автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Моделирование трехмерных процессов гидродинамики и теплообмена в активной зоне реакторов типа ВВЭР с учетом влияния анизотропии ее структуры на процессы переноса

На правах рукописи

004619623

Маслов Юрий Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В АКТИВНОЙ ЗОНЕ РЕАКТОРОВ ТИПА ВВЭР С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ АНИЗОТРОПИИ ЕЕ СТРУКТУРЫ НА ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА

05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010

004610623

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете "МИФИ"

Научный руководитель: кандидат технических наук, с.н.с.,

Харитонов Владимир Степанович Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

заведующий отделом ИБРАЭ РАН, Семенов В. Н.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник НИЯУ МИФИ, Выговский С.Б. Ведущая организация: ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС»

Защита состоится «21» октября 2010 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.130.04 в НИЯУ МИФИ по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, д.31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ.

Автореферат диссертации разослан « » 2010 г.

/

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенном печатью организации, по адресу НИЯУ МИФИ.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н, профессор ^— Чернов И. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для решения актуальных задач ядерной энергетики, связанных с повышением мощности энергоблоков с ВВЭР-1000, а также с разработкой новых проектов легководных корпусных реакторов, необходимо усовершенствование методик обоснования теплогидравлических характеристик активных зон реакторов.

Активные зоны современных реакторов типа ВВЭР, компонуемые бес-чехловыми тепловыделяющими сборками (TBC), являются существенно анизотропными структурами, в которых создаются условия для поперечной циркуляции теплоносителя. Заметные поперечные перетечки теплоносителя могут вызывать дистанционирующие решетки (ДР), межкассетные зазоры, решеткн-интенсификаторы теплообмена и другие элементы конструкции, приводящие к локальному изменению гидравлического сопротивления. Они могут также проявляться вследствие пространственной неравномерности поля энерговыделения. Влияние поперечных составляющих скорости на тепломассоперенос в активной зоне усиливается при работе реакторной установки на неполном числе главных циркуляционных насосов (ГЦН), когда в потоке теплоносителя начинают преобладать силы естественной конвекции.

В настоящее время реализуется несколько подходов к моделированию тепломассопереноса в активных зонах с бесчехловыми TBC. Существующие коды для анализа теплогидравлики активных зон ядерных реакторов в основном используют так называемую поканальную методику расчета, которая может обоснованно применяться только в случаях, когда поперечный перенос несущественен. Методики расчета на основе модели пористого тела лишены таких ограничений при описании трехмерного тепломассопереноса и рассматриваются как перспективные для расчета течений с произвольной ориентацией потока теплоносителя в TBC. В последнее время в практику гидродинамических расчетов внедряются CFD-коды, с помощью которых рассчитывают распределение локальных скоростей потока с использованием различных моделей турбулентности. Однако для расчета сложных течений CFD-коды требуют значительно больших вычислительных мощностей по сравнению с моделью по-

3

ристого тела и поканальными методиками. При этом необходима проверка достоверности полученных результатов путем сопоставления с экспериментальными данными по локальным характеристикам потока.

Упомянутое выше определяет актуальность разработки эффективного метода моделирования трехмерных процессов тепломассопереноса в активных зонах реакторов типа ВВЭР с использованием модели анизотропного пористого тела, которая позволяет учесть основные физические особенности сложных турбулентных течений в стержневых сборках.

Целью работы являлась разработка в приближении анизотропного пористого тела модели для описания трехмерных процессов гидродинамики и теплообмена в активной зоне реакторов ВВЭР и создание на ее основе программного комплекса ТРЕТОН. Для этого были решены следующие задачи:

- разработан и протестирован двухуровневый алгоритм численного решения задачи гидродинамики и теплообмена в активной зоне;

- разработана методика описания гидравлического сопротивления и отклоняющего воздействия на поток теплоносителя перемешивающей решетки;

- выполнено численное исследование трехмерных теплогидравлических процессов в активной зоне ВВЭР-1000 в эксплуатационных режимах с различными уровнями мощности;

-проведен теплогидравлический анализ вариантов размещения в TBC перемешивающих решеток.

Достоверность результатов обеспечивается детальным анализом исходных данных; использованием апробированных моделей и достоверных замыкающих соотношений, основанных на новых экспериментальных данных по угловому обтеканию стержневых сборок; проведенным тестированием разработанного программного комплекса ТРЕТОН.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана трехмерная математическая модель гидродинамики и теплообмена в активной зоне реакторов типа ВВЭР, учитывающая анизотропию процессов переноса в ориентированных стержневых структурах;

-разработана новая методика описания отклоняющего воздействия и гидравлического сопротивления при обтекании потоком теплоносителя перемешивающих решеток;

- впервые получено аналитическое решение модельной задачи о распределении поля скорости теплоносителя в цилиндрической анизотропной структуре с объемным тепловыделением в условиях совместного действия сил вынужденной и естественной конвекции;

- получены новые данные о трехмерных полях температуры, давления и скорости теплоносителя в активной зоне ВВЭР-1000 в эксплуатационных режимах с различными уровнями мощности.

Практическая значимость работы заключается в реализации разработанной модели расчета процессов тепломассопереноса в активной зоне в программном комплексе ТРЕТОН. Корректный учет в модели трехмерного тепломассообмена в сборках стержневых твэл позволяет обосновать снижение консерватизма при расчетном анализе безопасности эксплуатации реакторных установок.

Полученные в работе результаты представлены для практического использования на предприятиях атомной отрасли - ОАО «Концерн Росэнергоатом», ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС», ОАО ТВЭЛ. Результаты работы внедрены в учебный процесс НИЯУ МИФИ на кафедре теплофизики, включены в учебное пособие.

Основные положения, выносимые на защиту:

- разработанная модель расчета трехмерных процессов гидродинамики и теплообмена в активной зоне реакторов типа ВВЭР, учитывающая влияние анизотропии структуры активной зоны на процессы переноса;

-результаты реализации разработанной модели в программном комплексе ТРЕТОН, предназначенном для исследования полей температур, скоростей и давления теплоносителя в активной зоне реакторов типа ВВЭР;

-результаты численного моделирования теплогидравлических характеристик активной зоны ВВЭР-1000 в различных режимах эксплуатации реактора.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: Научная сессия МИФИ

5

2006-2010; 4-я Курчатовская молодежная школа, Москва, 2006; Четвертая Российская национальная конференция по теплообмену, Москва, 2006; МНТК «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», Москва, 2006 и 2008; МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, 2007 и 2009; Межотраслевой семинар «Теплофизика-2008», Обнинск, 2008.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 2 статьи в реферируемых журналах из списка ВАК.

Личный вклад автора. Работа выполнена на кафедре теплофизики НИЯУ МИФИ. Постановка задачи исследования осуществлена совместно с научным руководителем. Разработка программного комплекса, проведение расчетов, обработка и анализ полученных данных выполнены автором самостоятельно или при его непосредственном участии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованных источников. Работа изложена на 153 страницах, включая 68 рисунков, 17 таблиц и список использованных источников из 60 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, указаны новизна и практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор методов расчета теплогидравлических характеристик активных зон реакторов, математических моделей и программных кодов, основанных на них, а также особенностей численного моделирования процессов гидродинамики и теплообмена при компоновке активной зоны реакторов типа ВВЭР бесчехловыми TBC.

