Нестаціонарні процеси теплообміну та гідродинаміки в каналах, що імітують елементи активної зони газоохолоджувальних атомних реакторів стрижневого та насипного типів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

УДК 621.039.5: 621.311

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Нестаціонарні процеси теплообміну та гідродинаміки в каналах, що імітують елементи активної зони газоохолоджувальних атомних реакторів стрижневого та насипного типів

05.14.06. ? технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Дмитренко Наталія Павлівна

Київ 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, член-кореспондент НАН України, Авраменко Андрій Олександрович, Інститут технічної теплофізики НАН України, завідувач відділу.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Давиденко Борис Вікторович Інститут технічної теплофізики НАН України, провідний науковий співробітник;

кандидат технічних наук, доцент, Шевель Євген Вікторович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», доцент кафедри атомних електростанцій і інженерної теплофізики.

Захист відбудеться «12» квітня 2011 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 26.224.01 в Інституті технічної теплофізики НАН України за адресою: МСП 03680, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: МСП 03680, м. Київ, вул.. Желябова, 2а.

Автореферат розісланий «9» березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 кандидат технічних наук О.І. Чайка.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Зусилля міжнародного співробітництва в сфері ядерної енергетики спрямовані на розробку перспективних ядерних реакторів. У зв'язку із цим в останнє десятиліття розпочата робота над міжнародними проектами по розробках ядерних реакторів четвертого покоління. Високотемпературні газоохолоджувальні реактори (ВТГР) відповідають вимогам, які ставляться до реакторів четвертого покоління, що представлені у міжнародних програмах GIF-IV і INPRO. Мета цих програм полягає в розробці та практичному освоєнні інноваційних ядерних енергетичних систем. Реактори нового покоління повинні мати високі експлуатаційні характеристики, підвищену економічність і безпеку.

Проведення науково-дослідних робіт в області вивчення теплогідравлічних характеристик ВТГР актуально з погляду практичного застосування високопотенційної теплової енергії не тільки в енергетиці, але й у різних галузях промисловості. Високопотенційна енергія необхідна для проведення різних енергоємних технологічних процесів, що мають місце в металургійній, хімічній, нафтохімічній і інших галузях промисловості.

Україна бере участь у програмі INPRO. Дослідницькими роботами по цій програмі керує НТЦ НАЕК «Енергоатом». У НТЦ «Харківський фізико-технічний інститут» активно займаються розробками кулькового ядерного палива для ВТГР. ІТТФ НАН України активно співпрацює із зазначеними організаціями в області теплофізики реакторів.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи пов'язана з дослідженнями, які проведені й проводяться відповідно до таких держбюджетних тем: «Дослідження теплогідравлічних процесів і удосконалення математичних моделей розрахунку кризи теплообміну в активній зоні ядерних реакторів в аварійних режимах та відновлення багатоцільових теплогідравлічних стендів для дослідження цих процесів» (номер державної реєстрації № 0106U004627) і «Дослідження нестаціонарних процесів теплообміну одно - та двофазових середовищ в елементах теплообмінного обладнання АЕС та в технологіях енергетичного машинобудування» (№ 0109U001782), а також по програмі «Ресурс» «Модернізація експериментального стенду для дослідження перехідних та аварійних режимів у циркуляційних контурах АЕС» (№ 0107U005476) і двох господарських тем із НТЦ «ХФТІ» (№ 0107U005475, № 0109U006487).

Мета роботи полягає в чисельно-аналітичному дослідженні нестаціонарних процесів теплообміну та гідродинаміки в каналах, що імітують елементи високотемпературних газоохолоджувальних реакторів, для виявлення закономірностей і особливостей течії теплоносія в активних зонах стрижневого та насипного типів з урахуванням впливу макропористості середовища.

Завдання дослідження, виконання яких зумовило досягнення поставленої мети:

- вдосконалення та модифікація моделі турбулентного теплообміну та гідродинаміки на основі ренормгрупового підходу для дослідження нестаціонарних процесів та врахування ефектів макропористості середовища;

- чисельне дослідження теплообміну та гідродинаміки в модельній семистрижневій збірці в умовах нестаціонарності;

- чисельне дослідження гідродинамічної нестійкості течії теплоносія в каналах високотемпературних газоохолоджувальних реакторів, для отримання нейтральної кривої стійкості в залежності від часу;

- чисельне дослідження нестійкості потоку теплоносія в каналах з кульковою засипкою для виявлення впливу гідродинамічного лінійного опору (Дарсі), нелінійного опору (Форхаймера) та ефектів прилипання (Брінкмана) на критерій Рейнольдса;

- чисельне дослідження теплогідравлічних характеристик теплоносія в моделі насипної активної зони в нестаціонарних умовах;

- виявлення впливу проникненності кулькової засипки на теплогідравлічні характеристики теплоносія;

- теплофізичне моделювання нестаціонарної течії газового теплоносія в макропористому середовищі.

Об'єктом дослідження є модельна семистрижнева збірка та модель активної зони насипного типу.

