автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Разработка и валидация математической модели пространственного течения двухфазной пароводяной среды в объеме парогенератора

На правах рукописи

005044969

Неровнов Алексей Александрович

РАЗРАБОТКА И ВАЛИДАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ТЕЧЕНИЯ ДВУХФАЗНОЙ ПАРОВОДЯНОЙ СРЕДЫ В ОБЪЕМЕ ПАРОГЕНЕРАТОРА

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 МАЙ 2012

Москва-2012

005044969

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «НИУ«МЭИ» на кафедре Атомных электрических станций

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Мелихов Олег Игорьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Крошилин Владимир Евгеньевич, профессор кафедры Газовой и волновой динамики

Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

кандидат технических наук Долганов Кирилл Сергеевич, заведующий лабораторией «Моделирование проектных, запроектных и тяжелых аварий на реакторах водо-водяного типа» ИБРАЭ РАН

Ведущая организация: Институт теплофизики СО РАН

Защита состоится « 13 » июня 2012 года в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.157.07 ФГБОУ ВПО «НИУ«МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.14, аудитория МАЗ МЭИ.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ«МЭИ»

Автореферат разослан « 12 » мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н.

И.П.Ильина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В соответствии со стратегией развития атомной энергетики России в первой половине XXI века одной из главных задач является обеспечение высокого уровня безопасности, надежности и эффективности работы АЭС. На решение этой задачи направлены многочисленные расчетные и экспериментальные исследования, проводимые в рамках российских и международных проектов и программ. При этом одной из центральных проблем является повышение эффективности и надежности работы парогенераторов (ПГ), в которых осуществляется производство рабочего пара на АЭС, представляющих собой специальные теплообменные установки. В них тепло, отводимое из активной зоны реактора охлаждающей средой, передается рабочему пару.

В настоящее время в России разрабатывается инновационный водо-водяной реактор нового поколения (проект АЭС-2006). В ходе его разработки необходимо создать конкурентоспособный по экономическим, технологическим и другим показателям энергоблок с повышенной электрической мощностью 1100-1200 МВт. Одним из основных требований к проекту АЭС-2006 является эволюционный характер вносимых усовершенствований. В проекте АЭС-2006, как и в предыдущем проекте ВВЭР-1000, предполагается использование горизонтального парогенератора. Однако данный парогенератор будет отличаться от парогенератора, использовавшего в АЭС предыдущего поколения, конструкцией пучка теплообменных труб и увеличенным диаметром корпуса, что позволит парогенератору работать на повышенной мощности.

Основным методом исследований гидродинамических процессов в парогенераторах до сих пор являлись натурные испытания на действующих блоках. Понятно, что такой метод неприменим для исследований и обоснования работоспособности ПГ современных АЭС, находящихся в стадии проектирования. В этой ситуации особенно актуальным становится применение методов математического моделирования процессов в ПГ. Более того, для повышения конкурентоспособности новых проектов ПГ необходимо обоснование на длительный, вплоть до 50-60 лет, срок коррозионной стойкости теплообменных труб. Задача обеспечения работоспособности трубчатки требует в свою очередь изучения распределения теплогидравлических параметров таких, как: температура, паросодержание и скорость циркуляции в объеме второго контура.

Дель работы состоит в разработке и валидации математической модели пространственного течения двухфазной пароводяной смеси в объеме горизонтального парогенератора.

Основными задачами исследования являются:

обзор основных работ, посвященных проблеме гидродинамических и сепарационных процессов в горизонтальном парогенераторе;

разработка математической модели, описывающей теплогидравлические процессы в горизонтальном парогенераторе;

валидация кода STEG, разработанного на основе математической модели, на результатах экспериментов по теплошдравлике ПГ, выполненных в Университете г.Торонто (Канада), ВТИ, ОКБ «Гидропресс»;

проведение экспериментов на стенде Iii В (ЭНИЦ), создание соответствующей базы опытных данных и валидация кода STEG на полученных экспериментальных данных.

Научная новизна. В диссертационной работе:

Предложена математическая модель пространственного течения двухфазной пароводяной среды в объеме парогенератора, основанная на применении методов механики многофазных сред. Проведена валидация моделей силового межфазного взаимодействия на экспериментах по восходящему течению двухфазного потока в трубном пучке и определено, что наилучшие результаты дают модели Симовича, Ишии-Зубера и TRAC. Выполнен расчетный анализ экспериментов (стенд ОКБ «Гидропресс») с помощью модифицированного автором кода STEG, моделирующих пространственные теплогидравлические процессы в горизонтальном парогенераторе. Показано, что наилучшие результаты обеспечивает использование работы моделей межфазного трения, предложенных в коде TRAC, и гидравлического сопротивления трубчатки и ПДЛ, разработанные ВТИ. Проведены эксперименты на стенде 111В (ЭНИЦ), моделирующем верхнюю часть ПГ, и создана база опытных данных. Модифицированный код STEG адекватно воспроизвел все основные качественные и количественные тенденции, наблюдавшиеся в экспериментах.

Достоверность предложенных в работе модели, численной схемы и разработанного на их основе кода базируется на использовании апробированных определяющих корреляций и подтверждается результатами тестирования и валидации кода, разработанного на основе математической модели.

Практическая ценность проведенного исследования состоит в создании валидированного расчетного кода STEG, предназначенного для моделирования теплогидравлических процессов в горизонтальном парогенераторе. Проведение вариантных расчетов разработанным кодом позволит определить оптимальную конструкцию горизонтального парогенератора повышенной мощности для использования в инновационных проектах АЭС нового поколения.

Созданная база опытных данных, полученных на стенде ПГВ (ЭНИЦ), необходима для валидации как существующих теплогидравлических кодов, так и кодов, которые будут разрабатываться в будущем.

Все основные этапы исследования выполнялись по договору между Проектно-конструкторского филиалом ОАО «Концерн Росэнергоатом» и МЭИ № 2149090 от 01.04.2009, договору между ОАО ОКБ «Гидропресс» и ОАО ЭНИЦ " № 02074-1 от 01.09.2010, а также двум Государственным контрактам с

Министерством образования и науки РФ (ГК №П491 от 13.05.2010, ГК №П1091 от 31.05.2010).

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель и расчетный код STEG для анализа теплогидравлических процессов в ПГ.

2. Результаты валидации расчетного кода на данных экспериментов воспроизводящих основные тешюгидравлические процессы, имеющие место в горизонтальном парогенераторе.

3. База опытных данных по теплогидравлике ПГ, полученная на стенде ПГВ(ЭНИЦ).

