Нестационарные процессы при разгерметизации парогенерирующего канала тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

РГ6 од » 8 акт 1995

РОССЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ

На правах рукописи

Шангареева Елена Юрьевна

УДК 621.039.524.44.-97.

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ ПАРОГЕНЕРИРУЕЩЕГО КАНАЛА

Специальность 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск 1996

Работа выполнена в Сибирском знер1етияеском институте Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: кандидат технически наук.

ст.н.с.Борчевкин Ю.С. Официальные оппоненты; доютор физико-математических наук.

ст.н.с. Лежнин С.И. доктор физико-математических наук вед.н.с. А.В.Федоров Ведущее предприятие:. НИИ, Механики при МГУ

Защита состоится "_"_________1996 г. в_час.

на заседании диссертационного сопета К 002.65.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте теплофизики пм. С.С.Кугателадзе СО РАН по адресу: Новосионрск-90, проспеет ак.Лазренгьсва. 1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН.

Автореферат разослан "_____"_______1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н..профессор —м— —В.НЛрыпш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Обеспечение безопасной эксплуатации АЭС продолжает оставаться в центре внимания специалистов. Особое место занимает исследование нестационарных теплогидравличес -ких процессов,- связанных ¿ ' авариями при потере теплоносителя.

Экспериментальные и теоретические исследования по проблеме безопасности связаны в основном с водо-водяными реакторами среди которых кипящие канальные реакторы являются одним из основных типов реакторов отечественной атомной энергетики. Поэтому исследования, посвященные теплофизическому обоснованию безопасности этого реактора, в настоящее время актуальны.

Это послужило автору основанием для проведения численно-аналитического исследования нестационарных теплогидродинами-ческих процессов при различных видах аварийной разгерметизации парогенерирувдего канала применительно к условиям работы кипящего канального реактора.

Цель работы. Разработка численно - аналитической модели некоторых переходных процессов,' развивающихся в парогенери-рущем канале при разгерметизации его входного тракта. Достижение этой цели осуществлялось последовательным решением следующих задач, являющихся основными задачами диссератации.

1. Разработка' теоретической модели, пригодной как для расчета изменения истинного обьемного:'паросодержания по длине канала и во времени, так и основных режимных параметров реверсированного двухфазного потока, функционально зависящих от объемного паросодержания.

2. .Теоретическое подтверждение возникновения трехкрат -ного реверса потока при наличии входного участка с недогретой до кипения жидкостью после разрыва канала.

■3. Моделирование реверсированного потока для случая переменного скольжения.

4. Теоретический анализ и интерпретация нелинейных эффектов, возшЕсащих при разрыве парогенерирущего канала.

5. Графическое построение картин течения реверсирован -ного двухфазного потока в плоскости характеристических линий.

6. Моделирование переходных процессов, развивающихся в канале при разрыве его входного тракта для следующих случаев функционального разделения канала:

а) на входе нэдогретая до кипения среда;

б) на входе необогреваемэя часть канала.

Методы исследования. Теоретическая модель представлена системой упрощенных дифференциальных уравнений в частных производных в терминах теории потока дрейфа, которая решалась аналитическим образом с помощью метода характеристик.

Научная новизна. С участием автора впервые создана численно-аналитическая модель для исследования некоторых нестацио -нарных процессов в горизонтальном протяженном парогенерируш -щем канале при разгерметизации его входного тракта.

Установлено, что при наличии необогреваемого участка на входе канала происходит скачкообразное уменьшение обьемного паросодержания на границе между экономайзерным и адиабатическим участками. Последнее приводит к необходимости решения отдельной самостоятельной проблемы определения граничных условий на вышеуказанной границе. Обнаружено, что в режиме большой течи наблюдается аномальное поведение (пересечение) характеристических линий в области, прилегающей к границе кипения, которую можно трактовать как место локального

торможения реверсированного двухфазного потока. Теоретически подтверждено возникновение трехкратного реверса расхода при разгерметизации входного тракта канала, установленное впервые в работах сотрудников СЭИ СО РАН Борчевкина Ю.С., Королькова Б.П., Запова В.В..