Предмет дослідження. Нестаціонарні процеси гідродинаміки і теплообміну турбулентного потоку теплоносія, що мають місце в каналах та макропористих середовищах, які моделюють елементи активних зон газоохолоджувальних реакторів.

Методи дослідження. Вирішення поставлених задач здійснювалося методом аналітичного і чисельного моделювання та порівнянням результатів чисельного дослідження з власними і запозиченими експериментальними даними.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. На основі ренормгрупового підходу вдосконалено та модифіковано модель турбулентного теплообміну та гідродинаміки. Нова математична модель враховує нестаціонарність теплофізичних процесів та особливості макропористості середовища.

2. На основі запропонованої моделі виявлено механізм впливу нестаціонарності на теплогідравлічні характеристики теплоносія в каналах, що імітують елементи активних зон газоохолоджувальних атомних реакторів.

3. Вперше запропоновано тривимірну постановку задачі для розрахунку залежності критерію гідродинамічної нестійкості потоку в макропористому середовищі від гідродинамічного лінійного опору (Дарсі), нелінійного опору (Форхаймера) та ефектів прилипання (Брінкмана);

4. Отримано нестаціонарні розгінні профілі швидкості течії теплоносія в плоскому та циліндричному каналах, заповнених макропористим середовищем, при різних значеннях критерію Дарсі.

Достовірність результатів забезпечена коректним використанням сучасних методів фізичного і математичного моделювання; адекватністю фізичних припущень у постановках задач; узгодженням отриманих розрахункових даних із відомими фізичними закономірностями та власними і запозиченими експериментальними даними.

Практичне значення отриманих результатів. Практичне значення роботи полягає в тому, що на основі запропонованої теплофізичної моделі, яка враховує нестаціонарність та макропористість середовища, отримано розподіли нестаціонарних теплогідравлічних параметрів теплоносія в каналах та макропористих середовищах, які моделюють елементи активних зон газоохолоджувальних реакторів стрижневого та насипного типів.

Дослідження нестаціонарних процесів, що супроводжуються падінням витрати теплоносія при урахуванні поверхневого і об'ємного тепловиділення, дозволяє визначити час, необхідний для спрацювання системи аварійного захисту до настання пошкодження конструкційних матеріалів та тепловиділяючих елементів.

Дослідження нестаціонарного режиму, що пов'язаний з різким збільшенням тепловиділення на поверхні тепловиділяючого елементу, дозволяє визначити час виходу теплогідравлічних параметрів на новий стаціонарний рівень.

Виявлення впливу макропористості середовища на потік теплоносія дає можливість визначити оптимальний розмір сферичного паливного елементу.

Результати аналізу гідродинамічної нестійкості в каналах, які моделюють елементи активних зон стрижневого та насипного типів дозволяють врахувати вплив умов нестаціонарності та макропористості на критерій Рейнольдса.

Зазначені результати обумовлюють вибір основних конструкційних рішень, що використовуються для покращення якості проектів реакторів нового покоління, які розробляються, та обґрунтування їх безпеки.

Впровадження. Результати чисельного моделювання процесів гідродинаміки та теплообміну використані при виконанні двох держбюджетних тем, двох господарських тем з НТЦ «Харківський фізико-технічний інститут» і договорів по програмі «Ресурс». А саме: для проведення на експериментальному стенді досліджень параметрів потоку теплоносія при різних режимах роботи та при різній геометрії каналів газоохолоджувальних реакторів. Результати використання матеріалів дисертаційної роботи підтверджені трьома актами використання, що отримані.

Особистий внесок. Вдосконалено та модифіковано ренормгрупову математичну модель турбулентності. На її основі проведено чисельні дослідження гідродинамічних і теплофізичних характеристик потоку теплоносія в каналах та макропористих середовищах, які моделюють елементи активних зон газоохолоджувальних реакторів в стаціонарних і нестаціонарних умовах протікання теплофізичних процесів.

Апробація результатів. Основні результати роботи доповідалися на V Міжнародній конференції «Проблеми промислової теплоенергетики» (Київ, 2007), на VI Міжнародній конференції «Комунальна й промислова теплоенергетика» (Київ, 2009), на Молодіжній конференції «Стійкість і турбулентність течій гомогенних і гетерогенних рідин» (Росія, Новосибірськ, 2010) та на спільних семінарах у відділах ТГЕТУ та ТОЕТ (ІТТФ НАН України).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи відображено в 8 публікаціях в журналах, що входять до переліку фахових видань, які затверджені ВАК України.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел. Повний обсяг дисертації становить 154 сторінки, 63 малюнка, 5 таблиць і 135 бібліографічних посилань.

Основний зміст роботи

У вступі стисло обґрунтовано стан наукової проблеми, актуальність і важливість дисертаційної роботи; сформульовано мету роботи та конкретні задачі досліджень для її досягнення; наведено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів.

