Актуальные задачи развития экспериментальной базы для верификации CFD кодов при использовании в атомной энергетике

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

УДК 621.039.577

М.А. Большухин, А.В. Будников, Д.Н. Свешников, В.И.Фомичев, В.П. Крепков

АКТУАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ РАЗВИТИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БАЗЫ ДЛЯ ВЕРИФИКАЦИИ CFD КОДОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

ОАО «ОКБМ им. И.И. Африкантова» Цель: Разработка технологии CFD кодов для описания неизотермических потоков.

Методология / подход: Применение запатентованной технологии тепловизора для измерения температуры использования в поле течения.

Результаты: Технология позволяет качественно оценивать нестационарные поля температур и воспроизводить пульсации температуры в потоке с частотой до ~ 5 Гц. Описаны результаты проведенных экспериментов, которые были получены с помощью CFD кодов. Показано, что обеспечивается правильное воспроизведение температуры поля формы и спектра температура пульсации с частотой до 2 Гц ~. Применение: Адаптация и верификация CFD кодов.

Оригинальность / значение: Технология позволяет значительно улучшить качество проектов атомной энергетики, сократить сроки и затраты за счет уменьшения экспериментальной стадии проекта.

Ключевые слова: вычислительная гидродинамика, смешение потоков, ядерная энергетика, экспериментальные установки, тепловизор.

Развитие знаний о физических явлениях, появление новых теорий и инструментов аналитического анализа этих явлений всегда предопределяют необходимость постановки и проведения новых экспериментальных исследований. Развитие и взаимное влияние методов аналитического анализа и эксперимента - основой метода научного познания. Современные условия характеризуются появлением большого количества методов и систем измерений, основанных на совершенно новых принципах (например, использование лазеров для измерения трехмерных полей температур и скоростей, тепловизоров для измерения поля температур поверхности), что существенно расширяет возможности измерений. Это дает экспериментатору возможность постановки и проведения ранее невозможных исследований, направленных на формирование знаний, востребованных в науке и технике.

Одним из бурно развивающихся в настоящее время направлений, определяющих требования к новым экспериментальным данным, является задача внедрения и использования программ вычислительной гидродинамики (CFD) для целей анализа и обоснования объектов использования атомной энергии.

Математические модели и численные методы решения уравнений, используемые в CFD программах, развиваются и используются с конца XIX в., однако активное промышленное использование CFD программ началось только в 70-ых годах прошлого века, вслед за развитием средств вычислительной техники. Первоначально эти программы использовались в основном в авиации и автомобилестроении. Их применение позволило существенно сократить объем экспериментальных исследований, заменив «продувку» конструкций численным расчетом. Из этого направления программы и получили свое название - «вычислительная

© Большухин М.А., Будников А.В., Свешников Д.Н., Фомичев В.И., Крепков В.П., 2012.

гидродинамика», отражающее их преимущественное применение к описанию изотермических течений.

Вследствие дальнейшего развития программ вычислительной гидродинамики и вычислительной техники (надо сказать, что эти два направления чрезвычайно сильно влияют друг на друга) актуальной стала задача использования CFD программ в других инновационных отраслях промышленности, в частности, в атомной энергетике.

Специфика атомной энергетики в высокой актуальности применения CFD программ для описания неизотермических течений, существенно определяющих такие важные характеристики объектов атомной энергетики, как надежность, ресурс, экономичность и безопасность. О перспективности указанного направления свидетельствует и объем его государственной поддержки, координируемой в развитых западных странах такими организациями, как OECD (Организация экономического сотрудничества и развития) и МАГАТЭ.

Важность и необходимость направления хорошо понимается и руководством нашей страны. В частности, решением комиссии при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России от 22.07.2009 одобрен проект создания и внедрения в инновационных отраслях промышленности РФ суперкомпьютерных технологий. В рамках этого проекта выполняются работы по двум базовым направлениям (создание высокопроизводительных многопроцессорных компьютеров и создание вычислительных программ, адаптированных к работе на СуперЭВМ) и по направлению внедрения разрабатываемых технологий в промышленности. Головным исполнителем работ по проекту и исполнителем работ по базовым направлениям проекта является ФГУП «РФЯЦ ВНИИЭФ»

ОАО «ОКБМ им. И.И. Африкантова» является одним из главных исполнителей работ по направлению внедрения суперкомпьютерных технологий в атомной энергетике. Важной задачей этого направления является развитие и внедрение отечественной программы CFD расчета ЛОГОС.