Обоснован выбор модели пористого тела для анализа процессов гидродинамики и теплообмена в активных зонах реакторов с бесчехловыми TBC.

Во второй главе описана разработанная методика моделирования процессов гидродинамики и теплообмена в активной зоне.

Для описания трехмерных тепловых и гидродинамических процессов в активной зоне реакторов типа ВВЭР использована двухуровневая модель. В

этой модели в приближении анизотропного пористого тела описываются поля температур, скоростей и давлений во всей активной зоне (уровень "активная зона"). На последующем уровне "твэл" определяется распределение температур в тепловыделяющих элементах.

Уравнения сохранения массы, импульса, энергии и уравнение состояния теплоносителя в модели пористого тела имеют следующий вид:

+ = (1) ) + ^ <ь(а)- /, -е^а ёМН^Р™*,, (2)

^^ + Ме^яТ^ = -дН<])+ , (3)

Р-=Р~(Р,Т„). (4)

где 8ТН= УшIV— пористость по теплоносителю; т- время; - плотность теплоносителя; а - вектор скорости теплоносителя; 5 - тензор напряжений, содержащий эффективную вязкость ; £ - /-ая проекция силы сопротивления

потоку жидкости; р - давление теплоносителя; / = х, у, г - координата; ё, - единичный направляющий вектор /-ой координаты; g¡ - /-ая проекция ускорения свободного падения; сш - теплоемкость теплоносителя; Ц - вектор теплового потока, учитывающий эффективную теплопроводность "ксд\ <7„ - эффективная плотность энерговыделения в теплоносителе.

Распределение температуры в твэлах описывается уравнением теплопроводности

= (5)

дх

с граничными условиями третьего рода.

Анизотропия структуры активной зоны в модели учитывается использованием тензоров эффективной теплопроводности, вязкости и силы объемного сопротивления. Для решения системы уравнений (1-5) определены эффективные коэффициенты переноса. Они определялись с использованием как известных теоретических и экспериментальных данных, так и результатов специаль-

7

ных исследований. В модели использованы замыкающие соотношения, учитывающие зависимость силы объемного гидравлического сопротивления и эффективной вязкости от угла обтекания сборки потоком теплоносителя.

В случае обтекания стержневых структур в уравнении (2) наиболее значимыми являются члены, представляющие объемную силу сопротивления и силу давления. Это означает, что погрешности при описании силы объемного сопротивления и ее анизотропных свойств в максимальной степени отражаются на поле скорости.

Одной из особенностей анизотропной среды является то, что при обтекании ее потоком жидкости направление вектора силы сопротивления может не совпадать с направлением, обратным вектору скорости. Таким образом, коэффициент пропорциональности в соотношении f =-К и не может быть скалярной величиной. При поворотах системы координат компоненты векторов а и / будут изменяться и Одолжен быть тензорной величиной.

В настоящее время для улучшения теплотехнических характеристик TBC в них устанавливаются специальные решетки, предназначенные для перемешивания теплоносителя. Каждая ячейка перемешивающей решетки (ПР) оказывает на поток ориентированное отклоняющее воздействие. В области ПР объемная сила сопротивления, действующая на жидкость со стороны твердого компонента, в общем случае может быть представлена в виде:

J = -a a-b П = -а й-Ь (Я-й) Я, (6)

Второй член в уравнении (6) учитывает анизотропию сопротивления, которая задается вектором Я, определяющим направление отклоняющего воздействия ПР, а и b - скалярные коэффициенты.

В выбранной системе координат ось z ориентирована вдоль оси пучка (в направлении средней скорости потока теплоносителя). Сила гидравлического сопротивления / может быть записана в тензорном виде:

fy=-k>xuI-kyyuy-kyzuz, (7)

где компоненты тензора сопротивления определяются параметрами а, Ь, Я:

ка - а + Ь пхпх, куу =а+Ь пупу, ка=а + Ьп1пг!

К =к>, = Ь > К = К =Ь пЛ, ку, = К =ь «Л (8)

Значения параметров а, Ь, П определяются индивидуально для каждого вида конструкции анизотропного сопротивления экспериментальным или расчетным путем.

В третьей главе приведено описание двухуровневого алгоритма расчета по разработанной модели в программном комплексе ТРЕТОН. Представлено описание основных процедур и модулей программы. На рис. 1 показана структурная схема программного комплекса ТРЕТОН.

Рисунок 1 - Структурная схема программного комплекса ТРЕТОН

В четвертой главе приведены данные по тестированию разработанного программного комплекса.

Задача о теплообмене в активной зоне с учетом естественной конвекции. Для проверки точности учета эффектов естественной конвекции в программном комплексе ТРЕТОН аналитически была решена модельная задача о распределении поля скорости теплоносителя в цилиндрической анизотропной структуре, в которой действуют источники тепловыделения, при совместном действии вынужденной и естественной конвекции.

Постановка модельной задачи. В активной зоне высотой / и радиусом го действуют распределенные по радиусу по параболическому закону источники тепловыделения д^г). На вход в активную зону поступает теплоноситель с температурой 1Ж. Давление жидкости во входном и выходном коллекторах поддерживаются постоянными. Поля скоростей и температур принимаются стационарными и осесимметричными. Необходимо оценить возмущение, вносимое в поле скорости, обусловленное действием естественной конвекции при зависимости плотности теплоносителя от температуры.

Возмущение поля скорости. Получено выражение для безразмерных компонент отклонений скорости:

-ы.зД/ДяМО ) (тку

М2Л + {кг-\)

О/. ¿-1,3,5

2 ъг

4 Щ 19{%кК)

(9) (10)

{пк)г {{-кку ) {-яку Видно, что даже при равномерном распределении тепловыделения по радиусу (кг =1) наблюдается неравномерность М. = 0,5 в распределении скоростей по высоте активной зоны за счет действия естественной конвекции.

Сопоставление аналитического и численного решений. Результаты сопоставления аналитического решения с полученными по программному комплексу ТРЕТОН распределениями скорости теплоносителя в активной зоне приведены на рис. 2 и 3.

Рисунок 2 - Распределение безразмерных массовых скоростей теплоносителя по радиусу на входе (а) и выходе (б) из активной зоны: 1- максимальная оценка по аналитической модели, 2 - минимальная оценка по аналитической модели, 3 - расчет по программе ТРЕТОН

активной зоны: 1- максимальная оценка по аналитической модели, 2 - минимальная оценка по аналитической модели, 3 - расчет по программе ТРЕТОН

За счет действия сил естественной конвекции, которые максимальны в области максимальных подогревов, т.е. по центру активной зоны, происходит перераспределение расходов теплоносителя. В центре скорость увеличивается, а на периферии активной зоны уменьшается. Причем это действие сказывается по всему объему активной зоны, так что и на входе устанавливается некоторая неравномерность скорости, но существенно меньшая, чем на выходе.

Сопоставление распределения скорости теплоносителя по радиусу, рассчитанного с помощью ТРЕТОН (кривые 3 на рис. 2), с результатами аналитических расчетов для предельных случаев, соответствующих заниженному

(кривая 1) и завышенному (кривая 2) значениям сопротивления поперечных перетечек теплоносителя, показывает, что расчетное распределение занимает промежуточное положение между предельными теоретическими оценками. Тот же вывод следует из анализа рис. 3, на котором показано развитие неравномерности скорости по высоте активной зоны на различных расстояниях от центра активной зоны.

