Создание и верификация объединенного комплекса программ КОРСАР/ГП-ЛОГОС в обеспечение 3D-моделирования сопряженных нейтронно-физических и теплогидравлических процессов ВВЭР

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОЗДАНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ ОБЪЕДИНЕННОГО КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ КОРСАР/ГП-ЛОГОС В ОБЕСПЕЧЕНИЕ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ СОПРЯЖЕННЫХ НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИХ И ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВВЭР

Ю.А. Мигров, В.Г. Коротаев, С.Н. Румянцев

А.А. Деулин, Н.В. Тарасова

М.А. Быков, В.В. Мохов, О.В. Кудрявцев

Введение

В настоящее время системные одномерные теплогидравлические коды улучшенной оценки занимают ведущее место в расчетном обосновании безопасности АЭС с ВВЭР. Одним из их уязвимых мест является корректность описания потока теплоносителя в больших объемам в случаях, когда ролью пространственных эффектов пренебречь нельзя. В частности, при проведении расчетов режимов реакторных установок с ВВЭР с несимметричной работой оборудования петель существенное значение имеют процессы перемешивания теплоносителя в напорной камере реактора (НКР). Учитывая, что в последнее время достаточно хорошо освоен подход к моделированию нейтронно-физических и теплогидравлических процессов в активных зонах ВВЭР в трехмерной сопряженной постановке (НФТГ/3D), упрощенное описание теплогидравлических процессов в НКР снижает возможный уровень обоснованности результатов расчета упомянутых режимов. Использование же в инженерных расчетах полностью трехмерных моделей на основе CFD-кодов в силу ряда причин в настоящее время невозможно. Поэтому представляется естественным попытаться объединить преимущества системного и CFD-кодов, сохранив большую часть модели одномерной и моделируя в трехмерном приближении только отдельные элементы оборудования, в которых необходимо учитывать пространственную неодномерность течения.

Принципы объединения одномерного и трехмерного кодов

Объединение в рамках единого программного комплекса одномерного и трехмерного кодов возможно на основе одного из следующих подходов:

а) объединение матриц уравнения для давления;

б) преобразование системы уравнений для давления одномерного кода;

в) итерационный.

Первый вариант (а) базируется на объединении матриц линейных конечно-разностных уравнений для расчета поля давления во всей расчетной области. Матрица и вектор-столбец правых частей системы уравнений одномерного кода передаются в CFD-код, где итерационно решается совместная система уравнений для нахождения поля давления. В одномерный код передаются рассчитанные в 3D-коде давления в контрольных объемах и скорости жидкости на граничных гранях. Недостатком этого варианта может быть плохая сходимость итерационного решения системы вследствие разброса размера ячеек одномерного и трехмерного кодов.

Второй вариант (б) предлагается в работе [1]. Этот вариант основан на комбинировании уравнений исходной системы одномерного кода с тем, чтобы получить линейную зависимость давления в граничной ячейке от скорости жидкости на граничной грани. В трехмерный код посылаются коэффициенты этой зависимости для контрольных объемов, примыкающих к граничным граням, на основе которых, наряду с трехмерным полем давлений, рассчитываются давления и скорости для граничных ячеек одномерного кода. Эти значения направляются в одномерный код, где на их основе определяются остальные теплогидравлические параметры кода. Недостатком этого подхода является необходимость существенных затрат на глубокую переработку программных реализаций обоих кодов.

В третьем варианте (в) предполагается независимая работа обоих кодов с обменом параметрами на границах между расчетными областями кодов в рамках итерационной процедуры. При этом выделяются два типа границ: "расход" и "давление". Если в одном коде объявляется граница типа "расход", он обязан передавать другому коду значения расхода или средней скорости на границе, а также значения скалярных величин, переносимых потоком, - энтальпии (температуры), концентрации растворенных веществ и т.п., - усредненные по граничной области. Если в коде объявлена граница типа "давление", соседнему коду передается давление, усредненное по граничной области. К недостаткам метода относится возможность плохой сходимости итераций в случае относительной "жесткости" связей.

Разработка объединенного программного комплекса КОРСАР/ГП - ЛОГОС

В рамках единого программного комплекса объединяются теплогидравлический расчетный код (РК) КОРСАР/ГП [2] и расчетный код ЛОГОС разработки ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ". Расчет нейтронной кинетики в трехмерном пространственном приближении в коде КОРСАР/ГП производится с помощью программного блока КАРТА с константным обеспечением на основе комплекса программ САПФИР_95&RC_ВВЭР [3]. Объединение кодов осуществляется на основе итерационного подхода, с обменом граничными параметрами посредством программных средств SMM разработки ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", использующих библиотеку Open MP. В процессе объединения программ КОРСАР/ГП и ЛОГОС разработан и программно реализован интерфейс кодов, основанный на стандартизированном наименовании граничных областей.