Личный вклад автора. Все этапы работы по разработке математической модели, созданию, верификации и валидации кода STEG, а также проведению расчетов и их анализ были выполнены непосредственно автором, либо проходили при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке экспериментов, выборе режимных параметров, проведении экспериментов на стенде ПГВ в ОАО «ЭНИЦ», результаты которых были использованы при валидации математической модели.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8-ом Международном Семинаре по горизонтальным парогенераторам (Россия, г. Подольск, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2010), на ежегодной Международной конференции Annual Meeting on Nuclear Technology (Берлин, Германия, 2011), Национальной конференции "Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС. ИТАЭ-80" (Россия, г. Москва, 2012), 17-ой Международной научно-техническая конференции студентов и аспирантов МЭИ (Россия, г. Москва, 2011), 18-ой Международной научно-техническая конференции студентов и аспирантов МЭИ (Россия, г. Москва, 2012).

Публикации. Основные результаты работы были изложены в статьях, опубликованных в журналах "Вестник МЭИ ", "Science and Technology of Nuclear Installations", и 5 докладах, опубликованных в трудах отечественных и международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 87 наименований. Диссертация содержит 195 страниц текста, в том числе 22 таблиц и 87 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проведенных в диссертации исследований, определены цели и задачи работы и дана общая постановка решаемых в диссертации задач.

В первой главе анализируется современное состояние развития расчетных кодов, используемых для математического моделирования теплогидравлических процессов в парогенераторе. Показано, что наиболее общим для описания теплогидравлических процессов в ПГ является подход, основанный на методах механики многофазных сред, при котором гетерогенная среда рассматривается как система взаимопроникающих взаимодействующих континуумов. При этом для каждой отдельной фазы (вода, пар, трубный пучок) формулируются законы сохранения массы, количества движения и энергии, которые дополняются замыкающими соотношениями, описывающими условия совместной эволюции фаз.

Установлено, что основным недостатком всех современных теплогидравлических кодов для расчета ПГ является их недостаточная валидация на опытных данных, полученных на экспериментальных стендах, моделирующих ПГ.

Во второй главе излагается разработанная математическая модель пространственного течения двухфазной пароводяной смеси в объеме ПГ.

Расчет течения пароводяной смеси во втором контуре ПГ основан на численном интегрировании нестационарных трехмерных уравнений механики многофазных сред. Для воды (фаза 1) и пара (фаза 2) формулируются законы сохранения массы, количества движения и энергии, которые дополняются замыкающими соотношениями, описывающими межфазное взаимодействие. Наличие теплообменных труб и различных внутрикорпусных устройств (погруженный дырчатый лист, дистанционирующие решетки, перегородки и др.) характеризуется соответствующей объемной долей (пористостью) и площадью проходного сечения (проницаемостью).

Система уравнений для г'-ой фазы (г=/-вода, г=2-пар) выглядит следующим образом: Сохранение массы:

+ = (1)

си

Сохранение импульса:

ы

<*,Р, |5+'(V, ■т = + Л Г,) ■(У]-У1) + с12 V, - V, • (V, -V,)-

V,

Ъ+МъРь-УЛ + црЪ (2)

Сохранение энергии

+ diyfarfh, Щ = + qsl + Г А, + qyi + М,,Д, (3)

Здесь а - объемная доля, р°- истинная плотность, V - скорость, р — давление, h - энтальпия, Р0 - среднее давление, нижние индексы i и / показывают номер фазы (вода или пар), Г - скорость испарения/конденсации, MiS ~ внешний массовый источник (питательная вода, продувка и т.п.) с энтальпией подводимой среды His, f(Xi)~ функция, служащая для описания переноса импульса через межфазную поверхность при фазовом превращении, с 12 - коэффициент межфазного трения, сц - коэффициент трения i-ой фазы о трубчатку, g- вектор силы тяжести, qSi — тепловой поток со стороны

межфазной поверхности в i-ю фазу, hsi - энтальпия насыщения i-й фазы, q3i -тепловой поток от трубчатки в i-ю фазу.

Для замыкания приведенной выше системы уравнений ее необходимо дополнить замыкающими соотношениями, описывающими силовое и тепловое межфазное взаимодействие, а также взаимодействие фаз с трубным пучком. В данной работе в дальнейшем рассматриваются только адиабатические двухфазные потоки, поэтому модели теплового взаимодействия здесь не приводятся. Описание моделей силы межфазного взаимодействия и гидравлического сопротивления пучка будет дано в следующих разделах.

Численное интергирование уравнений осуществляется с помощью конечно-разностного полунеявного метода. Для конечно-разностной дискретизации уравнений используется «шахматная» сетка -термодинамические свойства определяются в центрах расчетных ячеек, а скорости - на гранях ячеек. Члены уравнений, описывающие потоки, аппроксимируются с использованием донорного принципа

Используемый численный метод в соответствии с порядком аппроксимации имеет первый порядок точности по времени и пространству. Применяемая в данном методе неявная аппроксимация скорости, давления и всех источниковых членов позволяет избавиться от существенных ограничений на величину временного шага интегрирования. По существу, временной шаг интегрирования определяется условием устойчивости по числу Куранта, построенному по конвективной скорости.

Основные вычислительные затраты связаны с решением уравнения для давления. Было установлено, что наиболее эффективным методом его решения является метод сопряженных градиентов.

Изложенная математическая модель с помощью описанной численной схемы была реализована в виде расчетного кода STEG.

В третьей главе предоставлены результаты выполненного сравнительного анализа наиболее распространенных корреляций по

межфазному сопротивлению применительно к течениям двухфазного потока в трубчатке, а также проведено сопоставление двух альтернативных подходов к описанию взаимодействия двухфазного потока с трубльтм пучком. Для сравнения моделей межфазного силового взаимодействия и взаимодействия фаз с трубным пучком использовались опытные данные по истинному объемному

паросодержанию (ИОП) в пучке и гидравлическому сопротивлению (ГС) пучка, полученные в экспериментах Dowlati et al. (университет г.Торонто, Канада) и A.B. Колбасникова и др. (Всероссийский теплотехнический институт, ВТИ) по поперечному обтеканию в вертикальном канале восходящим двухфазным потоком выгороженного пучка труб коридорного типа. Параметры этих экспериментов приведены в таблице 1.

Межфазное силовое взаимодействие оказывает существенное влияние на распределение паросдержания и поле скоростей пара и воды. Для определения наилучших корреляций была проведена валидация четырех наиболее распространенных моделей межфазного трения.

Сила межфазного трения определяется по соотношению:

¿12 = Cl2\Ü2 - Utlfr - üt) - f^Ki/j - üt)

где CD - коэффициент межфазного сопротивления, Dp - диаметр пузырька/капли.

Для модели Ишии, Зубера (1979 год) выделяются три режима течения:

Ср _ Y" f 1 + 17.67 /(ff )6/7

Параметр Dowlati Колбасников

Среда возд-вода пар-вода

Давление, МПа 0,1-0,18 2,2; 7,0

Массовое расходное паросодержание 0-0,33 0-1

Массовая скорость 17-818 54-450

Число рядов, высота/ширина 20/5 10/5

Диаметр трубок, мм 19 16

Б.М, Б2/с1 1,3: 1,3 1,19; 1,19

1) пузырьковый {(р < 0,3):

где ftjp) = Др -

поверхностного натяжения.