В целом можно заключить, что программный комплекс ТРЕТОН корректно учитывает действие сил естественной конвекции при выполнении теп-логидравлических расчетов.

Задача о распределении полей температуры и скорости теплоносителя в активной зоне при номинальном режиме работы ВВЭР-1000. С целью комплексного тестирования разработанного программного комплекса ТРЕТОН было проведено сравнение результатов расчетов полей температур и скоростей теплоносителя в активной зоне ВВЭР-1000 с данными независимого расчета по аттестованной программе NOSTRA. В расчетах моделировался стационарный режим работы реактора на номинальной мощности.

На рис. 4 и 5 в качестве примера показаны результаты расчета распределения подогрева теплоносителя и его расхода на выходе из каждой TBC, соответственно. дг,°С

20 40 60 so 100 120 140 Номер ТВ Рисунок 4 - Изменение подогрева теплоносителя по отдельным TBC: ---- -ТРЕТОН; гистограмма-NOSTRA

Рисунок 5 - Расход теплоносителя на выходе каждой TBC: --ТРЕТОН; гистограмма - NOSTRA

Получено хорошее совпадение результатов расчетов по обеим программам. При этом разброс рассчитанных по ТРЕТОН расходов и подогревов по каналам ниже, чем в расчетах по программе NOSTRA, т.к. в ТРЕТОН трехмерные процессы межкассетного тепломассопереноса учитывается во всей активной зоне, а не только во входном и выходном коллекторах, как в программе NOSTRA.

В пятой главе приведены результаты расчетных исследований трехмерных процессов гидродинамики и теплообмена в активной зоне реактора ВВЭР-1000.

Теплогидравлические характеристики активной зоны ВВЭР-1000 при работе реактора на повышенных уровнях мощности. В связи с реализуемой в настоящее время программой повышения номинальной мощности энергоблоков с реактором ВВЭР-1000 были выполнены расчеты режимов работы активной зоны на мощности, форсированной до 104-120 % от номинальной, с номинальными параметрами теплоносителя на входе в зону.

С целью оценки интенсивности внутризонного перемешивания теплоносителя в зависимости от мощности реакторной установки было выполнено сопоставление с вариантами, в которых в активной зоне не учитывались процессы поперечного тепло- и массообмена между отдельными TBC.

Полученные в расчетах максимальные значения температур теплоносителя, топлива и оболочки твэлов представлены в табл. 1. Зависимости максимального и среднего по активной зоне подогревов теплоносителя от тепловой мощности реактора показаны на рис. 6.

Таблица 1 - Максимальные температуры теплоносителя, топлива и оболочки твэлов при работе реактора на номинальном и повышенном уровнях мощности

Тепловая мощность реактора, МВт 3000 3120 3240 3360 3480 3600

Максимальная температура теплоносителя на выходе из активной зоны, °С 324,09 326,57 327,99 329,37 330,56 331,73

Максимальная температура оболочки, °С 336,90 340,48 342,28 344,07 345,83 347,63

Максимальная температура топлива, °С 1282,57 1284,23 1323,03 1360,58 1398,91 1437,39

Рисунок 6 - Изменение максимального и среднего по активной зоне подогревов теплоносителя в зависимости от тепловой мощности реактора; 1 - максимальный подогрев теплоносителя в TBC без учета межкассетного тепло- и массообмена; 2 - максимальный подогрев теплоносителя в TBC с учетом межкассетного тепло- и массообмеиа; 3—средний подогрев теплоносителя

Как видно из табл. 1, при 20 % превышении номинальной мощности реактора максимальная средняя по сечению TBC температура теплоносителя на

выходе из активной зоны увеличивается по сравнению с номинальным режимом на 6,6 "С, но остается при этом более чем на 10 °С ниже температуры насыщения. Максимальные температуры топлива и оболочки твэлов при 20 % превышении номинальной мощности вырастают соответственно на 154,8 и 10,7 °С.

Вклад межкассетного тепло- и массообмена в выравнивание поля температур в активной зоне можно оценить путем сравнения результатов, полученных с учетом и без учета межкассетного взаимодействия. Как видно из рис. 6, межкассетный тепло- и массообмен приводит к снижению максимального подогрева теплоносителя примерно на 6-7 %.

Теплогндравлические характеристики активной зоны ВВЭР-1000 при работе реактора при пониженных уровнях мощности и расхода теплоносителя. Проведены расчеты теплогидравлических параметров ВВЭР-1000 при частичном отключении петель охлаждения реактора. При расчетах эксплуатационного режима работы ВВЭР-1000, характеризуемого наименьшим уровнем расхода теплоносителя, было рассмотрено состояние реактора при работе на двух ГЦН, находящихся друг напротив друга.

В исходных данных для расчетов принимались во внимание соответствующее уменьшение мощности реактора и расхода теплоносителя, а также наличие неполного перемешивания теплоносителя в напорной камере реактора (табл. 2). Предполагалось, что весь «захоложенный» теплоноситель поступает в одну из работающих петель. В результате на входе в активную зону устанавливаются две зоны с различными температурами.

Таблица 2 - Основные параметры исходного состояния активной зоны ВВЭР-1000 при работе на двух ГЦН, находящихся напротив друг друга

Количество петель в эксплуатации 2

Тепловая мощность реактора, МВт 1500

Расход теплоносителя через реактор (на входе), м"7ч 40700

Коэффициент протечек мимо активной зоны, % 3,0

Температура на входе в незахоложенную часть реактора, °С 288,8

Температура на входе в захоложенную часть реактора, °С 286,84

Давление на входе в активную зону, МПа 15,56

Расчетные распределения температур теплоносителя в поперечном сечении на входе и выходе из активной зоны приведены на рис. 7.

-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 X, М -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 X, м

а) б)

Рисунок 7 - Распределение температуры теплоносителя в поперечном сечении активной зоны на расстоянии 5,9 см от входа (а) и выхода (б)

В распределении температуры теплоносителя на выходе из активной зоны остается перекос температурного поля, обусловленный неравномерностью поля температур на входе. Однако существенно большее различие подогревов теплоносителя на выходе зоны по сравнению с распределением на входе связано с влиянием неравномерности поля энерговыделения.

Полученные в расчетах максимальные температуры теплоносителя, оболочки и топлива составили 322,3, 333,2 и 813,2 °С соответственно. Результаты подтверждают возможность работы реактора ВВЭР-1000 на двух ГЦН. Корректный учет межкассетного тепло- и массообмена позволяет снизить консервативность расчета температур теплоносителя и оболочки твэлов.

Теилогидравлические характеристики TBC и активной зоны ВВЭР-1000 при использовании перемешивающих решеток. В разрабатываемых в настоящее время конструкциях TBC с целью улучшения их теплотехнических характеристик используются различные типы интенсификаторов теплообмена. С целью оценки эффективности применения решеток для перемешивания теплоносителя для снижения энтальпии потока в областях активной зоны с существенной неравномерностью энерговыделения было проведено расчетное моделирование отклоняющего воздействия на поток перемешивающих решеток секторного типа разработки ОКБ «ГИДРОПРЕСС» (рис. 8). Соответствующим

выбором ориентации ячеек в решетке реализуется «секторная» межкассетная

16

схема перемешивания, при которой в трех из шести секторов в сечении TBC поток теплоносителя направляется в центр TBC, в трех других - от центра. Это позволяет организовать замкнутые контуры циркуляции теплоносителя между каждыми тремя соседними TBC.