У першому розділі виконано огляд сучасного стану особливостей створення та перспектив використання ВТГР як з активною зоною насипного типу так і зібраної із призматичних блоків. Наведено стислий аналіз існуючих інженерних методів розрахунку теплогідравлічних характеристик теплоносія в каналах. Приведено методики розрахунку течії в макропористих середовищах.

В результаті аналізу літературних джерел зроблено висновки з літературного огляду і сформульовано мету роботи та задачі досліджень.

Другий розділ роботи присвячений виведенню основних рівнянь RNG моделі, які представляють собою модель турбулентного теплообміну та гідродинаміки, що враховує умови нестаціонарності та ефекти впливу макропористості середовища. Модель включає рівняння руху (Нав'є-Стокса), збереження маси, переносу теплоти (Фур'є-Кіркгофа), кінетичної енергії та швидкості дисипації енергії.

(1)

,(2)

,(3)

(4)

(5)

Для того щоб чисельно реалізувати приведену математичну модель був вибраний метод контрольного об'єму.

Для верифікації запропонованої модифікованої математичної моделі турбулентного теплообміну та гідродинаміки проведено чисельне дослідження течії трьох газоподібних теплоносіїв в циліндричному каналі.

В ході цього дослідження було запропоновано гелій в якості робочого тіла з точки зору ефективності його використання.

Із рис. 1 видно що гелій має найкращий коефіцієнт тепловіддачі в порівнянні з іншими газовими теплоносіями. Також потрібно відмітити, що гелій забезпечує сприятливі умови роботи з точки зору ядерної безпеки.

Узагальнення результатів по чисельному дослідженню теплообміну в циліндричному каналі показано на рис. 2. Також на цьому рисунку показано данні, які отримані в ході експериментальних досліджень на високотемпературному газодинамічному стенді ІТТФ НАНУ з гелієм в якості робочого тіла. Видно, що значення коефіцієнтів тепловіддачі, які отримані на основі приведеної математичної моделі, задовільно співпадають з експериментальними даними.

У третьому розділі проведено дослідження гідродинаміки та теплообміну в модельній шестигранній семистрижневій тепловиділяючій збірці (ТВЗ) (рис. 3) на основі запропонованої моделі з гелієм в якості газового теплоносія.

При проведенні зазначеного дослідження враховувалося, що на зовнішній стінці ТВЗ та на центральному стрижні задавався нульовий тепловий потік ? адіабатні умови. На інших шістьох тепловиділяючих елементах задавався постійний тепловий потік.

В результаті дослідження отримано гідродинамічні (профілі швидкості, кінетична енергія турбулентності, швидкість дисипації енергії) і теплові (профілі температур, коефіцієнт тепловіддачі) характеристики потоку.

На рис. 4 зображені профілі розподілу швидкості для половини розрізу А-А в п'ятьох перерізах по довжині шестигранної ТВЗ. На характер зміни форми профілю швидкості впливає наростання пограничних шарів і розподіл температур (див. рис. 7). На ділянці від 0,027 до 0,04 м (між зовнішньою стінкою й тепловиділяючим елементом) профіль швидкості має перекіс убік тепловиділяючого елемента (максимум профілю швидкості зміщений убік тепловиділяючого елемента). Це пов'язане з тим, що температура тепловиділяючого стрижня вища, ніж температура зовнішньої стінки, і потік біля стрижня прискорюється за рахунок зменшення щільності теплоносія в цій області.

На ділянці від 0,0175 до 0,0045 м (між тепловиділяючим елементом і направляючим стрижнем) при русі гелію уздовж ТВЗ профіль швидкості витягується, а при проходженні зони стабілізації (1 м від входу) профіль більше не деформується. Також потрібно відзначити, що швидкість течії на ділянці від 0,027 до 0,04 м при просуванні потоку теплоносія уздовж каналу падає, а на ділянці від 0,0045 до 0,0175 м ? зростає. Такий характер профілю швидкості виникає через міжтрубні перетікання теплоносія із зовнішнього зазору у внутрішній.

Із проведених розрахунків видно, що на ділянці від 0,0275 до 0,038 м (рис. 5) мінімум кінетичної енергії зміщений уліво до тепловиділяючого елемента. На ділянці між направляючим і тепловиділяючим стрижнями мінімум знаходиться посередині вказаного проміжку. Такий вигляд розподілу кінетичної енергії турбулентності пов'язаний із характером розподілу швидкості у ТВЗ. Також потрібно відмітити, що значення кінетичної енергії на стінках рівне нулю. Максимуми зазначеного параметру у внутрішній міжтрубній області перевищують аналогічні значення в «зовнішній» області.

Якщо розглядати ділянку між зовнішньою стінкою та тепловиділяючим стрижнем (рис. 6) перерізу А-А, то видно, що мінімум швидкості дисипації енергії зміщений у бік тепловиділяючого елемента. І максимум цього параметра знаходиться в області, де більший теплонапружений стан (на поверхні тепловиділяючого елемента).

На ділянці між направляючим стрижнем та тепловиділяючим елементом максимуми швидкості дисипації енергії мають приблизно однакове значення, тому що із зовнішнього зазору відбуваються перетікання у внутрішній, і адіабатні умови на центральному стрижні не впливають на симетричність розподілу цього параметра.