Областью применения объединенного программного комплекса (ОПК) КОРСАР/ГП - ЛОГОС является численное моделирование взаимосвязанных нестационарных нейтронно-физических и теплогидравлических процессов в элементах оборудования реакторных установок и других систем энергоблоков АЭС с ВВЭР в переходных режимах с однофазным теплоносителем в напорной камере реактора.

Верификация ОПК КОРСАР/ГП - ЛОГОС

При проверке функционирования комплекса программ необходимо верифицировать составляющие комплекса, как в отдельности, так и при их совместной работе. Расчетный код КОРСАР/ГП верифицирован в области расчетов в обоснование безопасности реакторных установок с ВВЭР на этапе, предшествующем аттестации кода в Ростехнадзоре РФ. С помощью расчетного кода ЛОГОС выполнены верификационные расчеты экспериментов на четырехпетлевом стенде ОКБ "ГИДРОПРЕСС" [4].

Для иллюстрации совместного функционирования кодов КОРСАР/ГП и ЛОГОС выбран режим с разрывом паропровода одного из парогенераторов реакторной установки с ВВЭР-1000. В исходном состоянии установка работает на номинальных параметрах. Разрыв паропровода одного из парогенераторов приводит к резкому снижению давления в связанном с ним парогенераторе. Вызванное этим увеличение теплосъема в парогенераторе приводит к захолаживанию теплоносителя, поступающего в реактор из "холодной" нитки соответствующей петли. Расчетный сценарий не предусматривает включения в работу штатных систем регулирования, с тем, чтобы в максимальной степени исследовать свойства активной зоны в условиях поступления холодной воды из аварийного парогенератора в активную зону.

Совместный расчет производится в два этапа. На первом из них с использованием кода КОРСАР/ГП решается полноконтурная задача. При этом в ходе динамического режима фиксируются значения теплогидравлических параметров, - расходов и температур теплоносителя, - на входе в реактор из "холодных" ниток циркуляционных петель, а также значение давления на выходе из активной зоны. На втором этапе формируются две задачи. Первая задача решается кодом КОРСАР/ГП и описывает активную зону реактора в граничных условиях: давление на выходе из активной зоны берется из полноконтурного расчета, а расходы на входе тепловыделяющих сборок (ТВС) активной зоны - из расчета второй задачи, которая решается кодом ЛОГОС и описывает напорную камеру реактора (НКР). В объем моделирования НКР кодом ЛОГОС входит пространство реакторного сосуда от входных патрубков до входа в ТВС активной зоны. Задача решается также в граничных условиях: на входе в патрубки задаются значения расходов и температур теплоносителя, зафиксированные в полноконтурном расчете, значения давлений на входе в ТВС код ЛОГОС получает из решающейся параллельно задачи кода КОРСАР/ГП. Расчетные области кодов ЛОГОС и КОРСАР/ГП в совместном расчете показаны на рис. 1.

а) ЛОГОС (НКР) б) КОРСАР/ГП (а.з.)

Рис. 1 Расчетные области кодов ЛОГОС и КОРСАР/ГП в совместном расчете

код теплогидравлический логос корсар

Модель НКР в полноконтурной задаче представлена набором ячеек каналов, гидравлически связанных друг с другом посредством дополнительных поперечных соединений. На рис. 2 приведен фрагмент нодализационной схемы задачи, описывающий напорную камеру реактора. Каналы ch1...ch42 моделируют опускной участок; модель нижней смесительной камеры образована нижними ячейками каналов, продолжения которых моделируют проточные части ТВС. Каналы ch15001... ch15004 описывают холодные нитки циркуляционных петель; "аварийным" является канал ch15002.

Рис. 2 КОРСАР/ГП. Нодализационная схема напорной камеры реактора

Нодализационная схема НКР в коде ЛОГОС воспроизводит относительное расположение входных патрубков реактора и входов в ТВС активной зоны (рис. 3). Полное число расчетных ячеек в модели - около 2,5•10⁶.

Рис. 3 ЛОГОС. Нодализационная схема напорной камеры реактора (вид сверху)

Активная зона реактора в коде КОРСАР/ГП и в полноконтурной, и в совместной задачах моделируется одинаковым образом. Расчет нейтронной кинетики производится с помощью трехмерной пространственной модели, в части описания проточных частей ТВС используется поканальная модель, с поперечными гидравлическими связями ячеек составляющих ее каналов друг с другом.

