автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Особенности гидродинамики и массообмена теплоносителя в пучках крестообразных твэлов

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УДК 621.039

На правах рукописи

Егоров Владимир Викторович

ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИКИ И МАССООБМЕНА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

В ПУЧКАХ КРЕСТООБРАЗНЫХ ТВЭЛОВ

05.14.03 - Ядерные энергетические установки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Дмитриев С.М.

г.Нижний Новгород, 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Перечень условных обозначений >...........................................................................6

ВВЕДЕНИЕ........................:.............................;...............................................9

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА

И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ..'......................................................................15

1.1. Аналитический обзор результатов исследований '

гидродинамических характеристик потоков в пучках стержней................................15

1.1.1. Анализ результатов исследований гидродинамики однофазного

потока в пучках стержней............................................................................................15

1.1.2. Классификация основных типов межканального обмена

и методика определения его значений.................:.,......................................................23

1.1.3. Оребрение вида «ребро по оболочке».......:..................................................................27

1.1.4. Оребрение вида «ребро по ребру»..............................................................................33

1.2. Аналитический обзор методов измерения

гидродинамических характеристик одно- и двухфазных потоков..............................35

1.2.1. Электромагнитный метод измерения полей

скорости в каналах сложной формы......................................................................................................35

1.2.2. Метод трассера...................................................................................................36

1.2.3. Исследование потока с помощью пневмометрических приборов..........36

1.2.3.1. Измерение гидродинамических характеристик

потока трубкой Пито-Прандтля...............................................................................................36

1.2.3.2. Измерение гидродинамических характеристик

потока с помощью многоканального пневмометрического зонда..............................36

1.2.4 Обогрев центрального стержня...........................................................................................37

1.2.5 Измерение гидродинамических характеристик

потока термоанемометром................................................................................................................................37

1.2.6 Исследование потока с помощью оптических методов......................................38

1.2.6.1. Теневой метод......................................................................................................38

1.2.6.2. Шлирен - метод....................................................................................38

1.2.6.3. Интерферометры..............................................................................................................39

1.3. Аналитический обзор методов и средств

диагностики двухфазных потоков.................................................................................................39

1.3.1. Классификация методов............................................................................................39

1.3.2. Механические методы..........................................................................................................................41

1.3.3. Акустические методы....................................................................................................43

1.3.4. Электромагнитные методы.............................................................................................46

1.3.5. Ядерно-физические методы................/>......:..........................................................47

1.3.6. Оптические методы........................................................................48

1.3.7.Сравнительный анализ методов и обоснование •

выбора средств диагностики двухфазных потоков................................... 50

1.4. Выводы по первой главе.......................... .■...:.............................. 51

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТЕНДЫ И

МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ......;............................ 52

2.1. Описание экспериментальных стендов для исследования гидродинамических характеристик одно- и двухфазных потоков в моделях TBC с крестообразными, твэлами........................,................................ 53

2.1.1. Описание экспериментального стенда для исследования гидродинамических характеристик однофазного потока в модели TBC с крестообразными твэлами................................................................ 53

2.1.2. Описание экспериментального стенда для исследования гидродинамических характеристик движения двухфазного потока в пучках крестообразных твэлов..............................■...................................... 60

2.1.3. Конструкция и принципы работы

датчика акустического зондирования.................................................. 64

2.1.4. Измерительная система контроля истинного паро- газосодержания

ИВК стенда.................................................................................. 66

2.2. Методики проведения экспериментальных исследований гидродинамических характеристик однофазного потока в модели ТВС

с крестообразными твэлами.............................................................. 68

2.2.1. Методика проведения экспериментов и обработки

экспериментальных данных по исследованию полей скорости

»

и статического давления в поперечном сечении канала.......................... 75

2.2.2. Методика проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных по исследованию полей касательных напряжений на поверхности центрального твэла.................................... 75

2.2.3. Методика проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных по исследованию межячеечного обмена массой............................ 80

2.3. Методики исследований структуры и статистических характеристик двухфазного потока в пучках крестообразных твэлов.............................. 82

2.3.1. Методики исследования истинного локального паро- газосодержания

двухфазных потоков....................................................................... 82

2.3.1.1. Расчет погрешностей измерения истинного

локального газосодержания.............................................................. 89

2.3.2. Методика расчета корреляционнных и спектральных характеристик пульсаций истинного локального papo- газосодержания........................... 92

2.3.2.1. Расчет дифференциальных и интегральных эмпирических и теоретических функций распределения............................................... 92

2.3.2.2. Проверка статистических гипотез............................................. 95

2.3.3. Методика расчета корреляционных и спектральных функций............ 97

2.4. Достоверность результатов экспериментального исследования..............99

2.5. Выводы по второй главе............................................................ 105

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ГИДРОДИНАМИКИ ОДНОФАЗНОГО ПОТОКА В ПУЧКАХ КРЕСТООБРАЗНЫХ ТВЭЛОВ......................................................... 106