Автор защищает :

- численно- аналитическую модель для исследования некоторых переходных процессов, возникающих в горизонтальном парогене -рирущем канале при разгерметизации входного тракта;

- результаты теоретического исследования реверсированного нестационарного двухфазного потока при различных режимных парметрзх и условиях истечения;

Практическая ценность. Представленная гибридная (численно-аналитическая модель) позволяет провести быстрое качествен -ное исследование сложных переходных процессов, возникащих в парогенерирующем канале при разгерметизации его входного тракта и широком варьировании режимных параметров. Полученная модель позволила не только качественным образом спрогнозиро -вагь ход развития процессов в исследуемом реверсированном потоке, но и - детально проследить эволюцию составляющих частей (контрольных элементов) потока. Последнее крайне важно для понимания сущности происходящих физических явлений в двухфазном потоке при разгерметизации парогенерирущего канала и не всегда доступно при более полных сложных численных исследованиях.

Установлены предположительные механизмы возникновения ударных кинематических волн объемного паросодержания и скачков основных • параметров реверсированного двухфазного потока в областях, расположенных возле границ мевду различ -

ними по структуре областями течения.

Достоверность результатов и выводов , представленных в диссертации, подтверждается сопоставлением расчетов, выполненных с привлечением различных моделей, а также сравнением расчетов с результатами экспериментальных исследований, проводимых в течение ряда лет в СЭИ СО РАН.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на Всесоюзной конференции (г. Новосибирск, 1985г.) и на 1У Всесоюзной конференции молодых исследователей (г. Новосибирск 1991г.) " Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазоданамики" ; на Международном семинаре "Теплофизика-90", "Теплофизические аспекты безопасности ВВЭР" (г. Обнинск, 1990г.); на 2 Международном форуме по Тепло -Массообмену (г.Минск, 1992).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 6 статьях и 2 отчетах по научно-исследовательской работе.

Состав и объем работы. Диссертация изложена на 171 стр., включая 110 стр. машинописного текста, 34 рис. на 37 стр., 1 табл. на 1 стр. и состоит из введения, 4 глав,выводов, списка использованной литературы из 68 наименований и из четырех приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обосновывается актуальность работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор литературных данных, посвя -ценных теплофизичв ским аспектам обеспечения безопасности ядерных энергетических установок, аварийным истечениям, акс -периментам по разгерметизации парогенерирущих каналов, а также обзор некоторых аспектов теории потока дрейфа и теории

нелинейных волн в приложении к исследованиям нестационарных процессов при разгерметизации. В конце главы формулируется постановка основных задач исследование и дается описание объекта моделирования - части Высокотемпературного контура СЭИ (ВТК), который представляет собой экспериментальный динамический стенд для исследования нестационарных теплогидро -динамических процессов при разгерметизации входного тракта парогенерирущего канала. Принципиальная схема расчетной части ВТК, представлена на рис.1.

Во второй главе подробно описывается методика расчета. Приводится теоретическая модель, построенная на основе мето -дики Гонзалвс-Сантало, Лат и приспособленная для описания нестационарных процессов в горизонтальном парогенерирущем канале в условиях реверса расхода. В модели приняты следующие допущения: течение одномерно;плотность жидкой фазы постоянна; осевая компонента теплового потока по металлу и теплоносителю пренебрежимо малы ;. основной вклад в изменение полной энергии теплоносителя дает энтальпия, скорость распространения входных возмущений в канале мала по сравнению с местной сокростыэ звука; внутренняя энергия заменяется на энтальпию (справедливо для малых изменений давления); металл стенки канала обменивается теплом с теплоносителем практически мгновенно; все рассматриваемые параметры течения осредаяются по сечению канала; потери энергии при вскипании однофазного теплоносителя за счет разгерметизации канала нэ учитывались. Вследствие конструктивных особенностей канальных кипящих реакторов происходит замедленный теш снижения давления после разгерметизации и динамические процессы в системе протекают при относительно высоком давлении, значительно превышающем

Рис.1. Расчетная схема ПГК ВТК 12-43 (общий вид). 1- обогреваемый демпфер на входе; 2- калиброванная шайба; З-источник ^-просвечивания; 4-обогреваемый демпфер на выходе; Р1-датчики давления; 91,И- термопары; АР1-перепадомеры; В1 - турбинные датчики расхода.