а) б) в)

Рисунок 8 - Конструкция перемешивающей решетки: а) ячейка решетки, б) схема секторного перемешивания в TBC и между TBC (в)

В расчетах было установлено, что перемешивающая решетка обеспечивает заметную круговую циркуляцию теплоносителя. Поперечные скорости теплоносителя на выходе из ПР достигают 0,70 м/с. Изменение скорости закрутки потока в регулярной части TBC после ПР показано на рис. 9. Закрутка потока на выходе из рассматриваемого участка (на входе в следующую ДР) сохраняется на уровне 25 см/с.

Рисунок 9 - Изменение отношения поперечной и продольной скоростей теплоносителя по высоте рассматриваемого фрагмента TBC

Были проведены расчеты, в которых исследовалось влияние количества и места расположения ПР на поля температур и скоростей теплоносителя в TBC. В расчетах использовался профиль энерговыделения с максимумом в верхней половине TBC для выявления максимального эффекта от применения

ПР. Мощность TBC равна 24,2 МВт, что соответствует максимальной величине энерговыделения в TBC по всей активной зоне.

Рассмотрены шесть вариантов конструктивного исполнения TBC: 1-й вариант соответствует существующей конструкции TBC без ПР; во 2-м варианте произведена замена всех ДР на ПР (использован для оценки максимального влияния перемешивания); 3-й вариант - 3 ПР на выходе из TBC на расстоянии 100 мм после каждой ДР; 4-й, 5-й и 6-й варианты - по 2 ПР в верхней части TBC на расстоянии 140 мм после 9-й, 8-й и 7-й ДР соответственно.

В областях расположения ПР полученное в расчетах поле температур в поперечном сечении становится более равномерным, при этом максимальные значения температуры теплоносителя и оболочки твэла становятся ниже. В тоже время применение ПР практически не оказывает влияния на распределение максимальной температуры топлива по высоте. Полученные температуры не превышают допустимых значений. В табл. 3 представлены результаты количественного сопоставления рассмотренных вариантов конструкции TBC по критериям теплотехнической надежности TBC и активной зоны реактора ВВЭР.

Таблица 3 - Основные тепловые характеристики рассмотренных вариантов TBC

Параметр Вариант конструкции TBC

1 2 3 4 5 6

Макс, температура топлива, °С 1351 1348 1351 1350 1347 1348

Макс, температура внешней оболочки твэлов, °С 346,6 344,9 349,8 349,2 342,2 346,0

Макс, подогрев теплоносителя, °С 45,2 39,3 41,7 41,6 41,3 41,4

Отношение макс, подогрева теплоносителя к среднему подогреву 1,14 1,02 1,05 1,06 1,05 1,05

Коэффициент запаса до кризиса теплоотдачи 3,26 3,52 3,14 3,20 3,63 3,44

Изменение макс, подогрева по отношению к базовому варианту, % 0 -13,0 -7,7 -8,0 -8,6 -8,4

Изменение макс, температуры оболочки твэлов по отношению к базовому варианту, % 0 -0,5 0,9 0,8 -1,3 -0,2

Изменение коэффициента запаса до кризиса теплоотдачи по отношению к базовому варианту, % 0 8,0 -3,7 -1,8 11,3 5,5

Приведенные в табл. 3 результаты свидетельствуют о наличии положительного эффекта от применения рассмотренного варианта конструкции ПР. В зависимости от места расположения ПР в TBC можно на 6-7% снизить максимальный подогрев теплоносителя. Влияние ПР на максимальную температуру оболочки твэлов и коэффициент запаса до кризиса теплообмена не столь однозначно. При малой неравномерности поля энерговыделения, наблюдаемой в TBC с максимальной мощностью, в 3-м и 4-м вариантах имеет место небольшое ухудшение этих величин по сравнению с базовым вариантом. В данных вариантах конструкции TBC ПР располагаются в области максимального энерговыделения. Падение продольной скорости в элементах ПР приводит к снижению коэффициента теплоотдачи, что увеличивает перепад температур между твэлом и теплоносителем, рост которого не компенсируется выравниванием температуры теплоносителя с помощью ПР. Для TBC с более высоким коэффициентом неравномерности энерговыделения снижение максимальной температуры теплоносителя существенно выше, что приводит отсутствие данных отрицательных эффектов.

Сравнение результатов расчетов для конструкций TBC, приведенных в табл. 3, позволило выбрать оптимальные варианта конструкции TBC (5-й и 6-й), обеспечивающие наибольший эффект по снижению максимального подогрева теплоносителя и увеличению коэффициента запаса до кризиса теплоотдачи. Эти варианты были использованы для анализа работы реактора на уровне мощности в 104% (табл. 4).

Таблица 4 - Основные тепловые характеристики рассмотренных вариантов ТВС при работе на 104% номинальной мощности

Параметр Вариант конструкции ТВС

1 5 6

Макс, температура топлива, °С 1402 1398 1398

Макс, температура внешней оболочки твэлов, °С 356,7 352,2 356,1

Макс, подогрев теплоносителя, °С 49,2 44,7 44,3

Коэффициент запаса до кризиса теплоотдачи 2,38 2,73 2,65

Изменение макс, подогрева по отношению к базовому варианту, % 0 -9,1 -10,0

Изменение макс, температуры оболочки твэлов по отношению к базовому варианту, % 0 -1,3 -0,2

Изменение коэффициента запаса до кризиса теплоотдачи по отношению к базовому варианту, % 0 14,7 11,4

Из представленных в табл. 4 данных видно, что применение ПР позволяет повысить теплотехническую надежность работы TBC и обеспечивает допустимый запас до кризиса теплоотдачи при работе реактора на повышенном уровне мощности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе приближения пористого тела разработана новая трехмерная модель тепломассопереноса в анизотропных структурах активных зон реакторов типа ВВЭР с бесчехловыми тепловыделяющими сборками, в которой использованы замыкающие соотношения, учитывающие зависимость компонент тензоров силы объемного гидравлического сопротивления и эффективной вязкости от угла обтекания сборки потоком теплоносителя.

2. Разработанная модель реализована в виде расчетного программного комплекса ТРЕТОН, предназначенного для двухуровневого численного моделирования трехмерных нестационарных теплогидравлических процессов в активной зоне реакторов ВВЭР, и проведено его тестирование.

3. В результате расчетного моделирования трехмерных полей температуры, скорости и давления теплоносителя в активной зоне ВВЭР-1000 показано, что учет поперечного тепломассопереноса по всей высоте активной зоны приводит к снижению значения максимального подогрева теплоносителя примерно на 6-7 % от среднего подогрева.

4. При исследовании особенностей теплогидравлических процессов в активной зоне ВВЭР-1000 при работе на пониженных уровнях мощности и расхода теплоносителя показано, что в распределении температуры теплоносителя на выходе из активной зоны остается перекос, вызванный неравномерностью поля температур на входе, при этом существенно большее различие подогревов теплоносителя в сечении TBC связано с влиянием неравномерности поля энерговыделения.