3.1. Результаты исследования полей скоростей и статического давления..... 106

3.2. Результаты исследования касательных напряжений на поверхности твэла......................................................................................... 131

3.3. Результаты исследования межячеечного обмена массой................... 141

3.4. Компьютерная визуализация течения теплоносителя в пучке крестообразных твэлов............;.............................'......................... 147

3.5. Выводы по третьей главе........................................................... 152

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУКТУРЫ И СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХФАЗНЫХ

ПОТОКОВ В ПУЧКАХ СТЕРЖНЕЙ КРЕСТООБРАЗНОЙ ГЕОМЕТРИИ.... 154 4.1. Структура и особенности двухфазных потоков в'пучках стержней

крестообразной геометрии............................................................... 154

4.2. Корреляционный и спектральный анализ пульсаций локального газосодержания по сечению модели TBC............................................. 166

4.3. Выводы по четвертой главе......................................................... 175

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................. 176

Список использованной литературы................................................... 177

ПРИЛОЖЕНИЕ 1...........................................................................184

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.......................................................................... 289

ПРИЛОЖЕНИЕ 3........................................................................... 299

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

г, Т - температура, °К.; время; период, с

Ь - длина, м

с! - диаметр, м

р - плотность среды, кг/м3.

х - расстояние до .стенки, м

И - высота; шаг навивки, м

V - объем, м3

п0 - концентрация газовых пузырей в потоке

х - касательное напряжение, Н/м2

ф - истинное паросодержание потока

б - шаг решетки, м

п - число стержней в пучке

К - коэффициент межканального обмена, м"1'

* о

С) - объемный расход, м /с

5 - толщина, м; угол ориентации твэлов; угол набегания потока на чувствительную часть шарового зонда, град, ф - координатный угол, град. Р - давление, МПа

g - ускорение свободного падения, м/с2. \¥ - скорость потока, м/с ц - коэффициент внутреннего трения, Н-с (3 - объемное расходное газосодержание потока, коэффициент неэквивалентности переноса тепла и массы г - продольная координата, м в - массовый расход, кг/с

■п 2

г - площадь, м

• 2

рюо - массовая скорость, кг/м -с

и - уровень дискриминации Т| - поправка асимметрии А - амплитуда

а - угол вхождения ребра в ячейку, рад. f - частота, Гц Ии - критерий Нуссельта Ые- критерий Рейнольдса Рг - критерий Прандтля - критерий Стантона

Индексы:

ср - средний

признак параметра в потоке 1,] - номера ячеек, номер измерения м-массовый п - продольный г - поперечный

г - гидравлический, геометрический

к - конвективный

т - турбулентный

лок. - локальный

полн. - полный

возд. - воздух

х, у, ъ - координатные оси

скор. - скоростной

стат. - статический

экв. - эквивалентный

гр. - граничный

опис. - описанный

абс. -абсолютный

Z - суммарный

шах - максимальный

min - минимальный

эфф. - эффективный

газ. - газовый .

<> - признак осреднения

Остальные обозначения поясняются в тексте.

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние атомной энергетики характеризуется качественным повышением безопасности и надежности как основного оборудования, так и ядерных энергетических установдк (ЯЭУ) в целом.

Требования высокой эффективности и, вместе с тем, высокой надежности активных зон ядерных реакторов сделали актуальным решение широкого класса задач теплофизического обоснования их работоспособности при различных режимах работы.

Стремление получить максимальную удельную мощность активных зон привело к необходимости использования тепловыделяющих элементов крестообразного профиля с закруткой их вдоль продольной оси [1].

При этом увеличение теплопереноса обусловлено не только увеличением площади теплопередающей поверхности, но и воздействием поля центробежных массовых сил на микроструктуру пристенного течения, создающего основное термическое сопротивление передаваемому тепловому потоку. .

Гидродинамика и массообмен в стержневых тепловыделяющих сборках (ТВС) активных зон ядерных реакторов интенсивно исследовались в последние годы как в нашей стране, так и за рубежом'. При этом обширный экспериментальный материал получен преимущественно для сборок гладких и оребренных стержней в форме круглого цилиндра (с различным типом их дистанционирования), а также для сборок гладких стержней с навивкой дистанционирующих проволок на их поверхность.

Исследований гидродинамики однофазного и двухфазного потоков в пучках крестообразных твэлов, включая локальные характеристики межячеечного массообмена, до настоящего времени не проводилось.

Однако структура ,потока 'теплоносителя в активных зонах ядерных реакторов с крестообразными твэлами имеет существенные особенности по сравнению с гладкими или оребренными твэлами.

Сложное течение теплоносителя с изменением толщины пристенного слоя по сечению и длине TBC, локальные флуктуации парообразования в диаметрально противоположных сечениях, делают гидродинамику каналов одним из определяющих факторов, влияющих на теплофизические и физико-химические процессь1 в тепловыделяющих^ сборках с крестообразными твэлами. •

Существенное влияние гидродинамика и массообмен в ячейках TBC оказывают на критические тепловые потоки на поверхности твэлов.