потери давления на трение и ускорение потока. Предполагается, что в условиях высокого давления для горизонтальной обогреваемой трубы структура потока близка к структуре раз -дельного течения.

При принятых допущениях уравнения сохранения для каждого участка парогенерирущего канала в терминах теорий кинемати -ческих волн и потока дрейфа, основные положения которых представлены в работах Зубера Н., Штауба Ф. и Уоллиса Г., запишутся в виде:

необогреваемый участок -

Б1 <31 <31

+ V/'

Бх дг дъ р'с!

экономайзерный участок (0)

; (1)

т 31 <31 40 (2)

+ VI'

Бг д% 52 р'с!

испарительный участок (0) -

1кр Зф <Эф

т + С (ф) дг к дъ = Л«р)

с1г = ск«Р> ;

аз 40 Ар АР

32 га р'р" = зе Р'Р" '

(3)

Здесь Л(ф) = аеСр'-Др(1+№д/3) 1/р'р" - функция источника пара; зе - скорость генерации пара; 3 = (1-ср)й!' + с-объемная скорость смеси; Ск(ср) = 3 + У?д +ф д'Яд/ду - скорость кинематических волн. Скорость дрейфа пара относительно цент -ра обьема смеси №д = №'- 3 определяется приближенным способом путем решения квазистационарного уравнения движения одно-

мерного раздельного двухфазного потока при пренебрежении инерционными членами в следующем виде:

ар ,

Ой ((£

ар а1Р1

Здесь касательное напряжение на поверхности раз-

дела фаз и станке, соответственно; Р^. ,Ру/ - периметр поверхности раздела фаз и стенки, соответственно. В результате решения системы (4) получено следущеэ выражение для скорости дрейфа пара (рис.2)

«г = Л(1-ср)ср1/4/«р5/4 + ((7б-75ср)р"/р')1/2]. (5)

После преобразований системы уравнений (1-3) решались аналитическим образом с помощью метода характеристик. Но переход из подвижного пространства характеристик в неподвиж -ную систему координат для большинства областей интегрирования осуществлялся численным путем. Реверс расхода задавался снижением входной массовой скорости до отрицательного значе -ния. Решение строилось с учетом опрокидывания потока и наличия подвижных нестационарных границ: реверса, кипения, скольжения в области течения (рис.3).

В результате расчета по модели подтвердилось необычное поведение линии реверса, предсказанное в работах сотрудника СЭИ Борчевкина Ю.С. (рис.3) (троекратный реверс) и обнаружи -лось аномальное поведение характеристик - траекторий иссле -дуемых контрольных элементов реверсированного двухфазного

—а»

—(Я я* —80 ам

Рис. 2. Изменение приведенной скорости дрейфа пара от объемного паросодержания при различных давлениях.

|1с2 Г Двухфаэясе течекке Нест&дхохедкм ма^ча. + хр$ Вторы врехеша* харакгер«ст»ж

\ \ i 1М - - - \ 4 \ к \ \ \ /.....Траеиорм \ \ 4.2 N /' .. ■Я£1,И \ ^ \ Гршпо». ^ /' \реВСрС4 \ яп2 Пермд \ \ / ^ вреяеяжм ^ \ /' ч тарызержпдиа.

•X Ч1 . -.... • \ \

Л Ьч4х| реЧЕКШ Са1егфн£|ые гЩШШ Ь ч» 1 1с ^ Стжцжонаряы 1 задача, ш

а) гро<гто

И I ■ Двухфазное тпекже Нест&шокаржм ____ Траехторш эадм& часни + 4 Втора! ^^дьямыцаддрмце^диша

\ * л»- . л \ \ V '.Чу \ \ Грмиша. у \ Ч \3»АРв"ГЮ' /' V Первая V \ -с . *режеян&* ^ > \

«и ^«Чр'-хД \ \\

е- > ЯЗообевретыт: учавийс гЛнгчКЛЛ ««м» .....' Ь 1 к цх> у | ,-г Стдояаряа! 1 элдлча.

00

5) 2рО>2ШО

Рис.3 .Траектории сечения реверса и границы скольжения для различных областей течения: а) малая степень разгерметизации (^\Уо<1); б) большая степень разгерметизации 0^ЛЛ'о>1).