Общей проблемой на пути внедрения CFD в атомной энергетике является практически полное отсутствие представительных экспериментальных данных, необходимых для создания и обоснования технологии применения программ для описания неизотермических течений. Эта проблема актуальна для вновь создаваемой программы ЛОГОС. Для ее решения в ОАО «ОКБМ им. И.И. Африкантова» создана специализированная лаборатория гидродинамических испытаний, выполняющая экспериментальные исследования, представительные с точки зрения адаптации и верификации CFD программ.

В настоящее время в лаборатории гидродинамических испытаний осваивается и применяется технология измерений температурных полей с использованием тепловизора [1]. По этой технологии уже выполнена серия экспериментальных исследований смешения неизотермических потоков в Т-образное соединении.

Модель Т-образного соединения представляет собой соединение двух металлических труб прямоугольного сечения, одна из которых расположена горизонтально, другая - вертикально (рис. 1). Эта модель аналогична моделям, использовавшимся в уже ставших классическими работах [2, 3]. В работе [2] исследуется смешение изотермических потоков, отличающихся концентрацией растворенной примеси. Для измерения концентрации используются сеточные датчики, позволяющие измерить поле концентрации в сечении трубы. В работе [3] измерялись поля скоростей методом лазерного измерения скоростей мелких частиц (PIV) и температур потока в выделенных точках с использованием безинерционных термопар.

Уникальность выполненных исследований заключается в использовании тепловизора для измерения поля температур, что обеспечивает возможность определения и анализа характера распределения температур в потоке. В связи с тем, что тепловизор измеряет температуру внешней поверхности модели, эта поверхность выполнена из специально подобранного материала минимальной технически возможной толщины, обеспечивающего минимальные инерционность и перетечки тепла вдоль поверхности стенки.

Рис. 1. Общий вид экспериментальной модели Т-образного соединения

Длины входных участков модели обеспечивают качественный турбулентный профиль скоростей. В отличие от модели [2], экспериментальная модель Т-образного соединения является плоской, что обеспечивает двумерность течения.

Таким образом, измеряя температуру внешней поверхности экспериментальной модели, мы получаем данные о пространственном и временном распределении температур в потоке.

В качестве примера выполненных исследований на рис. 2 приведены результаты измерения мгновенного поля температур и зависимость температуры в характерной точке экспериментальной модели от времени.

Рис. 2. Результаты эксперимента

Результаты экспериментальных исследований использовались для верификации СББ программ. Сравнение расчетных и экспериментальных данных для одного из экспериментальных режимов представлено на рис. 3. Как видно из приведенных рисунков, имеет место

хорошее качественное и количественное совпадение осредненных (мгновенных) полей температур, полученных в расчете и экспериментально. Можно также отметить удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных частотных спектров вплоть до частот ~ 3-4 Гц. Для более высоких частот расчетная амплитуда пульсаций оказывается существенно ниже экспериментальной. Этот эффект обусловлен недостаточно подробной сеткой, использованной в расчете. Однако, учитывая, что с инженерной точки зрения интерес представляют пульсации с частотами до 1-2 Гц, результаты расчета нестационарного поля температур также могут быть признаны удовлетворительными. Приведенные результаты подтверждают также эффективность примененного метода использования тепловизора для измерения пульсаций температур с частотами вплоть до ~ 5Гц.

Рис. 3. Расчетное

Верификационные расчеты экспериментальных задач, выполненных на геометрически простых моделях, качественно воспроизводящих отдельный физический эффект, являются важным этапом верификации СББ программ.

Ь ПРПШ 11мЯ

а) б)

Рис. 4. Общий вид стенда

Следующий необходимый этап верификации - сопоставление с экспериментальными данными, полученными на экспериментальных установках, воспроизводящих режимные параметры и конструктивные особенности элементов оборудования реакторных установок. Такие эксперименты проводятся в НГТУ им. Р.А. Алексеева по заказу ОАО «ОКБМ им. И.И. Африкантова». В качестве примера можно привести экспериментальные исследования на стенде, моделирующем нестационарные температурные пульсации в коллекторе теплообменника. Общий вид стенда и расчетная модель, используемая в СББ расчете, приведены на рис. 4.

На рис. 5 приведены характерные результаты расчета мгновенного (осредненного) поля температур и сравнения расчетных и экспериментальных частотных спектров. СББ расчеты таких экспериментов выполняются с учетом требований к пространственно-временной дискретизации и используемым моделям турбулентности, формируемым на описанном этапе верификации. Как видно из представленных результатов, хорошее совпадение расчетных и экспериментальных частотных спектров имеет место вплоть до частоты ~ 2 Гц, что является достаточным с инженерной точки зрения.