разность

) [ 18.67/0?) плотностей фаз, а - коэффициент

2) вспененный (0,3 < <р< 0,7):

3) дисперсный (<р> 0,7):

Сп _2fg&p}' Dp 31 «г J

(1 -<р)\

1 + 17.6 7/(ff)6'7 18.67/(ff)

ГД еАФ) =

Следует отметить, что в данной модели на границах режимов течения (<р = 0,3и (р = 0,7) имеют место разрывы силы межфазного взаимодействия.

Модель, разработанная для кода TRAC (1990 г), имеет следующий вид. 1) пузырьковый режим течения (<р< 0,3): при описании этого режима в выражение для силы межфазного взаимодействия вводится специальный

коэффициент учитывающий миграцию пузырьков в сторону области с повышенной скоростью. Коэффициент сопротивления определяется как:

CD =—(1,0+0,15 Re0 687 ), при числах Рейнольдса Re < 1 ООО;

24

Re

CD =0,44, при Re >1000.

Здесь Re - число Рейнольдса для пузырька:

Re =

Dp h-»il А

, где ¡.l - динамическая вязкость жидкой фазы и D =2 |-.

ygiPi-Pi)

2) дисперсно-кольцевой режим {<р> 0,75), где сила межфазного взаимодействия определяется как сумма силы взаимодействия пара и капель и силы взаимодействия пара и жидкой пленки: = Р^ + Эти силы

представляют собой силы сопротивления со стороны капель и жидкой пленки, соответственно. Детальное описание корреляций слишком громоздко и полностью приведено в тексте диссертации.

3) В диапазоне 0,3 < ср < 0,75 межфазное взаимодействие определяется путем линейной интерполяции по (р между граничными значениями для пузырькового режима и для дисперсно-кольцевого режима.

В модели Симовича (2007 г.), разработанной непосредственно для течения двухфазной среды трубчатке, рассматриваются два режима течения:

1) пузырьковый {(р< 0,3) для которого используется формула Ишии-Зубера, с поправочным коэффициентом 0,4:

Авторы объяснили наличие этого коэффициента тем, что таким образом их расчетные результаты для истинного объемного паросодержания достигают наилучшего совпадения с опытными данными. С их точки зрения наличие трубчатки приводит к отклонению пузырей от сферической формы и к увеличению их коалесценции, что снижает коэффициент сопротивления.

2) вспененный режим (<р > 0,3), для которого предложена новая корреляция, которая базируется на той же функциональной зависимости от истинного объемного паросодержания, что и в коде CATHARE:

Код TRACE (2007) разрабатывается Надзорным органом США (US Nuclear Regulatory Commission) на основе объединения кодов TRAC и RELAP5. В модели межфазного силового взаимодействия рассматриваются следующие режимы:

1) пузырьково-снарядный режим. Коэффициент сопротивления имеет вид:

l + 17.67/(g>) 18.67/(0»)

6/7

с =

12,55

<p(l-<pf gАр

■2

Для скорости дрейфа 9) используется либо модель Ишии, либо модель Ишии-Катаоки.

2) для дисперсно-кольцевого режима коэффициент межфазного сопротивления определяется примерно так же, как и в модели для кода TRAC. Рассматривается трение пленки о пар и трение жидких капель о пар.

- относительная скорость капель.

Подробное изложение модели приведено в диссертации.

После определения коэффициентов межфазного сопротивления для пузырьково-снарядного режима и для дисперсно-кольцевого режима при одних и тех же параметрах потока в коде TRACE находится окончательный коэффициент межфазного сопротивления.

Следует подчеркнуть, что в области пузырьково-снарядных течений значения коэффициента CI2SS существенно больше значения коэффициента С12 Ш. Поэтому в этой области коэффициент межфазного сопротивления практически равен коэффициенту сопротивления для пузырьково-снарядных течений. Аналогичная ситуация имеет место и для дисперсно-кольцевых течений. В этой области величина Си ш намного превосходит величину Са BS, поэтому общий коэффициент межфазного сопротивления практически равен коэффициенту сопротивления для дисперсно-кольцевых течений. Как отмечают разработчики кода TRACE, данная формула по существу представляет некую интерполяцию в переходной области и обеспечивает сглаженное описание межфазного сопротивления и достижение более устойчивых расчетов.

V 1

с =С 4-С _^—

,АМ 12 / ^^

Были выполнены расчеты всех экспериментальных режимов и § сопоставлены значения истинного |

о.

объемного паросодержания в | трубном пучке. g.

В качестве иллюстрации на £ рисунке 1 и рисунке 2 приведены 1 экспериментальные и рассчитанные с ю помощью четырех моделей о зависимости истинного объемного | паросодержания от массового s

расходного паросодержания для ie-» ie-з 0,01 0,1

1 AT-* Массовое расходное паросодержание

экспериментов Dowlati и A.B. Рис. 1. Зависимости среднего истинного Колбасникова для определенных объемного содержания от массового расходного значений массовых скоростей. паросодержания для экспериментов Dowlati

(Gmax = 262 кг/м2с).

Определяющее влияние на получающуюся величину истинного объемного паросодержания оказывает модель межфазного трения (F2i), модель силового взаимодействия фаз с трубчаткой F31 (проверялись четыре различных модели) не оказывает на паросодержание никакого влияния. Также на этих рисунках приведена зависимость истинного объемного паросодержания от массового расходного паросодержания, рассчитанная по гомогенной модели двухфазного потока.

Из рис. экспериментов совпадение использовании

1 видно, что для Оо\у1аП наилучшее получается при модели Симовича.

Это неудивительно, поскольку данная модель построена на анализе этих экспериментальных данных. Модель Инши и Зубера также дает хорошие результаты для этих экспериментов, так как является схожей по корреляциям с моделью Симовича. Количественное расхождение расчетных и экспериментальных данных оценивалось с помощью метода стохастической аппроксимации.

♦ эксперимент —Симович —о— Зубер, Ишии —о—TRAC —С"—TRACE

1е-4

Массовое расходное паросодержание

Рис.2. Зависимости среднего истинного объемного содержания от массового расходного паросодержания для экспериментов Колбасникова (вшах = 232 кг/м2с).

В таблице 2 приведены средние значения коэффициентов стохастической аппроксимации для среднего истинного объемного паросодержания для расчетов различными методиками межфазного трения.

Из табл. 2 видно, что результаты, полученные по моделям

Табл.2. Средние значения коэффициентов

Симовича и Ишии-Зубера, лучше «охастаческои аппроксимации для среднего

' истинного объемного паросодержания для

совпадают с экспериментом, нежели расчегов разлиЧными методиками межфазного

Модель Dowlati Колбасников

Симович 0,893 0,789

Ишии, Зубер 0,834 0,738

TRAC 0,764 0,754

TRACE 0,712 0,647

экспериментов Dowlati. Для экспериментов Колбасникова

точность определения объемного паросодержания по моделям Симовича, Зубера-Ишии и TRAC примерно одинакова.