5. Предложена методика описания пространственно-распределенных гидравлических характеристик перемешивающих решеток, учитывающая гидравлическое сопротивление и отклоняющее воздействие ПР на поток теплоно-

сителя. Данные параметры могут быть определены по результатам экспериментальных исследований или с использованием численного моделирования.

6. В расчетных исследованиях перемешивающей решетки с наклонными каналами «секторного» типа разработки ОКБ «ГИДРОПРЕСС», обеспечивающей циркуляцию теплоносителя между тремя соседними TBC, показано, что такой вариант конструкции ПР обеспечивает на выходе из решетки появление поперечной составляющей скорости на уровне 15 % от продольной. Определено затухание поперечной скорости теплоносителя в тепловыделяющей сборке после прохождения ПР, которая уменьшается в 2 раза на расстоянии 15 см от решетки.

7. Проведенное исследование влияния количества и места расположения в TBC перемешивающих решеток на максимальный подогрев теплоносителя, максимальные температуры топлива и оболочки твэлов, коэффициент запаса до кризиса теплоотдачи показало, что применение ПР обеспечивает возможность повышения теплотехнической надежности TBC.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Корсун A.C., Маслов Ю.А., Меринов И.Г., Харитонов B.C., Шумский Б.Е. Моделирование теплогидравлических процессов в активной зоне ВВЭР-1000 // Научная сессия МИФИ-2006. Сборник научных трудов. - М.: МИФИ. - 2006. - Т.8. - С. 140-141.

2. Корсун A.C., Маслов Ю.А., Меринов И.Г., Харитонов B.C. Аналитическое решение для поля скоростей движения жидкости при совместном действии вынужденной и свободной конвекции в анизотропной пористой структуре // Труды Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену. -М.: МЭИ. - 2006. - Т.7. - С. 235-238.

3. Корсун A.C., Маслов Ю.А., Меринов И.Г., Харитонов B.C. Моделирование теплогидравлических процессов в TBC и активной зоне реактора ВВЭР-1000 // Научная сессия МИФИ-2007. Сборник научных трудов. - М.: МИФИ. -2007. - Т.8. - С. 42-44.

4. Корсун A.C., Маслов Ю.А., Меринов И.Г., Харитонов B.C. Описание

анизотропных свойств тепломассопереноса при трехмерном моделировании ак-

21

тивной зоны ВВЭР // Труды 5-й международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». ФГУП ОКБ «Гидропресс», г. Подольск. 29 мая -1 июня 2007 г. Статья №114. Электронное издание.

5. Корсун A.C., Маслов Ю.А., Меринов И.Г., Харитонов B.C., Шумский Б.Е. Моделирование теплогидравлических процессов в активной зоне реактора ВВЭР-1000 при повышенных уровнях мощности // Научная сессия МИФИ-2008. Сборник научных трудов. -М.: МИФИ. - 2008. - Т.1. - С. 17-18.

6. Корсун A.C., Маслов Ю.А., Меринов И.Г., Харитонов B.C. Исследование циркуляции теплоносителя в TBC с решетками перемешивающего типа // Сборник Трудов 6-й Международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики». Москва. 21-23 мая 2008 г. С. 202-206.

7. Корсун A.C., Круглов В.Б., Маслов Ю.А., Меринов И.Г., Одинцов A.A., Харитонов B.C., Васильченко И.Н., Кобелев С.Н., Мальчевский Д.В. Расчетные исследования циркуляции теплоносителя в TBC с решетками перемешивающего типа // Вопросы атомной науки и техники, серия «Обеспечение безопасности АЭС». 2008. Вып. 23. С.97-102.

8. Корсун A.C., Маслов Ю.А., Меринов Й.Г., Харитонов B.C. Программный комплекс ТРЕТОН для моделирования трехмерных теплогидравлических процессов в активной зоне ВВЭР // Теплофизика-2008. Обнинск. 15-17 октября 2008 г. Электронное издание.

9. Маслов Ю.А., Меринов И.Г., Рябов Н.О. Моделирование теплогидравлических процессов в реакторных установках и элементах теплообменного оборудования ЯЭУ / Лабораторный практикум. - М.: МИФИ, 2008. -156 с.

10. Корсун A.C., Круглов В.Б., Маслов Ю,А., Меринов И.Г., Одинцов A.A., Харитонов B.C. Циркуляция теплоносителя в TBC с перемешивающими решетками в реакторе ВВЭР // Сборник научных трудов научной сессии НИЯУ МИФИ. - М.: НИЯУ МИФИ. - 2009. - Т.1. - С. 6-11.

11. Давиденко H.H., Корсун A.C., Маслов Ю.А., Меринов И.Г., Харитонов B.C., Шумский Б.Е. Моделирование трехмерных теплогидравлических процессов в активной зоне ВВЭР с помощью программного комплекса

ТРЕТОН // Известия вузов. Ядерная энергетика. 2009. Вып. 3. С. 139-151.

22

Подписано в печать: 20.09.2010

Заказ № 4144 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В АКТИВНЫХ

ЗОНАХ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ.

1.1 Методы моделирования теплогидравлических процессов.

1.1.1 Моделирование турбулентных течений на основе СРБ-кодов.

1.1.2 Моделирование теплогидравлических процессов на основе поканального приближения.

1.1.3 Моделирование теплогидравлических процессов на основе приближения пористого тела.

1.2 Анализ результатов и выбор направления исследований.

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТРЕХМЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В АКТИВНОЙ ЗОНЕ

РЕАКТОРОВ ТИПА ВВЭР.

2.1' Основные уравнения модели теплогидравлики активной зоны в приближении пористого тела.

2.2 Замыкающие соотношения модели теплогидравлики активной зоны.

2.2.1 Эффективная теплопроводность теплоносителя.

2.2.2 Эффективная вязкость теплоносителя.

2.2.3 Коэффициент объемного гидравлического сопротивления.

2.2.4 Коэффициент теплоотдачи.

2.2.5 Граничные условия.

ГЛАВА 3 РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ ТРЕХМЕРНЫХ ТЕПЛОВЫХ

И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ

РЕАКТОРА ВВЭР-1 ООО В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ ТРЕТОН.

3.1 Алгоритм численного решения уравнений теплогидравлики.

3.2 Описание программного комплекса ТРЕТОН для моделирования теплогидравлических процессов в активной зоне.

3.2.1 Структурная схема программного модуля.

3.2.2 Описание основных процедур программы.

3.3 Описание программного модуля ТРЕТОН-ТВС для моделирования теплогидравлических процессов в ТВ С.

ГЛАВА 4 ТЕСТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ТРЕТОН.

4.1 Задача о теплообмене в активной зоне с учетом естественной конвекции.

4.1.1 Постановка задачи.

4.1.2 Поле скоростей и температур при р = рж = const.

4.1.3 Уравнения для возмущений скоростей и температур.

4.1.4 Определение поля скорости в объеме активной зоны.

4.2 Задача о распределении полей температуры, давления и скорости теплоносителя в активной зоне при номинальном режиме работы ВВЭР-1000.

ГЛАВА 5 РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В АКТИВНОЙ ЗОНЕ РЕАКТОРА ВВЭР-1000.

5.1 Влияние на теплогидравлические процессы в активной зоне ВВЭР-1 ООО пространственного распределения поля энерговыделения.

5.1.1 Теплогидравлические характеристики активной зоны при работе реактора на повышенных уровнях мощности.