потока. "Аномальность" поведения характеристик заключалась в следующем : в режиме большой течи наблюдалось пересечение характеристических линий в области, прилегающей к границе кипения (рис.4). Согласно теории волн пересечению траекторий соответствует образование "ударной" кинематической волны объемного паросодержания. " Ударность " в данном случав означает возникновение скачка обьемного паросодержания в точке пересечения характеристик, в которой функция <р(1) теряет однозначность. Такое поведение характеристик обьясня -ется немонотонностью зависимости функции скольжения от

обьэмного паросодержания, которая обуславливает аналогичный характер изменения скорости распространения кинематических волн Ск(ф). Поэтому в случае увеличения скорости кинемати -чесшх. волн Ск(ср) с ростом обьемного паросодержания, при смене направления штока возможна ситуация, когда более быстрая кинематическая волна, несущая большее значение ср, может догнать более медленную волну. В результате слияния волн происходит образование скачка обьемного паросодержания. Когда число перэсекащихся характеристик больше двух пропс -ходит формирование движущейся линии слияния разрывов функции (р. В данном случае область слияния траекторий формируется возле границы кипения и может интерпретироваться как место локального торможения реверсированного двухфазного потока.

В третьей главе приводится описание численно- аналитической модели "Реверс". Даются краткое описание математической постановки задачи и программы расчета.' Приводятся 19 вариантов взаимного расположения характеристических линий и границ.

В четвертой главе анализируются результаты расчетов по

а)

Рис. .4.' Траектории контрольных элементов реверсированного потока при различных скоростях истечения: а) ¥=-6.0 м/с , М1=2.278; б) И=-20.0 м/с, М1 =7.593.

представленной полу аналитической модели " Реверс ". Расчет сделан для широкого диапазона изменений;, режимных параметров реверсированного двухфазного штока при наличии недогретого теплоносителя на входе канала. Таков широкое варьирование параметров позволило проанализировать поведение потока не только в реальных , но и в гипотетических ситуациях, что не всегда возможно при численном исследовании. Дана теоретичес -кая интерпретация аномального поведения характеристик вблизи границы кипения. Определено условие опрокидывания кинемати -ческих волн объемного паросодержания при выводе которого получен безразмерный комплекс М* = (9?/?ГО). Если М*>1 ,

то происходит пересечение характеристических линий , если М*<1- то пересечения не наблюдается.

Сравнительный анализ результатов расчета по более полной модели, разработанной сотрудниками СЭИ Борчевкиным И.С. и Заповым В.А., и настоящей модели показал качественное совпадение расчетов при малых течах, когда массовая скорость на входе меняется в диапазоне (+2500 —500) кг/м^с (рис.5). Для случая больших течэй (+2500 —6000) кг/г^с наблюдается существенное различие, обусловленное завышенной оценкой скорости парообразования в модели "Реверс". При расчете численной модели пересечения или слияния характеристик не наблюдалось, гак как подобная ситуация была полностью исклю -чваа с помощью корректировки разбиения интервала по времени и, таким образом, области аномального повэдения траекторий частиц выпали из рассмотрения.

Для сравнения с результатами экспериментов, проведенных на ВТК в СЭИ потребовалась дальнейшая обработка последних, которая заключалась в поиске зависимости объемного паросодер-

фмкюц и

а)

ем

б)

• ♦ Ыш.-ГжкГ —в—МАа.Р! - • Д- - 20 и, Таии " —*—2>За,Р]

Ж »»

Рис. 5.Распределение обьеиного паросодержания а) и массовой скорости б) для различных моделей при Wp„=-soo кг/м2; <3 = -790 кВг/м3; Ь = 6,33ы ; а=0,11н; ■У/ро = 2500 кг/м2; Д1вед = 157 кДж/кг

жания от времени при различных положениях 7- счетчиков по длине канала в период начального развития переходного процесса при разгерметизации входного тракта.В результате обработки экспериментальных данных оказалось, что в начальной стадии обьемное паросодержание с удовлетворительной точностью подчиняется следующему закону

Ф з <р0 + 1 1 (1-фО), (б)

где фО = ф(т=0), I - функция, аналогичная скорости генерации пара. Для сравнения с расчетом использовались данные четырех выборочных экспериментов, отличаюащхся друг от друга степенью и видом разгерметизации, величиной недогрева и начального расхода жидкости на входе канала. Сравнительный анализ показал качественное согласие между расчетными и эксперимеяталь -ными данными по распределению обьемного паросодержания по длине канала как в стационарном , так и в нестационарном режимах. На рис.6 показано сравнение результатов расчета по модели "Ровере" распределения обьемного паросодержания с результатами одного из экспериментов.