З рис. 7 видно, що динаміка розподілу температури змінюється ? градієнт температури на стінках падає. При русі теплоносія вздовж каналу відбувається його рівномірне прогрівання.

Рис. 8 показує, що значення критерію Nu_d по довжині каналу змінюється (відбувається эквідистантне падіння по периметру тепловиділяючого елементу). Від 0° до 90° Nu_d падає і в 90° має мінімум. А від 90° до 270° поступово зростає. Такий характер розподілу критерію Nu_d викликаний різним значенням швидкості теплоносія в зовнішній області біля зовнішньої стінки та значенням швидкості теплоносія у внутрішній міжтрубній області (рис. 4).

Проведено дослідження зміни теплогідравлічних параметрів при падінні масової витрати теплоносія в ТВЗ по експонентному закону:

.(6)

Зміна витрати газу через зупинку циркуляційного обладнання (газодувки) відбувається в такий спосіб: спочатку значення витрати теплоносія максимальне, а потім воно плавно зменшується по приблизно експонентному закону доти, поки газодувка не вийде на режим роботи із природною циркуляцією.

Результати розрахунку, показані на рис. 9, вказують на те, що зміна профілю швидкості теплоносія в розрізі А-А узгоджується з експонентним законом. У початковий момент часу (максимальна витрата) ? значення швидкості найбільше. Зі зменшенням витрати швидкість поступово падає.

У внутрішній міжтрубній області видно, що в різні моменти часу максимум профілю швидкості зміщений до тепловиділяючого елемента. Це пов'язано з різним значенням густини теплоносія в зазначеній області.

У випадку аварійної ситуації, що супроводжується зменшенням витрати теплоносія, зовнішня температура оболонки тепловиділяючого елемента зростає. Приблизно через 15 с. від початку збою в нормальній роботі температура оболонки паливного елемента досягає проектної допустимої межі (1200 єС). Розподіл температури в перерізі А-А при падінні витрати теплоносія схожий на розподіл, показаний на рис. 3.

Із результатів розрахунку зображених на рис. 10, видно, що зі зменшенням витрати теплоносія значення критерію Nu падає. Це узгоджується з характером зміни розподілу температур на поверхні тепловиділяючого елемента. В інших точках, взятих на поверхні тепловиділяючого елемента, розподіл критерію Nu має аналогічний характер.

В роботі досліджено режим із падінням витрати теплоносія у випадку, коли враховувалась теплоємність шести тепловиділяючих елементів в модельній ТВЗ. Аналіз результатів дослідження показав, що при урахуванні об'ємного тепловиділення шести стрижнів, температура теплоносія досягала проектнодопустимого значення на 30% пізніше ніж в разі урахування постійного теплового потоку на поверхні тепловиділяючих елементів.

При проектуванні ядерних реакторів потрібно враховувати режим розігріву активної зони після аварійної зупинки головної циркуляційної газодувки, що у свою чергу, спричиняє тимчасове відхилення тепловиділення від номінального рівня. В зв'язку з зазначеним, проведено дослідження швидкого збільшення теплового навантаження на поверхні тепловиділяючого елемента за таким законом:

.(7)

Проведений аналіз отриманих даних свідчить про те, що у зовнішній області ТВЗ (розріз А-А) швидкість має максимальне значення в момент часу 0 с. і поступово зменшується. На противагу цьому в міжтрубній області швидкість збільшується зі збільшенням часу і максимум знаходиться посередині указаної області. А щодо розподілу температури на поверхні оболонки тепловиділяючого елемента, то вона збільшується по довжині каналу. У початковий момент часу тепловий потік відсутній і температура оболонки рівна температурі теплоносія. При раптовому стрибку потужності йде різке прогрівання теплоносія і у момент часу 1 с. на виході з каналу температура досягає значення, що дорівнює температурі при стаціонарному режимі.

Знайдено критерій гідродинамічної нестійкості ламінарного потоку при розгінному нестаціонарному режимі, коли закон зміни градієнта тиску вздовж каналу описується функцією Хевісайда. Для визначення критерію гідродинамічної нестійкості використовувався метод лінійних збурень.

Залежність критерію стійкості від часу можна описати по приблизно такому закону:

.(8)

Вираз (8) вказує на те , що значення критичного числа Рейнольдса зменшується зі збільшенням часу. Це обумовлено тим, що профіль швидкості з часом стає менш заповненим. Відповідно до другої теореми Релея про стійкість руху течії, зменшення заповненості профілю швидкості веде до зменшення стійкості течії.

Четвертий розділ присвячений дослідженням гідродинаміки й теплообміну в моделі активної зони ВТГР насипного типу (рис. 13).