Наряду с межфазным взаимодействием двухскоростная модель двухфазного потока требует задания силы сопротивления каждой фазы о трубной пучок: силы сопротивления воды о трубчатку (F31) и силы сопротивления пара о трубчатку (F32). Очевидно, что экспериментальных данных по сопротивлению отдельно воды о трубчатку и отдельно пара о трубчатку нет, имеются лишь данные по суммарной силе сопротивления двухфазного потока о трубчатку. Поэтому определение F3] и F32 требует введения некоторых предположений и гипотез. Имеется два подхода к расчету F31 и F32.

Подход I, предложенный разработчиками кода TRAC для течения двухфазного потока в канале, основан на достаточно естественном предположении о том, что площадь соприкосновения рассматриваемой фазы с трубным пучком (в единице объема) пропорциональна объемной доле фазы. Выражение для силы трения фазы о трубчатку записывается в традиционном виде — сила пропорциональна коэффициенту сопротивления и квадрату скорости:

При этом для коэффициентов сопротивления используются формулы для однофазного течения:

#,=1,8 1 z.Re,0'2; fe: ' " 1

= 1,!

s¡P,ID-1 г ' ' м ' 4PJD-\ Разработчики кода TRAC путем сравнения с опытными данными показали, что этот подход достаточно хорошо описывает трение двухфазного потока о стенки канала.

Подход II предложен разработчиками RELAP5. Как правило, в результате обработки экспериментальных данных по перепадам давления двухфазных потоков на трубных пучках формулируются соответствующие корреляции. Располагая экспериментальной величиной суммарной силы трения двухфазного потока, ее разделяют между жидкой и газовой фазой. Для этого комбинируют упрощенные уравнения импульса фаз (одномерные, стационарные, учитывается только перепад давления, сила трения о трубчатку и межфазная сила). В результате силы F31 и F32 выражаются через силу трения двухфазного потока Fw

и г-фактор, представляющий собой отношение пока еще неизвестных сил Е3] и Рз2- Но в сумме Гз1 и Рзг при любом гф всегда дают Р„.

Ъ,

от,

^32 ~

1

где

/ аг

Для оценки гф используются соотношения для Ь'з| и Р32 для однофазного потока:

2 ' " 4 2

Достоинство подхода II - суммарный перепад давления на трубном пучке в расчете равен заданному значению в соответствии с эмпирической корреляцией.

Для обоснования применения того или другого подхода к расчету взаимодействия двухфазного потока с трубным пучком нужно провести проверку на экспериментальных данных, т.е. показать, что расчетный суммарный перепад давления на пучке совпадает с экспериментальным.

В экспериментах БочуМ были также получены опытные данные по гидравлическому сопротивлению пучка, которые использовались для сравнения подходов взаимодействия фаз с трубным пучком. Наряду с тем, что, результаты расчетов объемного паросодержания практически не зависят от способа расчета гидравлического сопротивления трубного пучка, сами корреляции для сопротивления трубного пучка существенно влияют на моделирование перепада давления на пучке.

На рисунке 3 показаны расчеты гидравлического сопротивления трубного пучка для одной серии экспериментов с

использованием первого подхода (корреляции Идельчика) и второго подхода, в котором используется предложенная полуэмпири-

ческая корреляция. При расчетах использовалась модель межфазного взаимодействия Симовича. В расчете второй подход воспроизводит эту полуэмпирическую корреляцию и дает результаты намного ближе к эксперименту по сравнению со вторым подходом.

Выполненные сопоставительные расчеты показали, что второй подход для описания силового взаимодействия двухфазного потока с трубчаткой, обеспечивает лучшее согласие расчетных результатов с экспериментальными.

Рис.3. Зависимость перепада давления на трубчатке от массового расходного паросодержания (Стах = 503 кг/м2с)

Все указанные модели и подходы были внедрены в новую версию кода STEG.

Четвертая глава посвящена валидации модифицированного кода STEG на опытных данных экспериментов, проведенных на крупномасштабном стенде в ОКБ «Гидропресс». Цель исследования - выбор наилучших моделей межфазного сопротивления и моделей взаимодействия с трубным пучком и ПДЛ для расчетов течения пароводяной смеси в парогенераторе.

Гидродинамическая модель парогенератора (далее модель) схематически представлена на рисунке 40сновные параметры экспериментальной установки приведены в таблице 3.

Модель представляет собой фрагментную «вырезку» ПГ шириной 241 мм, расположенную внутри прочного корпуса. Оба пучка, ПДЛ с закраиной, имитатор корпуса ПГ и вертикальная выгородка со стороны обогреваемого пучка образуют опускные коридоры (рис.4): горячий, центральный и два холодных коридора. Цифрами на рис.4 показана система измерений: отборы давления для определения объемного паросодержания (1-23), перепады давления на ПДЛ (PI, Р2).

Табл.3. Основные параметры экспериментальной установки и экспериментов.

Основные параметры экспериментальной установки

Высота рабочего участка, м 2256

Ширина рабочего участка, м 2166

Длина рабочего участка, м 241

Давление второго контура, Мпа 3,3

Тип трубного пучка коридорный

Живое сечение ПДЛ 0,1062

Основные параметры эксперимента

Расход пара на подпаривание обогреваемого пучка, т/ч 5

Расход пара на подпаривание необогреваемого пучка, т/ч 2,5

Рис.4. Схематическая конструкция гидродинамической модели парогенератора

g 1.0

а. g

і 0,9 8

і О

»5 0,8

_lL

—♦—Эксперимент j —•--Симович+подх.!

—TRAC+подх.І і —TRAC+подх II

0.0 0.1 0,2

0,3 0,4 0.5 0,6 0.7 0.6 Объемное паросодержание

/

/

/

А в

\ /

\ / — СИМОВИЧ + ПОДХ.1

\ TRAC+подх.І

\ ;

і .1..........

: , : і :

0.0 0.1 0,2 0,3 0.4 0.5 0.6 0,7 0.8 0.9 1.0 Объемное паросодержание

0,0 0,1 0,2 0.3 0,4 0.5 0,6 0,7 0,6 Объемное паросодержание

Г)

1400 га 1200 § 1000

¡i 400

—■*— Эксперимент —•—Симович+подх.1 -■—TRAC+подх I -л.— TRAOnoflX.II

0,4 0,5 0,6 0,7 0,3 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Расстояние от левой границы модели, м

д)

а) распределение истинного объемного ларосодержания ве центральном коридоре; б) распределение истинного объемного паросодержания в левом коридоре; а) распределение истинного объемного паросодержания в правом коридора; а) распределение перепада давления по длине ПДЛ.

Рис.5. Сопоставление опытных и расчетных результатов по стенду ОКБ «Гидпропресс».

Разработана расчетная модель экспериментальной установки. Число ячеек расчетной модели составляет 47x43x1.

