Применение обобщенного преобразования Прандтля-Мизеса для решения задач теплогидравлического расчета активных зон ядерных реакторов

Рис.23. Распределение относительных температур по высоте однородной модельной сборки: расчетная плоскость 1-1-

Рис.24. Распределение относительных подогревов по высоте неоднородной модельной сборки: расчетная плоскость 1-1

Рис.25. Сравнение численного и аналитического решений. Расчетная плоскость 1-1-

Рис.26. Сравнение численного и аналитического решений. Расчетная плоскость 2-2

Результаты сравнения данных эксперимента с численным и приближенным аналитическим решениями показаны на рис. 20 и 21. Как видно сравнение результатов расчета с помощью приближенного аналитического решения, численного расчета и данных опытов показали их хорошее согласие.

Заключение

Сформулированы основные выводы и практические результаты, полученные в диссертации.

1. Предложена струйная методика расчета теплогидравлических характеристик активных зон ядерных энергетических установок. Методика основана на применении приближения пограничного слоя и представлении течения в активной зоне в виде системы коаксиальных турбулентных струй в условиях квазисвободного смешения. Использование такого подхода позволяет рассчитывать локальные характеристики теплоносителя в любой точке активной зоны и определять температуры топлива, газового зазора и оболочек твэл для бесчехловых (неочехленных) ТВС.

2. Методика занимает промежуточное положение между методом локальных параметров и моделью пористого тела. Вся активная зона представляется сплошной средой и для описания движения теплоносителя используются метод локальных параметров; воздействие твэльного пучка и дистанционирующих решеток на поток учитывается только в местах их расположения за счет действия сил трения и сил сопротивления давления, которые находятся по известным зависимостям или берутся из эксперимента.

3. Разработанная методика позволяет проводить расчет теплогидравлики активных зон с учетом динамической и тепловой неравновесность фаз. Основа предложенной методики - обобщенное на случай многофазных и гетерогенных потоков преобразование переменных Прандтля - Мизеса. Физическая постановка задачи осуществлялась в рамках модели взаимопроникающих континуумов; исходные уравнения движения, неразрывности и энергии записывались для каждой из составляющих смеси отдельно. Межфазная динамическая и тепловая неравновесность учитывались влиянием силы сопротивления и наличием теплообмена между фазами. В случае расчета многофазных потоков в уравнения добавляются слагаемые учитывающие процессы конденсации и испарения. Использование обобщенных переменных Прандтля - Мизеса позволило в преобразованной плоскости исключить из рассмотрения коэффициенты турбулентного обмена, значения которых сильно зависят от выбора той или иной модели турбулентности. Введение указанных переменных дало возможность расчетно-экспериментальным путем обосновать выражения для коэффициентов турбулентного переноса и значительно снизить вычислительные затраты при получении численного решения.

4. Предложены и обоснованы выражения для коэффициентов турбулентного обмена в случае движения жидкометаллического, газового, водяного и гетерогенного теплоносителя. Соотношения были получены на основе установления расчетно-экспериментальной связи между преобразованными и физической продольными координатами при сопоставлении результатов расчета в преобразованной плоскости и данных эксперимента в физических координатах. Выражения имеют простую физическую интерпретацию и позволяют, в ряде случаев, учитывать начальную турбулентность потока.

5. На основе предложенной методики были получены численные решения для активной зоны реактора ВВЭР-1000, модельной сборки реактора БРЕСТ-ОД-300, модельной сборки реактора ВВЭР с частичной блокировкой проходного сечения и гетерогенной струйной мишени с протекающими в ней ядерно-физическими реакциями. Расчеты проводились на основе данных СВРК действующих энергоблоков с ВВЭР-1000, экспериментальных данных ГНЦ РФ-ФЭИ и данных National Nuclear Corporation (Великобритания). Решения получены для скорости движения и температуры теплоносителя. Для случая гетерогенного потока решения получены для концентрации примеси, скоростей и температур обеих фаз с учетом межфазного теплового, и динамического взаимодействия. Методики расчета модельных сборок, активной зоны реактора ВВЭР-1000 и гетерогенной струйной мишени реализованы в комплексе программ на ЭВМ.

6. Предлагаемая методика, кроме численного решения, позволила в большинстве случаев получить приближенное аналитическое решение. При решении всех задач использовалась линеаризация диффузионных слагаемых в преобразованных уравнениях. Решение находилось либо с использование преобразования Лапласа, либо методом разделения переменных. При расчете гетерогенной струи использовалось интегральное преобразование, ядро которого найдено из решения характеристического уравнения и учитывало структуру уравнений. Решение для скоростей и температур в модельной сборке реактора БРЕСТ-ОД-300 найдено в замкнутой аналитической форме. При расчете гетерогенной струи для скоростей и температур обеих фаз, получены приближенные аналитические решения, а распределение концентрации твердой фазы найдено в замкнутой аналитической форме. Сравнение результатов численного расчета и аналитического решения по предлагаемой методике, хорошо согласуется с имеющимися экспериментальными данными и результатами численного расчета.