Модель активної зони з кульковими тепловиділяючими елементами розглядалася як макропористе середовище й для її опису використовувалася модель Дарсі - Брінкмана - Форхаймера. Розрахунок гідродинамічної нестійкості теплоносія в циліндричному каналі, що заповнений макропористим середовищем, проведений на основі методу лінійних збурень в тривимірній постановці задачі. Згідно цього методу параметри течії представляємо у такому вигляді:

(9)

Величини збурень приведемо у вигляді тривимірних хвиль:

,(10,а)

,(10,б)

,(10,в)

.(10,г)

Підстановка (9) і (10) в рівняння руху, з наступною лінеаризацією дає змогу отримати безрозмірне рівняння для амплітуд збурень. Зазначене рівняння включає доданки, що враховують гідравлічний опір, викликаний пористістю середовища. Один з них описує лінійний опір (Дарсі), а другий нелінійний опір (Форхаймера). Після проведення ряду математичних перетворень виключимо амплітуди і в результаті отримаємо рівняння четвертого порядку відносно :

,(11)

Штрих означає диференціювання по . Дослідження рівняння (11) на власні значення методом колокації дало змогу проаналізувати вплив параметрів M і Л на критерій стійкості. У випадку, коли рівняння (11) перетвориться в класичне рівняння Орра-Зомерфельда для розрахунку нестійкості чистої рідини. Результати розрахунків, що отримані на основі рівняння (11) представлені на рис. 11. З рисунка видно, що при збільшенні параметрів М и Л значення Re_кр збільшується.

Це обумовлено тим, що при збільшенні параметрів М і Л профіль швидкості стає більше заповненим і відповідно до другої теореми Релея про стійкість руху потоку, це веде до стабілізації течії й до зростання значення критичного числа Рейнольдса.

На рис. 12 зображено залежність коефіцієнта гідравлічного опору кулькової засипки від критерію Рейнольдса. Видно, що при використанні повної RNG моделі (1) - (5), результати чисельних розрахунків (лінія - 1) відрізняються від результатів експериментальних (лінія - 2) на 5%. Неврахування доданку, який з'являється в результаті перенормування доданку Форхаймера, приводить до того, що результати чисельного розрахунку (лінія - 3) відрізняються від експериментальних на 25 %. Лінія 4 узагальнює результати, що отримані по формулі Блазіуса, яка описує залежність коефіцієнта гідравлічного опору від критерію Рейнольдса в каналі.

На основі математичної моделі теплообміну та гідродинаміки, що враховує настаціонарність та вплив макропористості середовища, проведено дослідження зміни гідродинамічних і теплофізичних параметрів в активній зоні ВТГР насипного типу.

На рис. 13 наведено модель активної зони насипного типу, яка має вигляд кільцевого каналу. Внутрішня частина заповнена сферичними тепловиділяючими елементами, які обмежені графітовою перфорованою стінкою. Теплоносій рухається як через кулькову засипку, так і в зовнішньому зазорі.

Розподіли профілів швидкості та температури в поперечному перерізі моделі насипної активної зони показані на рис. 14,а і 14,б.

З рис.14,а видно, що в області, яка заповнена кульковою засипкою швидкість теплоносія зменшується, а в зовнішньому зазорі збільшується, причому максимум профілю зміщений убік кулькової засипки. Це пов'язане з тим, що температура теплоносія біля тепловиділяючого середовища більша ніж на зовнішній стінці каналу. Дані на рис 14,б показують, що при проходженні теплоносія по каналу відбувається його рівномірне прогрівання.

Рис. 14. Розподіл швидкості (а) й температури (б) теплоносія по радіусу моделі активної зони та по її довжині: 1 ? 0,01 м; 2 ? 0,5 м; 3 ? 1,2 м; 4 ? 1,4 м.

Проведено дослідження гідродинаміки та теплообміну в модельній насипній активній зоні внаслідок зменшення витрати теплоносія на основі запропонованої модифікованої математичної моделі з урахуванням поправок на нестаціонарність та макропористість середовища. В зазначеному дослідженні було використано вираз (6). Задача розглядалася для діапазону К = 2•10^-6 … 5•10^-6 м².

Отримані дані показали, що швидкість теплоносія в початковий момент часу має максимальне значення в трьох перерізах по висоті активної зони. Поступово зі зменшенням витрати гелію швидкість падає і у момент часу 90 с. від початку аварійного процесу має мінімальне значення. Максимум профілів швидкості зміщений убік кулькової засипки, тому що густина теплоносія в цій області менша, ніж біля зовнішньої стінки. Такий характер розподілу швидкості теплоносія в активній зоні насипного типу відповідає характеру розподілу температури, як і у випадку зі стаціонарним режимом.

Розподіли температури теплоносія вказують на те, що при падінні витрати теплоносія відповідно до закону (6) відбувається нагрівання гелію. У початковий момент часу, що відповідає стаціонарному режиму, значення температури найменше у всіх перерізах по довжині модельної активної зони. За проміжок часу в 90 с. температура теплоносія на виході з каналу, досягає свого максимального значення. Потрібно відзначити, що для випадку м² значення температури теплоносія на виході досягало проектної допустимої межі для оболонки палива.

