитой поверхности их соприкосновения.

Исследование гидродинамических и тепловых процессов при движении однофазных и двухфазных потоков в пористых средах является актуальной задачей современной теплофизики. В атомной энергетике такие задачи требуется решать при разработке конструкций водоохлаждаемых и кипящих реакторов с использованием шаровых микротвэлов.

Дальнейшие перспективы развития атомной энергетики в значительной степени будут зависеть от обеспечения АЭС безопасности, как на рабочих режимах работы, так и в случае аварийных ситуаций, включая диверсии. Как один из вариантов повышения безопасности и эффективности АЭС Российский научный центр «Курчатовский институт» и Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт атомного энергетического машиностроения (ВНИИАМ) предложили модернизацию широко распространенных реакторов типа ВВЭР с активной зоной с топливом на основе микротвэлов [1]. Основным преимуществом таких реакторов является то, что при любых тяжелых авариях и при любых диверсиях радиационные последствия очень малы. Разработка такого технического решения в России началась в 1992 году [2]. Тепловыделяющие сборки с микротвэлами могут применяться в действующих блоках АЭС без изменения конструкции реактора. Возможна полная их унификация со сборками традиционной конструкции (со стержневыми твэлами в трубках из циркониевого сплава) по габаритам, присоединительным элементам конструкции по теплогидравлическим и нейтронно-физическим характеристикам [3].

Хорошие теплофизические и механические свойства микро- и макротвэ-лов шаровой формы на основе топливных частиц с покрытием привлекли к этому виду топлива внимание специалистов, разрабатывающих концепции высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов и ВВЭР с микротопливом. Успешное использование этого вида ядерного топлива возможно только при наличии данных о структуре и геометрических характеристиках шаровых твэлов различного диаметра в активных зонах канального и насыпного типа; данных о гидродинамике и теплообмене при движении однофазного и двухфазного теплоносителя.

Очень важным является анализ гидродинамического и теплового поведения систем сложной конфигурации, содержащих коллекторы с засыпками. При проектировании такого рода систем возникают различные конструктивные варианты, требующие анализа. Проводить такой анализ сложно вследствие того, что возможные эксперименты не могут дать достаточного количества информации для понимания происходящих процессов. Такие эксперименты дороги и сложны. Поэтому математическое моделирование, по - видимому, является единственным способом анализа таких сложных многофакторных систем. Создание надежных расчетных методик для такого рода систем с использованием математических моделей является задачей большой сложности.

3.3 Основные выводы третьей главы

В результате проведенных численных экспериментов были получены коэффициенты сопротивления для активной зоны реактора ВВЭР - 1000 МТ как в продольном направлении течения, путем моделирования течения в TBC, так и в поперечном направлении, путем моделирования периодического течения в пространстве между TBC. Полученные результаты могут быть использованы при моделировании реактора ВВЭР - 1000 МТ.

Сравнение полученных коэффициентов сопротивления az и аг показывает существенную разницу между ними (рис.3.21). Эта разница говорит о существовании сильной анизотропии сопротивления в активной зоне реактора ВВЭР - 1000 МТ. Поперечному течению теплоносителя в активной зоне препятствует течение в продольном направлении. Поперечный приток теплоносителя в пространство между TBC МТ оказывает влияние на гидродинамику активной зоны. а, м -2

1,00X10®

5.00 хЮ8 5,00 х 10 5

Рис. 3.21 Сравнение коэффициентов вязкостного сопротивления 'при продольном и поперечном течении теплоносителя в активной зоне реактора ВВЭР - 1000 МТ

120

8,39x10®

1,6x107 8,01x105 продольное течение поперечное течение без поперечное течение с учета притока учетом притока теплоносителя теплоносителя

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленными задачами в данной диссертационной работе, сделаны следующие выводы:

Достичь одинаковой температуры на выходе из наружного чехла по всей его площади, удалось, прежде всего, при помощи варьирования параметрами перфорации внутреннего и наружного чехлов. Шаровая засыпка топлива в такой системе оказывает меньшее сопротивление движению, чем перфорированные чехлы коллекторов.

По итогам тестирования программного комплекса, расхождение между расчетными данными и данными эксперимента составляет не более 18%, что говорит о достаточной точности полученных результатов.

Главной особенностью TBC МТ является необходимость обеспечения равномерного потока теплоносителянаправленного по нормали к тонким слоям шаровых твэлов большой площади. Это вызвано резким увеличением необходимого перепада давлений при увеличении толщины шарового слоя. Использование численного эксперимента позволило удовлетворить этому требованию путем подбора нужных сопротивлений перфорированных чехлов для заданной конструкции TBC МТ.

При использовании закона тепловыделения, характерного для реакторов цилиндрического типа наблюдается перегрев теплоносителя в средней части ТВСМТ.

В результате проведенных численных экспериментов были получены коэффициенты сопротивления для активной зоны реактора ВВЭР - 1000 МТ как в продольном направлении течения, путем моделирования течения в TBC, так и в поперечном направлении, путем моделирования периодического течения в пространстве между TBC. Полученные результаты могут быть использованы при моделировании реактора ВВЭР - 1000 МТ.

Сравнение полученных коэффициентов сопротивления а: и аг показывает существенную разницу между ними. Эта разница говорит о существовании сильной анизотропии сопротивления в активной зоне реактора ВВЭР — 1000 МТ. Поперечному течению теплоносителя в активной зоне препятствует течение в продольном направлении. Поперечный приток теплоносителя в пространство между TBC МТ оказывает влияние на гидродинамику активной зоны.