7. Выполнены вариантные расчеты:

7.1. Распределения температур на выходе из активной зоны реактора ВВЭР-1000 на разных уровнях мощности. Для всех уровней мощности полученные данные находятся в хорошем количественном согласии с данными системы внутриреакторного контроля энергоблоков с ВВЭР-1000 Балаковской и Калининской АЭС;

7.2. Распределения температур вдоль измерительного канала и на выходе из модельной сборки реактора БРЕСТ-ОД-300. Полученные результаты хорошо согласуются с данными эксперимента ГНЦ РФ-ФЭИ, результатами расчета по методу локальных параметров и поканальной методики;

7.3. Распределения скоростей рабочего тела по длине области блокирования в случаях большой, малой и средней блокировок, а так же соседних с блокированными каналов. Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными National Nuclear Corporation и расчетами по программам COBRA-IV и ТЕМПА-1Ф;

7.4. Выхода нейтронов и определены температурные характеристики рабочей камеры мишени. Полученные данные показывают, что выход нейтронов в среднем на два порядка выше по сравнению с дейтериевыми мишенями. Сравнение температурных характеристик рабочей камеры газодисперсной мишени с характеристиками дейтериевой мишени показывает, что диапазоны рабочих температур обеих рабочих камер практически совпадают, причем энергия пучка в нашем случае в три раза выше. Этот результат является следствием лучших теплообменных качеств газодисперсных струй.

8. Предлагаемая методика в силу простоты физической модели течения и возможности получения замкнутых аналитических выражений для всех искомых параметров может быть использована в учебном процессе для выполнения исследовательской работы студентами старших курсов и аспирантами, обучающимися по энергетическим специальностям.

Основные публикации по теме диссертации

1. Е.Ф. Авдеев, С.Л. Дорохович, И.А. Чусов. Тезисы конференции. Ядерная трансмутация долгоживущих радиоактивных изотопов ядерной энергетики. Обнинск, 1-5 июля, -с. 20.,1991.

2. E.F. Avdeev, S.L. Dorochovich, I.A. Chusov. The Calculation of Neutron Generator Gas-Powder Target. Obninsk., July 15., Nuclear Transmutation of Nuclear Power Long-Lived radioactive Waste. p. 44.1993

3. E.F., Avdeev, S.L Dorochovich, I.A. Chusov About the Possibility of Use of Different Types of Target as a Neutron Source for Subcritical Nuclear Reactor Driven by Particle Beam Accelerator. International Conference on Accelerator-Driven Transmutation Technologies and Applications. - Las Vegas., 1994

4. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов. Обоснование выражения для силы межфазного взаимодействия и применимость аналогии Рейнольдса в уравнениях пограничного слоя с мелкодиспергированной твердой фазой. Гидродинамика и тепломассообмен в энергетических установках. Сборник научных трудов №3 кафедры Теплофизика. ИАТЭ, Обнинск, с. 36-51., 1995.

5. Е.Ф. Авдеев, С. Л. Дорохович, И.А. Чусов. Возможные способы организации внешней «подсветки» подкритического реактора. Гидродинамика и тепломассообмен в энергетических установках. Сборник научных трудов №3 кафедры Теплофизика. ИАТЭ, Обнинск, с. 27-36., 1995.

6. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов. Расчет неизотермической газодисперсной струи на основе обобщенных переменных Прандтля-Мизеса. Гидродинамика и тепломассообмен в энергетических установках. Сборник научных трудов N3 кафедры Теплофизика. ИАТЭ, Обнинск, с. 52-66., 1995.

7. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов. Расчет турбулентной струи с мелкодиспергированной твердой примесью. Труды 13-ой международной школы по моделям механики сплошной среды. С-Петербург., с. 22-28., 1995.

8. E.F. Avdeev, I.A. Chusov Heat and Mass Exchange in Working Chamber of Neutron Generator With Dynamic Gas-Solid Target. The eighth international conference on emerging nuclear energy system, ICENES 96, p 107-111. 1996.

9. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов. Гидродинамическое и теплофизическое обоснование концепции нейтронного генератора с газодисперсной струйной мишенью. Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. №1, с 52-61. 1997г

10. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов. Расчеты турбулентных струй с мелкодиспергированной примесью. Инженерно-физический журнал. Т. 70, №6. С.919-923., 1997.

11. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов. Тепломассообмен в рабочей камере нейтронного генератора на основе газодисперсной струйной мишени. Труды 2-ой национальной конференции по тепломассообмену. Т.5, 1998., с 141 - 144.

12. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов. Интегральный подход к расчету гидродинамики и температурных полей теплоносителя в реакторах корпусного типа с бесчехловыми ТВС. Труды 2-ой национальной конференции по тепломассообмену. Т.1, 1998., с 139 - 142.

13. И.А. Чусов, Ю.В. Матвейчук. Сравнение некоторых расчетных зависимостей для коэффициентов сопротивления и теплоотдачи сферической частицы. Международный конгресс «Энергетика-3000». Тезисы докладов 12-16 октября 1998г. Обнинск, с.54

14. А.И. Трофимов, С.А. Виноградов, И.А. Чусов, В.И. Белозеров, М.А. Трофимов, А.И. Шевцов. Исследование зависимости температуры стенки технологического канала реактора типа РБМК от величины зазора между ТК и графитовой кладкой. Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. Приложение к №2. с. 71-81. 1999.

15. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов, А.А. Карпенко. Разработка интегрального подхода для расчета тепловых полей и гидродинамики теплоносителя в реакторах корпусного типа с бесчехловыми ТВС. Тезисы докладов. Международный конгресс «Энергетика-3000».16-20 октября 2000 г. стр. 88.

16. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов, А.А. Карпенко. Определение локальной средней температуры поверхности ТВЭЛ на основе интегрального подхода к расчету температурного поля теплоносителя в реакторах корпусного типа с бесчехловыми ТВС. 13-ая Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. Физические основы экспериментального и математического моделирования -процессов газодинамики и теплообмена в энергетических установках. 2001. Т.2., с.473-475.

17. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов, А.А. Карпенко. Определение температуры поверхности ТВЭЛ на основе интегрального подхода к расчету температурного поля теплоносителя в реакторах корпусного типа с бесчехловыми ТВС. Отраслевая конференция Теплофизика 2001. Теплогидравлические коды для энергетических реакторов (разработка и верификация). Тезисы докладов. Обниск 29-31 мая. стр 251. 2001

18. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов, А.А. Карпенко. Определение коэффициентов турбулентного обмена в реакторах корпусного типа с бесчехловыми ТВС на основе интегрального подхода к расчету температурного поля теплоносителя. Восьмой всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Пермь. 23-29 августа 2001., стр 20-21.

19. Е.Ф., Авдеев, И.А. Чусов, В.А.Левченко Экспериментальное исследование гидравлических характеристик модифицированной ТВС реактора РБМК-1000. Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. №3. Стр 69-81, 2005

20. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов, А.А. Карпенко. Интегральная модель расчета теплогидравлических параметров теплоносителя в активной зоне реакторов корпусного типа с неочехленными ТВС. Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. №3. Стр 79-89, 2004

21. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов, А.А. Карпенко. Определение коэффициентов турбулентного обмена при расчете полей скорости и температуры в модельной сборке реактора БРЕСТ-ОД-30. Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. №3. Стр 90-99, 2004.

22. Ю.С. Юрьев, И.А. Чусов, Ю.Д. Левченко, А.А. Казанцев, И.Н. Леонов Влияние отклонений геометрии тракта двухпетлевой гидравлической модели на неопределенность общего коэффициента гидросопротивления. Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. №3, с 81-86., 2005.

23. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов, В.А. Левченко, Ю.Д. Левченко, Ю.С. Юрьев Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления модели корпусного реактора. Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. №4. Стр 77-85, 2005.

24. И.А. Чусов, В.А. Саркисов, Ю.С. Юрьев, Д.В. Зайцев Численное моделирование распределения скорости и давления воды в проточной части модели реактора. Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. №3, с 91-100. 2007.

25. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов, А.А. Карпенко. Расчет гидродинамики теплоносителя при частичной блокировке проходного сечения ТВС. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР. Сборник тезисов. 26-29 мая 2009.

26. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов, А.А. Карпенко. Верификация струйной модели течения теплоносителя для расчета активной зоны водо-водяного реактора. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР. Сборник тезисов. 26-29 мая 2009, с 34.

27. И.А. Чусов, В.А. Саркисов, А.П. Лубенский, Ю.С. Юрьев, Д.В. Зайцев. Численный анализ влияния малых геометрических искажений проточной части гидромодели на распределения расходов в рабочих каналах корпусного реактора. Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. №3, с 101-107. 2007.

28. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов, А.А Карпенко Метод расчета теплогидравлических параметров теплоносителя в активной зоне ядерных реакторов с беcчехловыми ТВС. Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. №2, с 115-124. 2010.

29. Е.Ф. Авдеев, И.А. Чусов, А.А Карпенко Верификация струйной методики расчета гидродинамики активной зоны реакторов типа ВВЭР с бесчехловыми ТВС при блокировке их проходного сечения. Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. №2, с 104-114. 2010.

Размещено на Allbest.ru