З рис. 15 видно, що при значенні м² в момент часу 50 с. від початку аварійного процесу температура теплоносія досягне проектної допустимої межі на відстані 1,2 м від входу в активну зону. У двох інших розглянутих випадках, що відповідають значенням проникненості, температура теплоносія в зазначений момент часу відповідає нормальній роботі активної зони.

При конструюванні активної зони насипного типу існує ряд проблем. Однією із них є формування необхідного розгінного профілю швидкості в умовах не стаціонарності. В дисертаційній роботі наведено аналітичне рішення задачі про моделювання розгінного профілю швидкості теплоносія в каналах різної геометрії заповнених пористим середовищем. Задача вирішувалася на основі спрощеного рівняння (1), тобто враховувалася тільки лінійна складова гідродинамічного опору (Дарсі), так як у випадку розгінної течії вона значно превалює над нелінійною складовою (Форхаймера). При вирішенні зазначеної задачі враховувалося те, що градієнт тиску вздовж каналу виникав стрибкоподібно і описувався функцією Хевісайда.

Рівняння, яке описує нестаціонарний розгінний профіль швидкості в циліндричному каналі має вигляд:

.(12)

Профілі, які отримані на основі рівняння (12) зображені на рис. 16 показують, що в пористому середовищі профіль швидкості досягає своєї стаціонарної форми, тим швидше, чим більше значення критерію Дарсі. У випадку, якщо , крива описує профіль швидкості розгінної течії для каналу, незаповненого пористим середовищем.

Рис. 16. Розгінний профіль швидкості для різних значень Da в циліндричному каналі в різний момент часу: 1 -; 2 ? ; 3 - .

Основні результати та висновки

1. Вдосконалено та модифіковано тривимірну математичну модель турбулентного теплообміну та гідродинаміки, яка отримана на основі ренормгрупового підходу. Модель враховує нестаціонарність теплофізичних процесів та вплив макропористості середовища, а саме, вплив гідродинамічного лінійного опору (Дарсі), нелінійного опору (Форхаймера) та ефектів прилипання (Брінкмана).

2. В нестаціонарних режимах, пов'язаних з падінням витрати теплоносія показано вплив урахування поверхневого та об'ємного тепловиділення в модельній збірці на розподіл температур та на час досягнення температури стінки тепловиділяючого елементу граничнодопустимого значення.

3. В режимах з різкою зміною тепловиділення на поверхні тепловиділяючого елементу визначено час перехідного процесу та максимальне значення температури оболонки тепловиділяючих елементів.

4. При дослідженні теплогідравлічних процесів в моделі активної зони насипного типу встановлено, що збільшення значення проникненості кулькової засипки сприяє інтенсифікації теплообміну та зменшенню температури оболонки тепловиділяючих елементів.

5. При аналітичному моделюванні нестаціонарного розгінного профілю швидкості в каналах різної геометрії, заповнених макропористим середовищем виявлено, що профіль швидкості тим скоріше досягне своєї стаціонарної форми, чим більше значення критерію Дарсі.

6. Дослідження гідродинамічної нестійкості розгінної течії в каналі при нестаціонарних умовах показало, що зі збільшенням часу критичне значення критерію Рейнольдса зменшується, так як профіль швидкості стає менш заповненим, і потік втрачає стійкість.

7. Використовуючи тривимірну постановку задачі, досліджено вплив гідродинамічного лінійного опору (Дарсі), нелінійного опору (Форхаймера) та ефектів прилипання (Брінкмана) на критерій гідродинамічної нестійкості для каналу, заповненого макропористим середовищем. Виявилось, що збільшення зазначених параметрів спричиняє збільшення заповненості профілю швидкості течії, а це в свою чергу свідчить про збільшення критичного числа Рейнольдса, тобто, потік носить стійкий характер.

Перелік умовних позначень:

, , , ? константи, ? коефіцієнт Форхаймера, , ? мірність простору, ? функція Бесселя першого роду нульового порядку, ? витрата, ? половина ширини каналу, - відношення динамічних коефіцієнтів в'язкості, - модифікована функція Бесселя першого роду нульового порядку, К ? проникненість, ? кінетична енергія турбулентності, -розмір, p? тиск, r ? радіус моделі активної зони насипного типу, ? потужність теплового потоку, - температура; - час, , , ? компоненти вектора швидкості, V ? вектор швидкості, - довжина каналу, - коефіцієнт тепловіддачі,, ? хвильові числа, , ? колова частота коливання, ? коефіцієнт нарощування коливань, ? коефіцієнт теплопровідності, ? швидкість дисипації, , - динамічний коефіцієнт в'язкості, - кінематичний коефіцієнт в'язкості; - густина; ? пористість. Безрозмірні параметри: , , , , ,, , , , .

- критерій Дарсі, ? критерій Рейнольдса, ? турбулентний критерій Прандтля, , - критерії Нусельта.

Індекси:- значення параметру на нескінченності, «~» - означає безрозмірність величини, еквівалентний параметр, - ефективний параметр, ? турбулентний параметр, 1 ? амплітуда, кр - критичне значення .