Рассматривались две модели межфазного трения (модель 1 - Симович и др., модель 2 - TRAC) и два подхода взаимодействия с трубным пучком, описанных выше: подход I и подход II (с использованием корреляций Колбасникова). Результаты расчетов приведены на рисунке 5.

Таким образом, использование для описания взаимодействия пароводяной смеси с трубным пучком подхода II с использованием корреляций A.B. Колбасникова (для трубного пучка) существенно улучшило результаты расчетов модифицированным кодом STEG экспериментов, выполненных в ОКБ «Гидропресс». Это, наряду с выводом о предпочтительности использования корреляций кода TRAC для описания межфазного сопротивления, является основным результатом валидации кода STEG на опытных данных, полученных в экспериментах ОКБ «Гидропресс». На рис. 6 показано распределение объемного паросодержания и поле скорости воды для эксперимента на стенде ОКБ «Гидропресс» в расчете Рис.6. Распределение объемного

кодом STEG с использованием подхо- паросодержания и поле скорости воды для да II с корреляциями Колбасникова и эксперимента на стенде ОКБ «Гидропресс»

модели кода TRAC. В трубных пучках наблюдается, в основном, подъемное течение воды. В коридоре между корпусом и большим трубным пучком, коридоре между закраиной и малым трубным пучком наблюдается подъемное течение воды. В коридоре между трубными пучками наблюдается сложное подъемно-опускное течение воды. В области над трубными пучками вода проходит сквозь отверстия ПДЛ и сливается в зазор между корпусом и закраиной.

Пятая глава посвящена валидации кода STEG на опытных данных экспериментов, проведенных на стенде в 111 К (ОАО «ЭНИЦ»), в которых воспроизводятся теплогидравлические процессы, характерные для натурных горизонтальных парогенераторов.

Экспериментальная модель представляет собой поперечную "вырезку"

натурного парогенератора ПГВ-1000МКП с размерами 0,1х 1,62x2,45 м, размещенную вдоль горизонтальной оси сосуда высокого давления диаметром 1,67 м (рисунок 7). Давление во втором контуре поддерживается на уровне 7,0

Рис.7. Схематическая конструкция гидродинамической модели ПГВ

Первоначальный вариант конструкции стенда была разработан д.т.н. А.Г.Агеевым. В 2011 году при участии автора выполнена модернизация стенда. В 2011 году, при непосредственном участии автора работы, были проведены эксперименты. Создана база опытных данных, включающая в себя измерения истинного объемного паросодержания и перепадов давления в различных точках стенда для 21 режима, характеризующихся различными соотношениями расходов на «горячей» и «холодной» половинах ПГ и различными весовыми уровнями воды. Эксперименты проводились при двух значениях расхода пароводяной смеси - 7,5 т/ч и 8,4 т/ч, соответствующих нагрузке на зеркало испарения - 0,273 м/с и 0,306 м/с.

Измерительная система стенда: 1ч-2 - отборы давления для определения объёмного паросодержания под ПДЛ; 3-4 - отборы давления для определения объёмного паросодержания над ПДЛ; Р1-5-Р4 - отборы давления для определения перепада давления на ПДЛ; Н2, НЗ — определение массового уровня.

Разработана расчетная модель стенда. Число ячеек расчетной модели составляет 38x36x1. Рассматривались три модели межфазного трения (модель

V»рог 0 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 07 0 8 0.8 С

1 - TRACE, модель 2 - Симовича и др., модель 3 - TRAC) и подход II для описания гидравлического сопротивления трубчатки. Был рассчитан 21 экспериментальный режим, характеризующихся различными соотношениями расходов на «горячей» и «холодной» половинах ПГ и различными весовыми уровнями воды. Эксперименты проводились при двух значениях расхода пароводяной смеси - 7,5 т/ч и 8,4 т/ч, соответствующих нагрузке на зеркало испарения - 0,273 м/с и 0,306 м/с. Результаты расчетов приведены на рис. 8.

Относительная ошибка между расчетными и экспериментальными данными для всех режимов для трех рассмотренных методик межфазного взаимодействия приведены в таблице 4. Из таблицы 4 видно, что наилучшие результаты по расчетам экспериментов стенда ПГВ (ОАО «ЭНИЦ») дает методика описания межфазного взаимодействия, разработанная для кода TRACE, наряду с использованием для описания взаимодействия пароводяной смеси с трубным пучком подхода разработчиков кода RELAP и корреляций A.B. Колбасникова. На рис. 8 показано распределение j.» объемного паросодержания и поле ги скорости пара для экспериментального режима 8 на стенде ОАО «ЭНИЦ» в расчете кодом STEG с использованием подхода II с корреляциями Колбасникова и модели кода TRACE. В расчете наблюдается следующая физическая картина. Основная часть пара, выходящего из парового коллектора, проходит сквозь трубчатку, при этом объемное паросодержание в трубчатке близко к единице. А часть пара, выходящего из парового коллектора, огибает боковую поверхность трубного пучка и поднимается к ПДЛ. В области между трубным пучком и ПДЛ наблюдается подъемное течение пара и его растекание вдоль ПДЛ с горячей на холодную сторону стенда. При этом в области между трубным пучком и ПДЛ на горячей стороне паросодержание выше, чем на холодной стороне. Под ПДЛ растекающийся пар увлекает за собой воду в направлении холодной стороны. На холодной половине между ПДЛ и трубным пучком наблюдается подъемно-опускное циркуляционное течение воды.

Рис.8. Распределение объемного паросодержания и поле скорости пара для эксперимента на стенде ОАО «ЭНИЦ», режим 8

Табл.4, Суммарные погрешности расчетов по всем режимам экспериментов на стенде ПГВ (ОАО «ЭНИЦ») ___

Рассчитываемая величина Погрешность, % Погрешность, % Погрешность, %

вариант I вариант 2 вариант 3

Паросодержанис

<Pi 6 6 16

Ч>2 36 18 58

<Рз 29 60 18

q>4 17 36 19

Средняя погрешность 21 30 27

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель пространственного течения двухфазной пароводяной среды в объеме парогенератора, основанная на применен™ методов механики многофазных сред: фазы рассматриваются как взаимопроникающие континуумы, учитывается массообмен, обмен импульсом и энергией между ними.

2. Выполнен анализ имеющихся моделей межфазного силового взаимодействия, определены четыре наиболее перспективные модели для последующей валидации на экспериментальных данных и определения наилучшей из них.

3. Разработан подход для описания гидравлического сопротивления трубного пучка и ПДЛ в случае двухскоростной модели, основанный на использовании эмпирических данных по гидравлическому сопротивлению двухфазного потока и последующему разделению по фазам с сохранением значения суммарного сопротивления.

4. Проведена валидация моделей силового межфазного взаимодействия на экспериментах по течению двухфазного потока в трубном пучке. Сравнение

trac

В таблице 5 приведены численные результаты расчета экспериментального режима 8 с помощью моделей межфазного взаимодействия кода TRACE, модели Симовича и модели кода TRAC, с использованием подхода RELAP и корреляций Колбасникова.

