CFD-расчет поля скорости теплоносителя во фрагменте ТВС реактора плавучей АЭС

По результатам расчетов значение суммарного коэффициента перемешивания для ячейки около НК оказалось на ~20% ниже, чем для стандартной ячейки.

Полученные результаты являются базой данных при расчетах теплотехнической надежности активных зон реакторов типа PWR.

Список литературы

1. Бородин С.С., Дмитриев С.М., Легчанов М.А. и др. Экспериментальные исследования локального массообмена теплоносителя в ТВС-КВАДРАТ реакторов типа PWR. // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева № 3, 2010г., Нижний Новгород.

CFD-РАСЧЕТ ПОЛЯ СКОРОСТИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

ВО ФРАГМЕНТЕ ТВС РЕАКТОРА ПЛАВУЧЕЙ АЭС

1 2 Добров А.А. , Синицына Е.Н.

1 Доброе Александр Алексеевич - старший преподаватель, кафедра ядерных реакторов и энергетических установок;

2Синицына Екатерина Николаевна - бакалавр, кафедра биоинженерии и ядерной медицины, Институт ядерной энергетики и технической физики, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,

г. Нижний Новгород

Аннотация: в статье приведены результаты компьютерного моделирования трехмерного поля скорости теплоносителя в модели фрагмента тепловыделяющей сборки реактора для плавучей АЭС.

Ключевые слова: АЭС, ядерный реактор, теплоноситель, вычислительная гидродинамика.

Современные компьютерные технологии позволяют интенсивно развиваться методам вычислительной гидродинамики (CFD - Computational Fluid Dynamics). Одним из важных направлений применения CFD программ является моделирование пространственных теплогидравлических процессов в активных зонах (АЗ) ядерных энергетических установок (ЯЭУ). Это связано с возможностью использования результатов CFD-моделирования при проведении детальных теплогидравлических расчетов АЗ и её элементов в ходе проектирования новых и модернизации существующих ЯЭУ.

В настоящее время прямой тепловой и гидравлический расчет АЗ с использованием CFD программ практически невозможен. Данная проблема связана с необходимостью построения в подобных областях расчетной сетки, состоящей из десятков, а иногда и сотен миллиардов контрольных объемов, что сложно реализуемо даже на самых мощных суперкомпьютерах. В связи с этим инженерный уровень определения теплогидравлических характеристик АЗ основан на использовании поячейковых (поканальных) методик.

Поячейковый подход предполагает представление проточной части тепловыделяющей сборки (ТВС) в виде системы параллельных каналов (ячеек), разделенных по высоте на расчетные участки, для каждого из которых решается система уравнений сохранения массы, импульса и энергии теплоносителя в одномерном приближении. Поячейковые программы позволяют проводить расчеты теплогидравлики АЗ за приемлемое время на персональных компьютерах.

Поканальная методика во многом полагается на экспериментально полученные замыкающие соотношения (коэффициенты гидравлических потерь на трение и местные сопротивления, коэффициенты теплоотдачи, турбулентного обмена и т.д.). При разработке новых конструкций ТВС и ее элементов зачастую отсутствует информация, необходимая для определения замыкающих соотношений, и, как следствие, возникает необходимость в дополнительных исследованиях.

Альтернативой такому подходу может быть использование CFD-кодов для получения замыкающих соотношений, а также для доработки и расширения моделей, заложенных в поячейковые программы.

В данной работе приводятся результаты трехмерного CFD-моделирования течения теплоносителя за дистанционирующей решеткой (ДР) во фрагменте модели ТВС реактора КЛТ-40С.

В качестве верификационной базы проводимых расчетных исследований были использованы результаты эксперимента, полученные на аэродинамическом стенде в НГТУ им. Р.Е. Алексеева [1].

Расчетная область представляла собой сектор ТВС (фрагмент 1/6 части сечения) с установленной ДР, построенная в CAD-программе.

Рис. 1. Общий вид расчетной области

В сеточном генераторе ICEM CFD строилась расчетная сетка, соответствующая требованиям модели турбулентности SST. Параметры сетки сведены в таблицу 1. На боковых границах фрагмента задавались условия стенки и периодические граничные условия.

Таблица 1. Параметры расчетной сетки

Максимальный поперечный размер элемента, мм Размер элемента вдоль оси модели, мм Минимальный размер элемента погранслоя, мм Параметр + y Общее число элементов

2 2-10 0,05 (10 слоев) 3-5 11,5 млн

При CFD-моделировании были воспроизведены условия физического эксперимента. Для решения задачи использовались зарубежные CFD-коды Ansys CFX 14.0, Ansys Fluent 14.0 и отечественный программный комплекс (ПК) ЛОГОС, разработки РФЯЦ-ВНИИЭФ.

Обоснование представительности проводимых расчетов проводилось на основе сравнения расчетных и экспериментальных данных по общему КГС ДР (таблица 2, Д£ - отклонения от эксперимента, %) а также по распределению осевой скорости по ячейкам экспериментальной модели (рис. 2).

Эксперимент CFX Fluent ЛОГОС

КГС (5) 5 Д5,% 5 Д5,% 5 Д5,%

0,29±0,02 0,302 4,1 0,320 10,4 0,312 7,6

45.00 40.00

Ü

gf 35.00

.а н и о

а 30.00 ¡6 и

25.00 20.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

№ ячейки

В ЛОГОС  CFX  Fluent  Эксперимент

Рис. 2. Сравнение результатов CFD-расчетов и эксперимента

Результаты CFD расчетов показали высокую эффективность используемых программ. Среднеквадратичные отклонения значений скоростей по ячейкам от экспериментальных составили для CFX - 4,6%, для FLUENT - 6,0%, для ЛОГОС -5,6%.

Результаты CFD-моделирования позволили исследовать влияние дистанционирующей решетки на распределение гидродинамических характеристик теплоносителя и определить коэффициент гидравлического сопротивления ДР. Все три рассмотренные CFD-пакета показали высокую эффективность при решении задачи и удовлетворительную для инженерных расчетов точность как по коэффициенту гидравлического сопротивления ДР, так и по определению осевых скоростей в ячейках модели.

Список литературы

1. Дмитриев С.М. и др. Экспериментальные и расчетные исследования гидродинамики и массообмена потока теплоносителя в модели ТВС реактора КЛТ-40С. Научно-технический вестник Поволжья. № 3, 2013. С. 114-119.