Перелік праць, опублікованих за темою дисертації

1. Дмитренко Н.П. Гидродинамика и теплообмен в цилиндрических каналах высокотемпературных газовых реакторов / Н.П. Дмитренко // Енергетика: економіка, технології, екологія. ? 2008. ?№2. - С. 55 ? 60.

2. Дмитренко Н.П. Конвективный теплообмен в каналах высокотемпературных гахоохлаждаемых реакторов / Н.П. Дмитренко, А.О. Авраменко // Промышленная теплотехника. - 2008. - Т. 30, №4. - С. 44 - 49. (особистий внесок: проведено літературний огляд по тематиці статті та чисельні розрахунки розподілу температури та коефіцієнтів тепловіддачі, а також порівняно результати чисельного моделювання з експериментальними даними)

3. Дмитренко Н. П. Исследование гидродинамических и теплофизических характеристик в тепловыделяющей сборке высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов / Н. П. Дмитренко // Промышленная теплотехника. - 2009. - Т. 31, №4. - С. 56 - 61.

4. Дмитренко Н.П. Численное исследование теплообмена и гидродинамики в тепловыделяющей сборке высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов в условиях нестационарности / Н.П. Дмитренко // Промышленная теплотехника. - 2009. - Т. 31, №7. - С. 123 - 125.

5. Авраменко А.А. Нестационарное течение газового теплоносителя в каналах ядерных реакторов с шаровой засыпкой / Авраменко А.А., Дмитренко Н.П. // Промышленная теплотехника. - 2010. - Т. 32, №1. - С. 62 - 65. (особистий внесок: виведення рівняння нестаціонарного розподілу швидкостей в макропористому середовищі для циліндричного каналу)

6. Авраменко А.А. Ренрмализзационный анализ нестационарной турбулентности в макропористых средах // А.А. Авраменко, Н.П. Дмиренко, Д.Г. Блинов / Промышленная теплотехника. -2010. - Т. 32, №2. - С.19 - 30. (особистий внесок: ренормалізовано рівняння теплообміну з урахуванням нестаціонарності та пористості середовища, оформлення статті)

7. Авраменко А.А. Гидродинамическая неустойчивость течения в каналах ядерных реакторов с шаровой засыпкой / А. А. Авраменко, Н. П. Дмитренко, Б. И. Басок [и др.] // Доповіді НАН України. ? 2010. ? № 6. ? С. 75 ? 79. (особистий внесок: чисельний розрахунок базового потоку)

8. Авраменко А.А. Гидродинамическая неустойчивость жидкости с памятью / А.А. Авраменко, Т.В. Сорокина, Д.Г. Блинов, Н.П. Дмитренко // Промышленная теплотехника. ? 2010. ? Т. 32, №4. ? С. 15 ? 20. (проведення чисельних розрахунків, метою яких було отримання профілю швидкості для ньютонівської та неньютонівської рідини)

Анотація

Дмитренко Н.П. Нестаціонарні процеси теплообміну та гідродинаміки в каналах, що імітують елементи активної зони газоохолоджувальних атомних реакторів стрижневого та насипного типів. ? Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 «Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика» / Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України. - Київ, 2011.

Дисертаційна робота присвячена вивченню нестаціонарних процесів гідродинаміки й теплообміну в каналах, що імітують елементи активних зон високотемпературних газоохолоджувальних реакторів насипного та стрижневого типів.

Модифіковано та вдосконалено модель турбулентності за допомогою ренормгрупового підходу. Отримана модель турбулентності враховує нестаціонарність теплофізичних процесів та вплив макропористості середовища.

Представлено результати розрахунку розподілу гідродинамічних і теплофізичних характеристик у моделі тепловиділяючої семистрижневої збірки на основі зазначеної моделі. Проаналізовано зміну теплогідравлічних параметрів потоку теплоносія в аварійних умовах, пов'язаних з падінням витрати гелію та з різким стрибком енерговиділення.

Розглянута задача з визначення критерію нестійкості потоку при нестаціонарному режимі.

Розглянута гідродинамічна нестійкість течії в каналах ядерних реакторів з кульковою засипкою у тривимірній постановці. Кулькова засипка розглядалась як макропористе середовище і для її опису використовувалася модель Дарсі - Брінкмана - Форхаймера.

Проведено дослідження розподілу теплогідравлічних параметрів потоку теплоносія в насипній активній зоні в нестаціонарних умовах при різному значенні проникненості кулькової засипки. Аналіз даних, що отримані в ході зазначеного дослідження вказує на те, що зменшення проникненості кулькової засипки спричиняє збільшення температури теплоносія.

Вирішено завдання по формуванню розгінного профілю швидкості теплоносія в каналах, які є елементами активної зони насипного типу в умовах нестаціонарності. Виявлено, що в макропористому середовищі профіль швидкості досягає своєї стаціонарної форми тим швидше, чим більше значення критерію Дарсі.

Ключові слова: газоохолоджувальний атомний реактор, активна зона, теплообмін, гідродинаміка, турбулентність, нестійкість.