1. Пономарев Степной H.H., Кухаркин Н.Е., Хрулев A.A., Дегальцев Ю.Г. и др. Перспективы развития микротвэлов в ВВЭР // Атомная энергия, 1999 т. 86, вып. 6 с. 443-449.

2. Лозовецкий В.В., Крымасов В.Н., Гидро-механические и тепловые процессы в ядерных реакторах с микротвэльным топливом — М.: ВИНИТИ РАН, 2003.-326 с.

3. Гришанин Е.И., Денисов Е.Е., Любин А .Я., Фальковский Л.Н., Разработка математической модели для расчета параметров теплоносителя в тепловыделяющей сборке легководного реактора с микротвэлами // Тяжелое машиностроение, 1995, № 9 с. 11- 20

4. Бедениг Д. Газоохлаждаемые высокотемпературные реакторы. — М.: Атомиздат, 1985-233 с.

5. Богоявленский Р.Г. Гидродинамика и теплообмен в высокотемпературных ядерных реакторах с шаровыми твэлами.- М.: Атомиздат, 1978, 112 с.

6. Попов С. Стационарная теплофизика ВТГР с засыпной активной зоной // Атомно водородная энергетика и технология, 1982, вып.З, с.126 - 179

7. Аэров М.Э., Тодес О.М., Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. Изд-во «Химия», 1968 г., 512 с.

8. Костиков Л.Е., Лозовецкий В.В., Стребнев H.A., Структура активных зон высокотемпературных реакторов с шаровыми твэлами // Атомная техника за рубежом, 1979, №2, с. 3 10

9. Смирнов Г.Ф., Цой А.Д., Теплообмен при парообразовании в капиллярах и капиллярно — пористых структурах. М.: Издательство МЭИ, 1999. — 440 с.

10. Поляев В.М. и др., Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. — М.: Машиностроение, 1988. — 168 с.

11. Зейгарник Ю.А., Иванов Ф.П., Неэффективность использования универсального геометрического размера при описании гидродинамики и теплообмена в пористых структурах // Теплофизика высоких температур, 2003, том 41, №6, с. 907-913

12. Ergiin S., Orning A. Fluid Flow through Randomly. Packed Columns and Fluidised // Bed, jnd.eng.Chem/ 1949.V.41.P.179.

13. Справочник по теплообменникам: в 2-х т. T.l / Пер. с англ. Под ред. О.Г. Мартыненко и др. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 с.

14. Белов C.B. Пористые металлы в машиностроении. М.: Машиностроение, 1981.248 с.

15. Гольдштик М.А. Процессы переноса в зернистом слое. Н.: ИТФ СО АН СССР, 1984-163 с.

16. Идельчик И. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М.: Машиностроение, 1992. — 672 с.

17. Полежаев Ю.В., Протасов М.В., Селиверстов Е.М., Модель канала как средство описания гидродинамики и теплообмена в пористых средах // Теплофизика высоких температур, 2001,т. 39, №1, с. 146-153

18. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А., Соловьев С.Л., Теплообмен в ядерных энергетических установках.- М.: Издательство МЭИ, 2003-548 с.

19. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. 2-е изд., доп. Л., «Машино-строёние», 1976. 504с.

20. Лыков A.B. Тепломассообмен: (Справочник). 2-е изд., перераб. И доп. М.: Энергия, 1978. - 480 е., ил.

21. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979,416с.

22. ВВЭР с микротвэлами, отчет ВНИИАМ № 27.6111.Д, Москва, 2003

23. Быстров П.И., Михайлов B.C. Гидродинамика коллекторных теплооб-менных аппаратов. -М.: Энергоиздат, 1982. — 224 с.

24. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по тёплогид-равлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы)1 М.: Энергоатомиздат, 1990, 360 с.

25. Смирнов Bill. Обратная коллекторная задача для кассеты с поперечным обтеканием слоя микротвэлов // Вопросы» атомной назрей и: техники. Сер: Физика и техника ядерных реакторов; 1980, вып. 2 (11) с.13-22

26. Коченов И.С., Новосельский О.Ю. Гидравлическое сопротивление ка-. налов с проницаемой стенкой // Инженерно — физический журнал,, 1969, том 16, №3

27. Петраков М.Д: Проектирование и расчет экспериментальной установки для исследования теплообмена в микротвэлах. Магистерская диссертация- .МЭИ* 2006, 107 с. . .

28. Мёламед Л:Э. Femlab и ANSYS в расчетах гидродинамики; атомных реакторов, или научно-практический рассказ о? том; как приспособить: «тяжелые» пакеты для решения задач-; одного тяжелого класса- // Математика в < приложениях, 2004, № 2(6) с. 18-21

29. Меламед Л. Э:, Тропкина А. И., Филиппов Г. А. О методике назначения коэффициентов гидравлического сопротивления в пористых средах (применительно к системе ANSYS) //Труды 2ой Всероссийской конференции пользователей ANSYS.— М., 2002.

30. Дементьев Б.А. Ядерные энергетические реакторы: Учебник: для вузов. — 2-е изд., перераб! игдоп. М:: Энергоатомиздат, 1990. — 352 с.

31. Маслов Ю.А. Автореферат. Моделирование трехмерных процессов гидродинамики и теплообмена в активной зоне реакторов типа ВВЭР с учетомвлияния анизотропии ее структуры на процессы переноса М.; Типография «11-й ФОРМАТ», 2010 22 с.

32. Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках (основы расчета) М.; Атомиздат, 1975 (Авт. Субботин В.И., Ибрагимов М.Х., Ушаков П.А. и др.) 408 с.