а)

A, 0C 100 10

0. 0.0 0.00 0.000

1E-(

1E-008

1E-009

1E-0

f, Гц

б)

E-

Рис. 5. Результаты расчета мгновенного поля температур

В ближайшей перспективе ОАО «ОКБМ им. И.И. Африкантова» планирует существенное расширение экспериментальных исследований для формирования экспериментальной базы, используемой при разработке, адаптации и верификации СББ программ. С этой целью в лаборатории реакторной гидродинамики, расположенной в НГТУ им. Р. А. Алексеева, запланированы и уже начаты подготовительные работы по созданию экспериментального стенда мирового уровня, обеспечивающего представительные экспериментальные данные для анализа процессов смешения неизотермических потоков в реакторных установках. Специфическими особенностями разрабатываемого стенда являются высокое потребление мощности (планируется до 1 МВт), высокие требования к возможности использования современных систем измерений в сочетании с возможностью обеспечения параметров среды, близких к натурным, значительные габаритные размеры экспериментальных моделей.

С учетом того, что использование современных систем измерения на стенде обеспечит хорошее качество визуализации экспериментальных данных, стенд будет являться также и ценной учебной базой для подготовки будущих специалистов в области атомной энергетики.

Разработка требований к стенду выполнена ОАО «ОКБМ им. И.И. Африкантова» совместно с НГТУ им. Р. А. Алексеева. На этапе разработки учтен передовой зарубежный опыт создания подобных стендов. В качестве их примера на рис. 6 приведен общий вид стендов ЯОСОМ, (Германия) и УаИеиГаП, (Швеция), предназначенных для исследования процессов смешения в реакторе.

а) б

Рис. 6. Общий вид стендов:

а - ЯОСОМ; б - УайеиГаИ

Планируемый в лаборатории реакторной гидродинамики НГТУ им. Р.А. Алексеева стенд обеспечит экспериментальные данные, необходимые для адаптации и верификации СББ программ. Еще более эти данные будут востребованы при создании в РФ собственных импортозамещающих СББ кодов. Этот стенд будет важным элементом создаваемой новой технологии проектирования, основанной на максимальном использовании предсказательного расчетного моделирования на СуперЭВМ. Многие этапы на пути создания этой технологии уже пройдены, часть из них описаны в этой статье. Многое еще предстоит сделать...

Библиографический список

1. Пат. 112409 РФ, МПКН 04131/38. Устройство для измерения температурного поля газового или жидкостного потока № 200/09; заявл; опубл. 10.01.2012. Бюл. № 23.

2. Zboray, R. Investigations on Mixing Phenomena in Single-phase Flows in a T-Junction Geometry: The 12th Int. Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-12) / R. Zboray [et al.]// Pittsburgh, Pennsylvania (U.S.A). 2007.

3. Westin, J. Thermal Mixing in a T-Junction. Model Tests at Vattenfall research and Development AB 2006. Boundary Conditions and List of Available Data for CFD-Validation: Report Memo U 07-26 // Älvkarleby (Sweden). Vattenfall R&D AB. 2007.

4. Prasser, H.-M. Weiss, Coolant mixing in a Pressurized Water Reactor: Deboration Transients, Steam-Line Breaks, and Emergency Core Cooling Injection / H.-M. Prasser [et al.] // Nuclear Technology. 2003. 143 (1). P. 37.

5. Alavyoon, F. Experimental and Computational Approach to Investigating Rapid Boron Dilution Transients in PWRs: CSNI Specialist Meeting on Boron Dilution Reactivity Transients / F. Alavyoon [et al.] // State College, PA (USA). 1995.

Дата поступления в редакцию 07.02.2012

М.А. Bolshukhin, А.V. Budnikov, D.N. Sveshnikov, D.N. Fomichev, V.P. Krepkov

ACTUAL ISSUES OF EXPERIMENTAL FACILITIES DEVELOPMENT TO VERIFY CFD CODES TO BE USED IN NUCLEAR POWER ENGINEERING

Joint stock company "Afrikantov OKBM" Purpose: To develop a technology of CFD codes usage to describe nonisothermic flows.

Design/methodology/approach: The experimental investigations have been presented which had been obtained applying patented technologies of thermal imager usage to measure temperature field in a flow.

Findings: Technology makes it possible to qualitatively measure a nonstationary field of temperatures and to reproduce temperature pulsations in the flow with frequencies up to ~ 5 Hz. Analysis results of performed experiments have been described which had been obtained using CFD codes; it has been shown that the analysis ensures correct reproducing of temperature field form and temperature pulsation spectrum with frequencies up to ~ 2Hz. Research limitations/implications: Adaptation and verification CFD codes.

Originality/value: The technology usage makes it possible to considerably improve design quality of nuclear power engineering projects that is accompanied by simultaneous reduction of work periods and costs due to reduction of experimental development stage.

Key words: computational fluid dynamics, flow mixing, nuclear power engineering, experimental facilities, thermal imager.