Аннотация

Дмитренко Н.П. Нестационарные процессы теплообмена и гидродинамики в каналах, которые имитируют элементы активной зоны газоохлаждаемых атомных реакторов стержневого и насыпного типов. ? Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 «Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика» / Институт технической теплофизики Национальной академии наук Украины. - Киев, 2011.

Диссертационная работа посвящена изучению гидродинамики и теплообмена в каналах, которые имитируют элементы активной зоны газоохлаждаемых атомных реакторов насыпного и стержневого типов.

Проанализировано состояние развития реакторов IV-го поколения с газовым теплоносителем в мире и перспективы использования указанных реакторов для Украины.

Рассмотрены известные математические методики для расчета турбулентного течения, а также течения в пористой среде.

Модифицирована модель турбулентности с помощью ренормгруппового подхода. Полученная модель турбулентности учитывает нестационарность теплофизических процессов и влияние макропористости среды.

Представлены результаты расчета распределения гидродинамических (скорость, кинетическая энергия, скорость диссипации энергии) и теплофизических (температура, коэффициент теплоотдачи) характеристик модельной тепловыделяющей семистержневой сборки на основе предложенной модели. Проанализировано изменение теплогидравлических параметров потока теплоносителя в аварийных условиях, связанных с падением расхода гелия и с резким скачком энерговыделения. Это дало возможность определить следующее: зоны с наибольшим теплонапряжением (минимальное расстояние между тепловыделяющими элементами), время выхода на новый стационарный режим, а также время, за которое температура оболочки тепловыделяющего элемента достигает проектнодопустимого значения.

Рассмотрена задача об определении критерия неустойчивости потока при нестационарном режиме, когда закон изменения продольного градиента давления описывается функцией Хэвисайда.

Представлены результаты расчета гидродинамической неустойчивости течения в каналах ядерных реакторов с шаровой засыпкой в трехмерной постановке задачи. Шаровая засыпка рассматривалась как макропористая среда и для ее описания использовалась модель Дарси-Бринкмана-Форхаймера. Результаты расчета показывают, что критическое число Рейнольдса увеличивается с увеличением параметров, которые учитывают линейный закон гидродинамического сопротивления Дарси в пористой среде, нелинейный закон гидродинамического сопротивления Форхаймера и эффекты прилипания.

Проведено исследование распределения теплогидравлических параметров потока теплоносителя в модели насыпной активной зоны в условии теплофизической нестационарности при разном значении проницаемости шаровой засыпки. Анализ данных полученных в ходе указанных численных исследований указывает на то, что уменьшение проницаемости шаровой засыпки влечет за собой увеличение температуры теплоносителя, которая может достигнуть температуры, при которой происходит повреждение элементов активной зоны.

Решена задача о формировании разгонного профиля скорости теплоносителя в активной зоне насыпного типа в условиях нестационарности. Задача рассматривалась для плоского и цилиндрического каналов, которые заполнены пористой средой. Определено, что в пористой среде профиль достигает своей стационарной формы, тем быстрее, чем больше значение критерия Дарси.

Ключевые слова: газоохлаждаемый реактор, активная зона, теплообмен, гидродинамика, турбулентность, неустойчивость.

Summary

Dmitrenko N.P. Unsteady processes of heat exchange and fluid flow in channels which imitate active zone elements of gas cooled reactors prismatic core and pebble bed design. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.14.06 - technical thermophysics and industrial thermoenergetics. Institute of Engineering Thermophysics, NAS of Ukraine, Kyiv, 2011.

The thesis is devoted to study heat transfer and fluid flow in channels which imitate active zone elements of gas cooled reactors of pebble bed core and prismatic core design.

The model of turbulence was modified based on renormalization group approach. This model takes into account unsteadiness of thermophysical processes and porosity of the medium.

Based on the above model, the results of simulation of distribution of thermophysical and hydrodynamic characteristics in fuel assembly are presented. The variation of thermo-hydraulic parameters of coolant flow in malfunction conditions caused by decreased flow rate of helium and sharp increase in heat flux is analyzed. The problem of determination of instability criterion was solved as applied to unsteady flow. газоохолоджувальний реактор теплоносій

Hydrodynamic instability for flow in nuclear reactor channels with pebble bed cores was simulated in three-dimensional problem statement. The pebble bed was considered a macro-porous medium and Darsy-Brinkman-Forchheimer model was used for its description.

An investigation of distribution of thermo-hydraulic parameters in coolant flow in pebble bed design active zone was performed in steady state as well as under thermophysically unsteady conditions for different values of pebble bed permeability. This analysis showed that the decreasing pebble bed permeability leads to the increasing coolant temperature.

The problem of forming a start-up velocity profile of the coolant in pebble bed design of active zone under unsteady conditions was solved. It appeared that the rate at which the velocity profile in porous medium reaches its stationary form is higher for higher Darsy numbers.

Key worlds: gas cooled reactor, active zone, heat transfer, turbulence, instability.

Размещено на Allbest.ru

...