Отмечено, что расчет по модели "Реверс" дает завышенные зна -чения объемного паросодержания и зависящих от него, парамет -ров потока, вследствие завышенной оценки скорости генерации пара те.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ..

1. Предложена численно - аналитическая модель, посвященная исследованию нестационарных тэплогидравлических процессов при разгерметизации горизонтального парогенерирущего канала, которая позволяет провести оперативный качественный анализ развития и последствий исследуемой аварийной ситуации.

2. Теоретически обоснована гипотеза, согласно которой при

Длина гаша, м

а)

•• ♦ - ЭоспвДОд —а— №н9Ш<

■ * • ЗнпеИ/Л/ —хт-Ъо*. -ж- ЭспгЭДл —Рам.г£5м

6)

Рис.б Распределение исгннного обьеыного паросодержания в эксперименте № 8 ; а - стационарный режим; б - нестационарный режим;частичная разгерметизация - Б*/^! = 0.03

разрыве на входе канала с недогрэтым до кипения теплоносите -лем происходит возникновение трехкратного реверса расхода, при достаточно высоких степенях разгерметизации.

3. Установлено, что при наличии необогреваемого участка на входе канала происходит существенное усложнение картины течения реверсированного двухфазного потока, вследствие возникновения дополнительной фиксированной границы. На этой границе происходит скачкообразное уменьшение объемного паро -содержания и при определенных условиях модель становится неприемлемой .

4. Показано, что в режиме большой течи наблюдается аномальное поведение, (пересечение) характеристических линий в области, прилегающей к границе кипения. Дано объяснение механизма возникновения аномального,поведения характеристических линий в рамках теории кинематических волн.

5. Обнаружено, что в области аномального поведения характеристик с ростом степени разгерметизации происходит увеличение числа пересекающихся траекторий. Каждому пересечению траек -торий соответствует образование ударной кинематической волны объемного паросодержания. В результате слияния образовываю -щихся ударных кинематических волн формируется движущаяся линяя слияния разрывов функции ср. Область аномального поведения, прилегающую к границе кипения можно трактовать как место локального торможения реверсированного двухфазного потока.

Основные результаты диссертации опубликованы в статьях: 1 .Шангареева Е.Ю. Исследование характеристик двухфазного потока при разрыве парогенерирущего канала.//Матер. Всес. конф. " Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазоданамики",(Новосибирск,март,1985).-Новосибирск, 1985.

-С.246-251.

2.Борчевкин B.C., Шангареева Е.Ю. Аналитическое исследование динамики двухфазного потока при разрыве парогенерирущего канале.// Матер. Мезд. семинара " Теплофизичвские аспекты безопасности ВВЭР".- Обнинск,1990.-Т.2.-С. 162-166.

3.Шангареева Е.Ю. Аналитическое исследование двухфазного потока при переменном скольжении в случае разрыва паро -генерирующего канала//Сибирский ©ТЖ.-1992.-Вып.4.-С.136-139.

4.Шангареева Е.Ю. Локальное торможение реверсированного двухфазного потока при истечении недогретого теплоноси -теля из парогенерирукщего канала.//Матер.II Минского Межд. форума по ТМО.-Минск,1992. -Т.4.-Ч. 1.-С.146-149. Б-Shangareeva I.Yu. Analytical study on the unsteady two -phase flow at the destruction of a steam - generating chan -nal//Russian J.of Eng.Ihermopbysics.-l993.-V.3.-N 1.-P.41-48. 6.Shangareeva E.Yu. Study on the unsteady two-phase flow at the destruction of a steam - generating channal// ELF ANTAE: Centre de recherche de Solalze.-Prance, 1995.