Эксплутационная надежность активных зон определяется сохранением заданных теплотехнических характеристик в процессе эксплуатации. Снижение этих характеристик связано с процессами отложений примесей теплоносителя и продуктов коррозии на поверхности твэлов. Кроме того, увеличение толщины отложений помимо активизации негативных коррозионных процессов, может привести и к пережогу оболочек твэлов, вследствие резкого увеличения термического сопротивления теплопередачи. / •

При этом важным фактором, определяющим процесс формирования отложений, является как гидродинамика основного потока теплоносителя, ответственная за доставку примесей к теплообменной поверхности, так и гидродинамическая картина (касательные напряжения) вблизи поверхности твэла, определяющая процессы смыва отложений с поверхности.

В связи с этим экспериментальные исследования закономерностей течения, структуры одно- и двухфазного потока, касательных напряжений на поверхности твэлов, условий и закономерностей формирования локальных и интегральных характеристик • межканального обмена с получением обобщающих зависимостей является важной задачей, решение которой позволяет обосновать теплотехническую надежность активных зон с крестообразными твэлами. •

Выполненные исследования проводились в рамках ряда научно-исследовательских работ, проводимых научно-исследовательской лабораторией

"Парогенерирующие системы" кафедры "Атомные и тепловые электростанции и установки" Нижегородского государственного технического университета.

Цель настоящей работы заключалась: в экспериментальном исследовании локальных и осредненных гидродинамических характеристик и структуры одно- и двухфазных потоков в пучках крестообразных твэлов и влияния на них режимных и геометрических параметров;

в экспериментальном исследовании межячеечного массообмена в пучках твэлов крестообразной формы;

в экспериментальном исследовании локальных пульсационных характеристик двухфазного потока по периметру крестообразных твэлов.

Научная новизна работы состоит в следующем: впервые в достаточно широком диапазоне определяющих параметров проведены исследования полей скоростей и статических давлений потока теплоносителя в пучке крестообразных твэлов и на их поверхности; получены обобщающие зависимости для расчета касательных напряжений на поверхности твэлов крестообразной формы как локального, так и интегрального характера; .

в результатах экспериментального исследования и обобщении характерных особенностей массообмена в пучке крестообразных твэлов; в результатах экспериментальных исследований структуры и локальных пульсационных ^характеристик двухфазного, потока в пучках крестообразных твэлов в диапазоне режимных параметров характерных для современных ЯЭУ с естественной циркуляцией.

Достоверность основных научных положений и выводов диссертации.

Основные научные положения и выводы по работе хорошо согласуются с современными представлениями о гидродинамических и тепломассообменных процессах в однофазных и двухфазных средах. Предлагаемые рекомендации основаны на результатах исследований нескольких моделей TBC с

крестообразными твэлами с обоснованием представительности конструктивных отличий испытуемых моделей от штатных изделий и расчетом погрешности измеряемых величин.

Теплофизические ■■• стенды, измерительно-вычислительный комплекс, средства измерения прошли аттестацию Госповерителем. При анализе пульсационных процессов, использована статистическая обработка опытных данных.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Проведенные исследования гидродинамических характеристик и структуры одно- и двухфазных потоков в пучках крестообразных твэлов, включая и ее компьютерную анимационную Визуализацию, позволили выявить характерные особенности и гидродинамические механизмы течения теплоносителя, необходимые для качественного понимания процессов массообмена в пучках крестообразных твэлов.

Полученные обобщающие зависимости по локальным и средним коэффициентам межячеечного обмена массой в пучках крестообразных твэлов в широком диапазоне' режимных параметров позволяют уточнить методики теплогидравлического расчета активных зон ядерных реакторов с твэлами крестообразной формы и приняты для практического использования в Опытном конструкторском бюро машиностроения.

Результаты исследований локальных и средних по периметру твэлов касательных напряжений, пульсационных характеристик двухфазных потоков используются при разработке методов расчета процессов осаждения примесей теплоносителя на поверхности крестообразных твэлов. '

Личный вклад автора.

Автор принимал непосредственное участие в проектировании и монтаже экспериментальных стендов и установок, разработке методик экспериментальных исследований, обработке и анализе их результатов.

В проведении экспериментальных исследований автор принимал непосредственное участие в составе исследовательского коллектива.

Постановка задачи и развитие исходных концепций были сделаны научным руководителем.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы были доложены и получили одобрение на Второй российской национальной конференции по тепломассообмену (г.Москва, 1998 г.), на Третьей конференции молодых ученых и специалистов (г.Н.Новгород, 1998 г.), на Научно-техническом совете Опытного конструкторского бюро машиностроения-(г.Н.Новгород, 1998 г.), на научных семинарах" кафедры "Атомные и тецловые электроста