5.1.2 Влияние уровня энерговыделения на интенсивность внутризонного перемешивания теплоносителя.

5.2 Влияние на теплогидравлические процессы в активной зоне ВВЭР-1 ООО пониженных уровней мощности и расхода теплоносителя.

5.2.1 Теплогидравлические характеристики активной зоны при работе реактора при пониженных уровнях расхода теплоносителя.

5.2.2 Анализ внутризонного перемешивания теплоносителя в условиях эксплуатации реактора на пониженном уровне мощности.

5.3 Влияние интенсификаторов теплообмена на теплогидравлические процессы в активной зоне ВВ ЭР-1000.

5.3.1 Расчетный анализ теплогидравлической эффективности применения в TBC интенсификаторов теплообмена турбулизирующего типа.

5.3.2 Влияние перемешивающих решеток на тепловой режим TBC и активной зоны реактора ВВЭР-1000.

Решение актуальных задач ядерной энергетики, связанных с повышением мощности и увеличением длительности топливных загрузок на энергоблоках с ВВЭР-1000, а также с разработкой новых проектов легководных корпусных реакторов, определяет необходимость дальнейшего усовершенствования методик обоснования теплогидравлических характеристик активных зон реакторов.

Активные зоны современных реакторов типа ВВЭР, компонуемые бесчехловыми тепловыделяющими сборками (TBC), являются существенно анизотропными структурами, в которых создаются условия для поперечной циркуляции теплоносителя. К числу факторов, которые могут вызывать появление заметных поперечных перетечек теплоносителя, следует отнести наличие в активной зоне межкассетных зазоров, дистанционирующих решеток, решеток-интенсификаторов теплообмена и других элементов конструкции, приводящих к локальному изменению гидравлического сопротивления, а также пространственную неравномерность поля энерговыделения. Влияние поперечных составляющих скорости на тепломассоперенос в активной зоне усиливается при работе реакторной установки на неполном числе ГЦН, когда в потоке теплоносителя начинают преобладать силы естественной конвекции.

В настоящее время реализуется несколько подходов к моделированию тепломассопереноса в активных зонах с бесчехловыми TBC. Существующие коды для анализа теплогидравлики активных зон ядерных реакторов в основном используют, так называемую, поканальную методику расчета. Особенностью этой методики является выделение преимущественного направления при движении потока теплоносителя, а поперечная циркуляция и межканальный обмен описываются как малая дополнительная поправка. В трехмерных программах расчета теплогидравлики активных зон, составленных из бесчехловых TBC, поканальные методики могут обоснованно использоваться только в случаях, когда поперечный перенос несущественен. Методики расчета на основе модели пористого тела лишены таких ограничений при описании трехмерного б тепломассопереноса и рассматриваются как перспективные для расчета течений с произвольной ориентацией потока теплоносителя в TBC. Рассмотрение в них ведется относительно локально-средних по выбранной ячейке разбиения скоростей и температур, значения которых меняются плавно и описываются дифференциальными уравнениями. Эффективные коэффициенты переноса устанавливаются математически строго, а для определения замыкающих соотношений модели теплогидравлики могут использоваться как известные теоретические и экспериментальные данные, так и результаты специальных исследований. Использование этой модели позволяет также адекватно учесть гидравлические характеристики дистанционирующих решеток и решеток-интенсификаторов теплообмена как распределенных гидравлических сопротивлений. Однако модель тепломассопереноса в анизотропных структурах активных зон требует развития и учета в ней новых данных по зависимости гидравлического сопротивления и эффективной вязкости от угла обтекания сборки стержней.

В последнее время в практику гидродинамических расчетов элементов и узлов установок внедряются CFD-коды, с помощью которых рассчитывают распределение локальных скоростей потока с использованием различных моделей турбулентности. Однако, как показывает практика, для расчета сложных турбулентных течений CFD-коды требуют значительно больших вычислительных мощностей по сравнению с моделью пористого тела и поканальными методиками. Помимо этого использование CFD-кодов не освобождает от необходимости экспериментальной проверки полученных результатов, если течения теплоносителя характеризуются наличием вихревых зон с отрывом потока. Причем для обоснованной проверки требуется сопоставление с экспериментальными данными по локальным характеристикам турбулентного потока.

Таким образом, упомянутое выше определяет актуальность разработки эффективного метода моделирования трехмерных процессов тепломассопереноса в активных зонах реакторов типа ВВЭР с использованием модели анизотропного 7 пористого тела, которая позволяет учесть основные физические особенности сложных турбулентных течений в стержневых сборках.

Целью работы является разработка в приближении анизотропного пористого тела модели для описания трехмерных процессов гидродинамики и теплообмена в активной зоне реакторов ВВЭР и создание на ее основе расчетной методики и программного комплекса ТРЕТОН. Для этого были решены следующие задачи:

- разработка и тестирование двухуровневого алгоритма численного решения задачи гидродинамики и теплообмена в активной зоне реактора ВВЭР с использованием замыкающих соотношений, учитывающих зависимость силы объемного гидравлического сопротивления и эффективной вязкости от угла обтекания сборки потоком теплоносителя;

- разработка методики описания гидравлического сопротивления и отклоняющего воздействия на поток теплоносителя перемешивающей решетки;

- численное исследование влияния на характеристики трехмерных теплогидравлических процессов в активной зоне пространственного распределения поля энерговыделения, неоднородности температур на входе в активную зону при частичном отключении петель охлаждения реактора;

- теплогидравлический анализ вариантов размещения в TBC перемешивающих решеток.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана трехмерная математическая модель гидродинамики и теплообмена в активной зоне реакторов типа ВВЭР, учитывающая анизотропию процессов переноса в ориентированных стержневых структурах;

- разработана новая методика описания отклоняющего воздействия и гидравлического сопротивления при обтекании потоком теплоносителя перемешивающих решеток;

- впервые получено аналитическое решение модельной задачи о распределении поля скорости теплоносителя в цилиндрической анизотропной структуре с объемным тепловыделением в условиях совместного действия вынужденной и естественной конвекции;

- получены новые данные о трехмерных полях температуры, давления и скорости теплоносителя в активной зоне ВВЭР-1000 в эксплуатационных режимах с различными уровнями мощности.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанная модель расчета процессов тепломассопереноса в активной зоне реализована в программном комплексе ТРЕТОН, который может быть использован для моделирования трехмерных нестационарных теплогидравлических процессов в активной зоне реакторов ВВЭР при различных условиях эксплуатации. Реализованный в предложенной методике учет тепломассообмена между ТВ С, позволяет обосновать возможное снижение уровня консерватизма при расчетном анализе безопасности эксплуатации реакторных установок.

Полученные в работе результаты являются предметом практического использования на предприятиях атомной отрасли - ОАО «Концерн Росэнергоатом», ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС», ОАО ТВЭЛ.

Результаты работы внедрены в учебный процесс НИЯУ МИФИ на кафедре теплофизики при обучении студентов специальности 140305 «Ядерные реакторы и энергетические установки».

Достоверность результатов обеспечивается детальным анализом исходных данных; использованием апробированных моделей и достоверных замыкающих соотношений; проведенным тестированием разработанного программного комплекса ТРЕТОН; согласием полученных с его помощью расчетных данных с аналитическим решением модельной задачи теплообмена в активной зоне с учетом одновременного действия сил принудительной и естественной конвекции; а также с независимым расчетом по аттестованной программе NOSTRA.