Расчет режима с использованием ОПК КОРСАР/ГП - ЛОГОС проводится в следующей последовательности. Сначала задаваемые граничные параметры в обеих задачах, а также мощность реактора, выводятся на значения, соответствующие исходным для рассматриваемого режима. Затем, в соответствии с технологией проведения НФТГ/3D расчетов в коде КОРСАР/ГП, при фиксированной суммарной мощности активной зоны реактора "включаются" обратные связи нейтронной кинетики по теплогидравлическим параметрам. После установления взаимоувязанных распределений энерговыделения и параметров теплогидравлики код КОРСАР/ГП "вывешивает" флаг, извещающий о достижении статического состояния и о переходе к расчету нестационарных диффузионных уравнений переноса нейтронов. С этого момента начинается зарегистрированное в полноконтурном расчете изменение граничных параметров, как для задачи кода ЛОГОС, так и для задачи кода КОРСАР/ГП. Поскольку в модели кода ЛОГОС использовались граничные условия по расходу, для ускорения получения результатов расчет проводился без применения итераций.

Результаты совместного расчета кодов КОРСАР/ГП и ЛОГОС в сравнении с результатами полноконтурного расчета представлены на рис. 4...15. На рисунках приведены картограммы распределений по кассетам активной зоны средней температуры теплоносителя, мощности и входной скорости теплоносителя в исходном для режима состоянии, а также отклонения этих параметров от исходных значений в различные моменты времени переходного процесса. На картограммах исходных значений верхнее число относится к совместному расчету, среднее - к полноконтурному, нижнее показывает различие результатов в процентах.

Рис. 4 Средняя температура теплоносителя в ТВС (исходные значения, ^оС)

Рис. 5 Относительная мощность ТВС (исходные значения, %)

Рис. 6 Расход теплоносителя на входе в ТВС (исходные значения, кг/с)

а) совместный расчет б) полноконтурный расчет

Рис. 7 Средняя температура теплоносителя в ТВС. Отклонения (^оС) от исходных значений ( = 8 с)

а) совместный расчет б) полноконтурный расчет

Рис. 8 Мощность ТВС. Отклонения (кВт) от исходных значений ( = 8 с)

а) совместный расчет б) полноконтурный расчет

Рис. 9 Расход теплоносителя на входе в ТВС. Отклонения (кг/с ) от исходных значений ( = 8 с)

а) совместный расчет б) полноконтурный расчет

Рис. 10 Средняя температура теплоносителя в ТВС. Отклонения (^оС) от исходных значений ( = 16 с)

а) совместный расчет б) полноконтурный расчет

Рис. 11 Мощность ТВС. Отклонения (кВт) от исходных значений ( = 16 с)

а) совместный расчет б) полноконтурный расчет

Рис. 12 Расход теплоносителя на входе в ТВС. Отклонения (кг/с ) от исходных значений ( = 16 с)

а) совместный расчет б) полноконтурный расчет

Рис. 13 Средняя температура теплоносителя в ТВС. Отклонения (^оС) от исходных значений ( = 19,5 с)

а) совместный расчет б) полноконтурный расчет

Рис. 14 Мощность ТВС. Отклонения (кВт) от исходных значений ( = 19,5 с)

а) совместный расчет б) полноконтурный расчет

Рис. 15 Расход теплоносителя на входе в ТВС. Отклонения (кг/с ) от исходных значений ( = 19,5 с)

Анализ картограмм распределения параметров показывает, что основные отличия результатов совместного и полноконтурного расчетов проявляются в распределении расходов теплоносителя на входе в ТВС. Причиной этого является неустойчивый характер поведения этих расходов в совместной модели. В качестве примера на рис. 16 приведены графики изменения расходов на входе в ТВС 68 и 96.

а) ТВС 68 б) ТВС 96

Рис. 16 Изменение расход теплоносителя на входе в ТВС

На следующих этапах тестирования и верификации комплекса предполагается исследовать зависимость устойчивости результатов расчета от наличия и параметров межкодовых итераций.

Заключение

Разработан программный комплекс, объединяющий одномерный системный теплогидравлический расчетный код КОРСАР/ГП, включающий пространственную модель нейтронной кинетики, и трехмерный код CFD-класса ЛОГОС. Проведено тестирование объединенного программного комплекса КОРСАР/ГП - ЛОГОС на примере аварийного режима с разрывом паропровода парогенератора реакторной установки с реактором типа ВВЭР-1000.

Список литературы

1. Weaver W., Tomlinson E., Aumiller D. A generic semi-implicit coupling methodology for use in RELAP-3D // Nuclear Engineering and Design. 2002. Vol. 211. p. 13-26.

2. Программный комплекс КОРСАР/ГП. - Аттестационный паспорт ПС №263 от 23.09.2009.

3. Комплекс программ САПФИР_ВВР95-RC с библиотекой констант БНАБ_78/С_95. - Аттестационный паспорт ПС № 261 от 23.09.2009.

4. Верификация пакета программ ЛОГОС по результатам экспериментов на 4-х петлевом стенде ОАО ОКБ "ГИДРОПРЕСС" для моделирования камеры смешения РУ ВВЭР. - Сб. тезисов докладов XIV международная конференция "Супервычисления и математическое моделирование", 1-5 октября 2012, г. Саров, стр127.

Размещено на Allbest.ru