Численное моделирование гидродинамики и теплообмена активной зоны реактора ВВЭР-1000 по модели пористой среды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Бочарова, Екатерина Васильевна

• Бочарова, Екатерина Васильевна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бочарова, Екатерина Васильевна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование гидродинамики и теплообмена активной зоны реактора ВВЭР-1000 по модели пористой среды»

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.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Бочарова, Екатерина Васильевна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бочарова, Екатерина Васильевна, 2010 год

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.