На защиту выносятся:

- модель расчета трехмерных процессов гидродинамики и теплообмена в активной зоне реакторов типа ВВЭР, учитывающая влияние анизотропии 9 структуры активной зоны на процессы переноса;

- реализация разработанной модели в программном комплексе ТРЕТОН, предназначенном для исследования полей температур, скоростей и давления теплоносителя в активной зоне реакторов типа ВВЭР;

- полученные результаты численного моделирования теплогидравлических характеристик активной зоны ВВЭР-1000 в различных режимах эксплуатации реактора.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались автором на Научных сессиях МИФИ 2006-2010 г.г.; 4-й Курчатовской молодежной школе, Москва, 2006; Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 2006; МНТК «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», Москва, 2006 и 2008; МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, 2007 и 2009; Межотраслевом семинаре «Теплогидравлические аспекты безопасности активных зон, охлаждаемых водой и жидкими металлами», Теплофизика-2008, Обнинск, 2008.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в журналах «Вопросы атомной науки и техники. Серия «Обеспечение безопасности АЭС», 2008, Выпуск 23, с.97-102» и «Известия вузов. Ядерная энергетика», 2009, Выпуск 3, с.139-151, общее количество печатных работ - 16. Разработанный программный комплекс ТРЕТОН внедрен в учебный процесс в виде лабораторного практикума МИФИ.

Личное участие автора

Работа выполнена на кафедре теплофизики НИЯУ МИФИ. Постановка задачи исследования осуществлена совместно с научным руководителем. Разработка программного комплекса, проведение расчетов, обработка и анализ полученных данных выполнены автором самостоятельно или при его непосредственном участии.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Общий объем диссертации — 153 страницы, включая 68 рисунков, 17 таблиц и список использованных источников из 60 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе приближения пористого тела разработана новая трехмерная модель тепломассопереноса в анизотропных структурах активных зон реакторов типа ВВЭР с бесчехловыми тепловыделяющими сборками. В модели используются замыкающие соотношения, учитывающие зависимость компонент тензоров силы объемного гидравлического сопротивления и эффективной вязкости от угла обтекания сборки потоком теплоносителя.

2. Разработанная модель реализована в виде расчетного программного комплекса ТРЕТОН, предназначенного для двухуровневого, численного моделирования трехмерных нестационарных теплогидравлических процессов в активной зоне реакторов ВВЭР.

3. Для тестирования программного комплекса ТРЕТОН получено аналитическое решение модельной; задачи^ о распределении поля скорости теплоносителя в цилиндрической анизотропной структуре с объемным тепловыделением в условиях совместного действия вынужденной и естественной конвекции. Сопоставление результатов расчета распределения скорости теплоносителя в активной зоне по программе ТРЕТОН с аналитическим решением показало корректность учета в модели действия естественной конвекции. Также проведено сравнение результатов расчетов полей температур и скоростей теплоносителя в активной зоне ВВЭР-1000 для номинального режима работы с независимыми расчетами по аттестованной программе NOSTRA. Хорошее совпадение результатов расчетов по обеим программам подтвердило возможность применения программного комплекса ТРЕТОН для расчета трехмерных процессов тепломассопереноса в активной зоне реакторов типа ВВЭР.

4. В; результате расчетного моделирования трехмерных полей температуры, скорости и давления теплоносителя в активной зоне ВВЭР-1000 в условиях пространственного распределения поля энерговыделения с коэффициентом неравномерности 1.32 показано, что учет поперечного тепломассопереноса по всей высоте активной зоны приводит к снижению значения максимального подогрева

143 теплоносителя примерно на 6-7 % от среднего подогрева. При этом относительное выравнивание поля температуры в активной зоне происходит, в основном, за счет поперечного диффузионного теплопереноса, который обусловлен эффективной теплопроводностью теплоносителя.

5. Исследованы особенности теплогидравлических процессов в активной зоны ВВЭР-1000 при работе на пониженных уровнях мощности и расхода теплоносителя. Показано, что в распределении температуры теплоносителя на выходе из активной зоны остается перекос, вызванный неравномерностью поля температур на входе, при этом существенно большая неравномерность температурного поля связана с влиянием неравномерности поля энерговыделения.

6. Предложена методика описания пространственно-распределенных гидравлических характеристик перемешивающих решеток, включающая параметры, которые определяют ее гидравлическое сопротивление и отклоняющее воздействие на поток теплоносителя. Данные параметры могут быть определены по результатам измерения гидравлического сопротивления решеток или с использованием результатов численного моделирования.

7. Выполненная оценка влияния интенсификаторов теплообмена с локальными турбулизаторами потока на поле температур в активной зоне показала, что в рассматриваемом случае из-за быстрого затухания (в 10 раз на расстоянии 10 - 12 см от решетки) дополнительной турбулизации потока эффект в части снижения максимального подогрева теплоносителя от применения таких решеток незначителен, составляет примерно 0.6% и достигается при увеличении гидравлического сопротивления TBC в 2-3 раза.

8. Выполнено расчетное исследование перемешивающей решетки с наклонными каналами «секторного» типа разработки ОКБ «ГИДРОПРЕСС», обеспечивающей циркуляцию теплоносителя между тремя соседними TBC. Показано, что такой вариант конструкции обеспечивает на выходе из решетки появление поперечной составляющей скорости на уровне 15 % от продольной при увеличении гидравлического сопротивления на 24 % по сравнению с обычной дистанционирующей решеткой. При использовании разработанной методики

144 моделирования перемешивающих решеток определено затухание поперечной скорости теплоносителя, которая уменьшается в 2 раза на расстоянии 15 см от решетки. Затухание поперечной циркуляции теплоносителя, полученное без учета зависимости гидравлического сопротивления от угла обтекания, на порядок выше.

9. Проведенное исследование влияния количества и места расположения в TBC перемешивающих решеток на максимальный подогрев теплоносителя, максимальные температуры топлива и оболочки твэлов, коэффициент запаса до кризиса теплоотдачи показало, что применение ПР дает возможность повышения теплотехнической надежности TBC, в том числе при работе реактора на повышенном уровне мощности.

1. Использование пакета STAR-CD в задачах гидрогазодинамики. 4.1. Самара, 2006. 124 с.

2. Опыт применения FlowVision для оптимизации геометрии реакторной установки ВБЭР-300 В.А. Бабин (ФГУП "ОКБМ") // Журнал "САПР и графика" 2005 г, N8.

3. Герасимов A.M. Моделирование турбулентности с использованием LES и DES во FLUENT /Fluent inc

4. Моделирование турбулентных течений / И.А. Белов, С.А. Исаев, СПб., Балт. гос. техн. ун-т. 2001. 108 с.

5. Турбулентность. Пер. с англ./ П. Брэдшоу, Т. Себеси, Г.-Г. Фернгольц и др.; Под ред. П. Брэдшоу; Пер. Васецкой Н.Г., Колесникова A.B., Расщупкина В.И.; Под ред. Гиневского A.C. М.: Машиностроение, 1980.- 343 с.

6. Моффат Г. Некоторые направления развития теории турбулентности // Современная гидродинамика. Успехи и проблемы: Пер. с англ.; под ред. Дж. Бэтчелора и Г. Моффата. М.: Мир, 1984. с. 49 - 76.