Табл.5. Численные результаты расчета экспериментального режима 8 с помощью модели кода TRACE, модели Симовича и модели кода TRAC.

расчетных и экспериментальных значений истинного объемного паросодержания показало, что наилучшие результаты дают модели Симовича, Ипши-Зубера и TRAC.

5. Выполнен расчетный анализ экспериментов с помощью модифицированного кода STEG, выполненных на стенде ОКБ «Гидропресс» и моделирующих пространственные теплогидравлические процессы в горизонтальном парогенераторе. Определено, что наилучшие результаты обеспечивает использование внедренных автором работы моделей межфазного трения TRAC и гидравлического сопротивления трубчатки и ПДЛ (ВТИ).

6. Для валидации расчетных теплогидравлических моделей в ЭНИЦ был сконструирован стенд III В, моделирующий верхнюю часть горизонтального ПГ (трубчатка, ЦДЛ, закраина, сепарационный объем) при натурных параметрах. В 2011 году, при непосредственном участии автора работы, были проведены эксперименты. Создана база опытных данных, включающая в себя измерения истинного объемного паросодержания и перепадов давления в различных точках стенда для 21 режима, характеризующихся различными соотношениями расходов на «горячей» и «холодной» половинах ПГ и различными весовыми уровнями воды . Эксперименты проводились при двух значениях расхода пароводяной смеси — 7,5 т/ч и 8,4 т/ч, соответствующих нагрузке на зеркало испарения — 0,273 м/с и 0,306 м/с.

7. Была разработана расчетная модель стенда ПГВ. Коэффициент гидравлического сопротивления ПДЛ, оказывающий, сильное влияние на результаты расчета, был определен с использованием CFD моделирования. С помощью модифицированного кода STEG были выполнены расчеты всех экспериментальных режимов. Получено качественное совпадение протекания всех основных процессов: растекание пара под ЦДЛ, вынос воды на . ПДЛ и барботаж пара через двухфазный слой, слив воды с ПДЛ и захват пара в опуск. Выполнено количественное сопоставление расчетных и опытных данных, получено удовлетворительное согласие.

8. В результате проведенных расчетно-экспериментальных исследований разработана и валидирована математическая модель пространственного течения двухфазной пароводяной среды в объеме парогенератора.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мелихов В.И., Мелихов О.И., Парфенов Ю.В., Неровнов А.А., Трошин А.В. Валидация кода STEG на экспериментальных данных. // 8-й Международный семинар по горизонтальным парогенераторам. Россия, г. Подольск, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 19-21 мая 2010. Сборник тезисов докладов. С.50.

2. Агеев А.Г., Васильева Р.В., Елкин И.В., Мелихов В.И., Мелихов О.И., Никонов С.М., Парфенов Ю.В., Неровнов А.А., Трошин А.В. Валидация кода STEG на экспериментальных данных. // 8-й Международный семинар по горизонтальным парогенераторам. Электрон, дан. — Россия, г. Подольск, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2010 - №sgpg2010-047. - электрон, опт. диск (CD-ROM).

3. Melikhov V., Melikhov О., Parfenov Yu., and Nerovnov A. Simulation of the Thermal Hydraulic Processes in the Horizontal Steam Generator with the Use of the Different Interfacial Friction Correlations // Science and Technology of Nuclear Installations, vol. 2011, Article ID 181393, 9 pages, 2011. doi:10.1155/2011/181393.

4. Неровнов А.А., Мелихов О.И. Разработка конечно-разностной схемы для расчетного кода для анализа теплогидравлических и сепарационных характеристик парогенератора // 17-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. 24-25 февраля 2011 г., Москва. Тезисы докладов, 2011, том 3, МЭИ, С. 18-19.

5. Blinkov V.N., Melikhov V.I., Melikhov O.I., Parfenov Y.V., Nerovnov A. A. Analysis of thermal-hydraulic processes in the experimental model of horizontal steam generator with STEG code // Proceedings of Annual Meeting on Nuclear Technology 2011. - Berlin, Germany. - 17-19 May, 2011.

6. Мелихов В.И., Мелихов О.И., Неровнов A.A. Влияние моделей межфазного сопротивления на расчеты течения пароводяной смеси в парогенераторе // Вестник МЭИ, 2012, №1, С.43-48.

7. Неровнов А.А., Парфенов Ю.В., Мелихов О.И. Анализ экспериментов по обтеканию трубных пучков водовоздушным потоком с помощью двухскоростной двухфазной методики. // 18-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Россия, г. Москва, НИУ «МЭИ», 1-2 марта 2012. Сборник тезисов докладов.

8. Неровнов А.А., Парфенов Ю.В., Мелихов В.И., Мелихов О.И. Анализ экспериментов по поперечному обтеканию трубных пучков двухфазным потоком. // Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС. Россия, г. Москва, НИУ «МЭИ», 4-6 апреля 2012. Сборник тезисов докладов.

Подписано в печать Jf. 0 f.X6flГ. 3aKi Тир. J00 Пл Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

61 12-5/3805 ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

На правах рукописи

Неровнов Алексей Александрович

«РАЗРАБОТКА И ВАЛИДАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ТЕЧЕНИЯ ДВУХФАЗНОЙ ПАРОВОДЯНОЙ СРЕДЫ В ОБЪЕМЕ ПАРОГЕНЕРАТОРА»

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор физико-

математических наук О.И. Мелихов

Москва-2012

Содержание

Содержание....,..............................................................................................................2

Обозначения..................................................................................................................5

Введение......................................................................................................................Ю

1. Обзор работ по математическому моделированию теплогидравлических процессов в парогенераторе............................................1834

2. Математическая модель и численная схема кода STEG.......................23

2.1. Система уравнений, описывающих теплогидравлику непрерывных фаз......................................................................................................23

2.2. Законы межфазного взаимодействия.......................................................28

2.2.1. Силовое взаимодействие пара и воды.....................................................28

2.2.2. Теплообмен между фазами.......................................................................28

2.3. Описание взаимодействия пароводяной смеси с трубным пучком ......................................................................................................................29

2.3.1. Силовое взаимодействие пара и воды с трубным пучком....................29

2.3.2. Теплопередача от трубного пучка к пару и воде....................................30

2.4. Численный метод решения дифференциальных уравнений математической модели кода STEG.........................................................................30

2.5. Краткая характеристика кода STEG........................................................38

3. Исследование описания силового межфазного взаимодействия и взаимодействия пароводяного потока с трубным пучком на моделировании теплогидравлических процессов в ПГ.........................................40

3.1. Описание экспериментальной установки [3] и [4] ................................40

3.2. Двухскоростная модель для определения истинного объемного паросодержания и перепада давления.....................................................................42

3.3. Модели силового межфазного взаимодействия.....................................45

3.3.1. Модель Ишии и Зубера.............................................................................45

3.3.2. Модель Симовича и др................................ ..............................................46