7. Turbulent flow in a model nuclear fuel rod bundle containing partial flow blockages. Report № BNWL-SA-6207 / J.M. Creer, D.S. Rowe, J.M. Bates, A.M. Sutey / Pacific Northwest Laboratories. Richland, WA (USA). 1977. 48 p.

8. Turbulent flow in a model nuclear fuel'rod bundle containing partial flow blockages / J.M. Creer, J.M. Bates, A.M. Sutey, D:S. Rowe // Nuclear Engineering and Design. 1979; - V.52: - P. 51 - 63.

9. Bardina J.E., Huang P.G., Goakley T.J, Turbulence: Modeling Validation, Testing and Development // NASA reports April 1997

10. A One-Equation Turbulence Model for Aerodynamic Flows / Spalart, P. R. and Allmaras, S. R.//AIAA 1992 - Paper 92-0439.

11. Spalart, P.R., and Allmaras, S.R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows. Rech. Aerospatiale, V.l, 1994, pp.5-21.

12. Авраменко М.И. О k-e модели турбулентности; Препринт РФЯЦ-ВНИИТФ № 224, 2005.

13. Кузьминов А.В., Лапин В.Н., Чирков Д.В. Метод, расчета турбулентных течений; несжимаемой жидкости на основе двухслойной (к-г)-модели // Вычислительные;технологии. 2001. Т. '6. № 5. G. 73-86.

14. Zonal two equation k-co turbulence models for aerodynamic flows / . Menter F.R. // AIAA Paper, 1993, AIAA-93-2906.

15. Wilcox, D.C."Multiscale Model for Turbulent Flows". AIAA'Journal, Vol. 26, No. 11, pp. 1311-1320, 1988.

16. Launder, B.E., Reece, G.J., and Rodi, W., "Progress in the development of a Reynolds stress turbulence closure". J; Fluid Mech., Vol. 68, pp. 537-566, 1975;

17. Spalart, P.R., Jou, W.-H., Strelets, M., and Allmaras, S.R. Comments on the feasibility of LES for wings and on a hybrid, RANS/LES approach. In Liu,

18. С. and Liu, Z. (eds) Advances in DNS/LES, Proceedings of 1st AFOSR International Conference on DNS/LES, Ruston, LA, August, 4-8, Greyden Press, Columbus, OH, 1997, pp. 137-147.

19. Жуков A.B., Сорокин А.П., Матюхин H.M. Межканальный обмен в ТВС быстрых реакторов: Теоретические основы и физика процесса. Москва: Энергоатомиздат, 1989. 184 с.

20. Расчетное обоснование теплогидравлических характеристик реактора и РУ ВВЭР / В.П. Спассков, Ю.Г. Драгунов, С.Б. Рыжов и др. // М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. 340 с.

21. Chelemer Н., Weisman J., Tong L. S. Subchannel thermal analysis of rod bundle cores Nuclear Engineering and Design, 1972. V.21. P. 35 - 45.

22. Rowe D.S. Cross-flow mixing between parallel flow channels during boiling. Part I. COBRA computer program for coolant boiling in rod arrays

23. Report № BNWL-371 (Pt.l) / Battelle Pacific Northwest Laboratories. Richland, WA (USA), 1967. 112 p.

24. Мингалеева Г.С., Миронов Ю.В. Теплогидравлический расчет многостержневых тепловыделяющих сборок, охлаждаемых однофазным теплоносителем Атомная энергия, 1980. Т.48. С.ЗОЗ - 308.

25. Bear J. And Bachmat Y. Transport phenomena in porous media -basic equations. // Fundamentals of Transport Phenomena in Porous Media. Eds. J. Bear and M.Y. Corapcioglu, NATO ASI Series E: Applied Sciences. 1984. -№82.-p. 3-61

26. Lessmann R.C. A conceptual framework for preductiry the filtration performance of wonwoven fibrous filter media // Fluid / Particle Sep. Journal. -1988.- 1, №6, p. 35-43

27. Корсун A.C. Эффективная теплопроводность пористых структур, составленных из пучков стержней или труб.// Тепломассообмен ММФ-2000. Тр. IV Минского межд. Форума, Минск, ИТМО, 2000. Т. 10, с.242-250

28. Жуков A.B., Сорокин А.П., Матюхин Н.М. Межканальный обмен в TBC быстрых реакторов. М. Энергоатомиздат, 1989.

29. Корсун A.C. Эффективная теплопроводность пористых структур, составленных из пучков стержней или труб.// Тепломассообмен ММФ4 Труды IV Минского международного форума. Минск,2000, том 10. с.242-250

30. Корсун A.C., Ряпосов В.Н, Лабинская Е.Ю. Межканальный перенос тепла через тепловыделяющие элементы. // Вопросы теплофизики ядерных реакторов. Вып. 6, Москва, Атомиздат. 1977, с. 8-15

31. M.HJ. Pedras, M.J.S. de Lemos. On the Definition of Turbulent Kinetic Energy for Flow in Porous Media. // Int. Commun. Heat Mass Transfer, vol. 27, no. 2, pp. 211-220, 2000

32. M.H.J. Pedras, M.J.S. de Lemos. Simulation of Turbulent Flow in Porous Media Using a Spatially Periodic Array and a Low Re Two-Equation Closure. // Numerical Heat Transfer, part A, vol. 39, n. 1, pp 35-59, 2001

33. M.H.J. Pedras, M.J.S. de Lemos. Macroscopic Turbulence Modeling for Incompressible Flow through Undeformable Porous Media. // Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 44,n. 6, pp. 1081-1093, 2001

34. Митенков Ф.М., Головко В.Ф., Ушаков П.А., Юрьев Ю.С. Проектирование теплообменных аппаратов АЭС. М. : Энергоатомиздат , 1988 г.

35. Субботин B.C. и др. Решение задач реакторной теплофизики на ЭВМ. М.: Атомиздат, 1979.

36. Слеттери Дж.С. Теория переноса импульса, энергии и массы в сплошных средах. М.: Энергия , 1978.

37. Smith G.F. On isotropic function of symmetric tensors, skew-symmetric tensors and vectors. Int. J. Engng. Sei., Vol 9, pp. 899-916. Pergamon Press, 1971.

38. Андерсон Д., Таннехил Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. В 2-х томах. М.: Мир, 1990 г.

39. Маслов Ю.А., Меринов И.Г., Рябов И.О. Моделирование теплогидравлических процессов, в реакторных установках и элементах теплообменного оборудования ЯЭУ: лабораторный практикум. М.: МИФИ, 2008.- 156 с.

40. Корсун A.C., Маслов Ю.А, Меринов И.Г. Аналитическое решение для поля скоростей движения жидкости при совместном действии вынужденной и свободной конвекции в анизотропной пористой структуре// Труды РНКТ-4. Т.6 Изд. МЭИ, М, 2006, стр. 83-86

41. Аттестационный паспорт программного средства NOSTRA, НТЦ ГАН РФ, 2003

42. Денисов В.П., Драгунов Ю.Г. Реакторные установки ВВЭР для атомных электростанций. М.: ИздАТ, 2002, 480 с.

43. Расчетное обоснование теплогидравлических характеристик реактора и РУ ВВЭР / В.П. Спассков, Ю.Г. Драгунов, С.Б. Рыжов и др. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 340 с.