3.3.3. Модель, разработанная для кода TRAC..................................................47

3.3.4. Модель, разработанная для кода TRACE................................................52

3.4. Модели сопротивления о трубчатку........................................................59

3.5. Сопоставление корреляций по межфазному сопротивлению на основе экспериментов [3] и [4] ................................................................................63

3.6. Моделирование гидравлического сопротивления трубного пучка на основе двухскоростной модели................................................................79

3.7. Использование полученных результатов для развития кода STEG ......................................................................................................................88

3.8. Выводы по главе 3.....................................................................................91

4. Валидация кода STEG на опытных данных, полученных в экспериментах ОКБ «Гидропресс» .........................................................................93

4.1. Описание экспериментального стенда, расположенного в ОКБ «Гидропресс».............................................................................................................94

4.2. Описание нодализационной схемы для расчетов кодом STEG экспериментов, выполненных в ОКБ «Гидропресс»...........................................109

4.3. Результаты валидации кода STEG на опытных данных, полученных на стенде ОКБ «Гидропресс»...........................................................111

4.3.1. Сравнение моделей межфазного трения на опытных данных, полученных на стенде ОКБ «Гидропресс»..........................................................111

4.3.2. Сравнение подходов для описания . взаимодействия пароводяной смеси с трубным пучком и с ПДЛ на опытных данных, полученных на стенде ОКБ «Гидропресс»...........................................................119

4.4. Выводы по главе 4...................................................................................133

5. Валидация кода STEG на опытных данных, полученных в

экспериментах ЭНИЦ..............................................................................................134

5.1. Описание экспериментального стенда ПГВ, расположенного в

ЭНИЦ [2]................................................................................................................134

5.1.1. Схема экспериментального стенда ПГВ [2].........................................134

5.1.2. Конструкция модели парогенератора ПГВ-1000МКП........................136

5.2. Верификация кода STEG на опытных данных, полученных на стенде ПГВ для ПДЛ с равномерной перфорацией.............................................143

5.2.1. Определение коэффициента гидравлического сопротивления

ПГВ ....................................................................................................................143

5.2.2. Описание расчетной модели стенда ПГВ..............................................150

5.2.3. Результаты расчетов кодом STEG экспериментальных режимов

на стенде ПГВ...........................................................................................................152

5.3. Выводы по главе 5...................................................................................180

Заключение...............................................................................................................183

Список литературы................................................................................................1835

Обозначения

А площадь грани ячейки

dtf площадь поверхности пленки в единице объема

di концентрация межфазной поверхности

cD коэффициент сопротивления

с 12 коэффициент межфазного сопротивления

с в коэффициент сопротивления воды о трубный пучок

с2з коэффициент сопротивления пара о трубный пучок

С0 эмпирический параметр в коэффициенте теплообмена вода-

межфазная поверхность С1 эмпирический параметр в коэффициенте теплообмена вода-

межфазная поверхность Сат коэффициент, характеризующий межфазное взаимодействие в

дисперсно-кольцевом режиме Сап параметр шероховатости, учитывающий волнистость жидкой

пленки

d диаметр дисперсной фазы

dp гидравлический диаметр отверстя=ия в ПДЛ

D внешний диаметр трубки трубного пучка, характерный масштаб

течения (в случае течения в трубе D - диаметр трубы) Dp диаметр пузырьков

Е коэффициент уноса

F 12 сила межфазного взаимодействия

F13 сила взаимодействия воды с трубным пучком

F23 сила взаимодействия пара с трубным пучком

Fq площадь живого сечения ПДЛ

Fj площадь ПДЛ

Fi(i сила сопротивления со стороны капель

F if сила сопротивления со стороны жидкой поленки

Fw суммарная сила сопротивления обеих фаз о трубный пучок

fi коэффициент трения о жидкую пленку

fîàâ площадь отверстия

G удельный массовый расход

Gmax максимальный удельный массовый расход смеси в трубчатке

g ускорение силы тяжести

H энтальпия

His энтальпия воды, подаваемая из источника

H2s энтальпия пара, подаваемая из источника

hT высота трубного пучка

/ удельная энтальпия

Usât удельная энтальпия воды на линии насыщения

hsat удельная энтальпия пара на линии насыщения

j приведенная скорость пароводяной смеси

к коэффициент, определяющий трение потока о трубу

/ толщина ПДЛ

Ки число Куранта

M масса

Mis объемный источник воды

M2s объемный источники пара

Р давление

Ар2ф перепад давления на трубчатке из-за гидравлического

сопротивления в двухфазном потоке

ЛPz необратимые потери давления на ПДЛ

АРПДЛ перепад давления на ПДЛ

Рг число Прандтля

Р$ эмпирический коэффициент

Pt шаг трубчатки

q тепловой поток

qü тепловой поток с межфазной поверхности к воде

qi2 тепловой поток с межфазной поверхности к пару

q3] тепловой поток с поверхности трубного пучка к пару

q32 тепловой поток с поверхности трубного пучка к пару

R коэффициент теплопередачи

Rn коэффициент теплопередачи от межфазной поверхности к воде

Ri2 коэффициент теплопередачи от межфазной поверхности к пару

R31 коэффициент теплопередачи от трубного пучка к воде

R31 коэффициент теплопередачи от трубного пучка к пару

гш средний радиус Саутера для капель

rd эффективный радиус, используемый для вычисления силы

сопротивления

Re число Рейнольдса

SAR стохастический коэффициент аппроксимации

Т температура

Tw температура стенки

t время

и скорость потока в направлении х

иг средняя относительная скорость газовой и жидкой фаз

V скорость потока в направлении у

ТГ~ скорость дрейфа

ä

Vr относительная скорость

vol объем ячейки

w скорость потока в направлении z

Wo скорость циркуляции

wis скорость воды, подаваемая из источника

скорость пара, подаваемая из источника Же эффективное число Вебера

уу/ параметр взвешивания

х массовое расходное паросодержание

гт число трубок по высоте пучка

2ф ¿-фактор

Греческие символы а объемная доля

сг коэффициент теплоотдачи

8 дельта функция

ф2 параметр, характеризующий отношение перепада давления на

трубчатке из-за гидравлического сопротивления в двухфазном потоке к перепаду давления на трубчатке из-за гидравлического сопротивления в однофазном потоке жидкости с таким же удельным массовым расходом Г величина межфазной массопередачи

параметр Локкарта- Мартинелли

(р объемное паросодержание

X теплопроводность, коэффициент для расчета местного

сопротивления ПДЛ ^ динамический коэффициент вязкости

^ динамический коэффициент вязкости смеси

комплекс для вычисления коэффициента уноса

ж

/ периметр отверстия в ПДЛ

р плотность

(У коэффициент поверхностного натяжения

специальный параметр для расчета коэффициента местного сопротивления ПДЛ в однофазном потоке

т

Tf напряжение на поверхности пленки

g коэффициент сопротивления

коэффициент сопротивления трубного пучка для однофазного потока воды

коэффициент местного сопротивления ПДЛ для однофазного потока

¥ коэффициент негомогенности

Индексы

1 жидкая фаза

2 газовая (или паровая) фаза

3 трубный пучок

AM дисперсно-кольцевой режим

BS пузырьково-снарядный режим

с газокапельное ядро

crit критическое состояние

СТ пузырьковый/турбулентно-вспененный режим

d капля

/ жидкая пленка

/ межфазная поверхность, индекс расчетной ячейки в

направлении х j индекс расчетной ячейки в направлении у

к индекс расчетной ячейки в направлении z

KI снарядно-пузырьковый режим

max максимальная величина

п индекс временного слоя

S источник

sat состояние насыщения

Введение

Актуальность работы.

В соответствии со стратегией развития атомной энергетики России в первой половине XXI века одной из главных задач является обеспечение высокого уровня безопасности, надежности и эффективности работы АЭС. На решение этой задачи направлены многочисленные расчетные и экспериментальные исследования, проводимые в рамках российских и международных проектов и программ. При этом одной из центральных проблем является повышение эффективности и надежности работы парогенераторов (ПГ), в которых осуществляется производство рабочего пара на АЭС, представляющих собой специальные теплообменные установки. В них тепло, отводимое из активной зоны реактора охлаждающей средой, передается рабочему пару.

В настоящее время в России разрабатывается инновационный водо-водяной реактор нового поколения (проект АЭС-2006). В ходе его разработки необходимо создать конкурентоспособный по экономическим, технологическим и другим показателям энергоблок с повышенной электрической мощностью 1100-1200 МВт. Одним из основных требований к проекту АЭС-2006 является эволюционный характер вносимых усовершенствований. В проекте АЭС-2006, как и в предыдущем проекте ВВЭР-1000, предполагается использование горизонтального парогенератора. Однако данный парогенератор будет отличаться от парогенератора, использовавшего в АЭС предыдущего поколения, конструкцией пучка теплообменных труб и увеличенным диаметром корпуса, что позволит парогенератору работать на повышенной мощности.

Основным методом исследований гидродинамических процессов в парогенераторах до сих пор являлись натурные испытания на действующих блоках. Понятно, что такой метод неприменим для исследований и

обоснования работоспособности ПГ современных АЭС, находящихся в стадии проектирования. В этой ситуации особенно актуальным становится применение методов математического моделирования процессов в ПГ. Более того, для повышения конкурентоспособности новых проектов ПГ необходимо обоснование на длительный, вплоть до 50-60 лет, срок коррозионной стойкости теплообменных труб.

Задача обеспечения работоспособности трубчатки требует в свою очередь изучения распределения теплогидравлических параметров таких, как: температура, паросодержание и скорость циркуляции в объеме второго контура. Основной вклад в повреждаемость трубчатки вносят коррозионные процессы, которые определяются распределением примесей и образованием отложений на наружной поверхности труб. Эти процессы в свою очередь определяются схемой и интенсивностью массообмена. Знание схемы массообмена позволяет моделировать распределение примесей в водяном объеме. Сама же схема массообмена позволит получить картину распределения примесей в ПГ и оптимизировать ее с целью уменьшения коррозионного, воздействия на трубчатку. С этой точки зрения перспективным направлением работ является развитие трехмерных моделей массообмена в ПГ с использованием современных кодов.

Основными целями и задачами диссертации являлись:

1) обзор основных работ, посвященных проблеме гидродинамических и сепарационных процессов в горизонтальном парогенераторе;

2) разработка математической модели, описывающей гидродинамические и сепарационные процессы в горизонтальном парогенераторе;

3) разработка и реализация в расчетном коде численного метода решения системы дифференциальных уравнений математической модели;

4) валидация кода STEG, разработанного на основе математической модели, на результатах экспериментов по теплогидравлике ПГ, выполненных в ОКБ «Гидропресс» [1] , Университете г.Торонто (Канада) [3], ВТИ [4];

5) проведение экспериментов на стенде ПГВ (ЭНИЦ) [2], создание соответствующей базы опытных данных и валидация кода STEG на полученных экспериментальных данных.

Новизна работы.

Предложена математическая модель пространственного течения двухфазной пароводяной среды в объеме парогенератора, основанная на применении методов механики многофазных сред. Проведена валидация моделей силового межфазного взаимодействия на экспериментах по восходящему течению двухфазного потока в трубном пучке и определено, что наилучшие результаты дают модели Симовича, Ишии-Зубера и TRAC. Выполнен расчетный анализ экспериментов (стенд ОКБ «Гидропресс») с помощью модифицированного автором кода STEG, моделирующих пространственные теплогидравлические процессы в горизонтальном парогенераторе. Показано, что наилучшие результаты обеспечивает использование работы моделей межфазного трения, предложенных в коде TRAC, и гидравлического сопротивления трубчатки и ПДЛ, разработанные ВТИ. Проведены эксперименты на стенде ПГВ (ЭНИЦ), моделирующем верхнюю часть ПГ, и создана база опытных данных. Модифицированный код STEG адекватно воспроизвел все основные качественные и количественные тенденции, наблюдавшиеся в экспериментах.

Достоверность предложенных в работе модели, численной схемы и разработанного на их основе кода базируется на использовании апробированных определяющих корреляций и подтверждается результатами тестирования и валидации кода, разработанного на основе математической модели.

Практическая ценность проведенного исследования состоит в создании валидированного расчетного кода STEG, предназначенного для моделирования теплогидравлических процессов в горизонтальном парогенераторе. Проведение вариантных расчетов разработанным кодом позволит определить оптимальную конструкцию горизонтального парогенератора повышенной мощности для использования в инновационных проектах АЭС нового поколения.

Созданная база опытных данных, полученных на стенде ПГВ (ЭНИЦ), необходима для валидации как существующих теплогидравлических кодов, так и кодов, которые будут разрабатываться в будущем.

Все основные этапы исследования выполнялись по договору между Проектно-конструкторского филиалом ОАО «Концерн Росэнергоатом» и МЭИ № 2149090 от 01.04.2009, договору между ОАО ОКБ «Гидропресс» и ОАО ЭНИЦ " № 02074-1 от 01.09.2010, а также двум Государственным контрактам с Министерством образования и науки РФ (ГК №П491 от 13.05.2010, ГК №111091 от 31.05.2010).

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель и расчетный код STEG для анализа теплогидравлических процессов в ПГ.

2. Результаты валидации расчетного кода на данных экспериментов воспроизводящих основные теплогидравлические процессы, имеющие место в горизонтальном парогенераторе.

3. База опытных данных по теплогидравлике ПГ, полученная на стенде

ПГВ (ЭНИЦ).

Личный вклад автора. Все этапы работы по разработке математической модели и численной схемы, усовершенствованию, верификации и валидации кода STEG, а также проведению расчетов и их анализ были выполнены непосредственно автором, либо проходили при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке экспериментов,

в