Разработка полномасштабной гидравлической 3d-модели твэльного пучка ТВС проекта АЭС-2006 с использованием STAR-CD И ANSYS CFX

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка полномасштабной гидравлической 3d-модели твэльного пучка ТВС проекта АЭС-2006 с использованием STAR-CD и ANSYS CFX

М.А. Быков, А.М. Москалев, А.А. Крутиков, О.В. Кудрявцев, Д.А. Посысаев, А.В. Шишов ОКБ «Гидропресс»

Введение

Целью данной работы является разработка полномасштабной гидродинамической CFD-модели твэльного пучка ТВС проекта АЭС-2006 и ее верификация на основе экспериментальных данных полученных на стендах в ОКБ «ГИДРОПРЕСС».

На первом этапе работы была создана расчетная модель шестигранной ячейки ТВС, которая включает один твэл натурной длины с 13 дистанционирующими решетками (ДР) типа «ТВС-2М», в трех вариантах по размеру сетки расчетной области. Эти модели различались топологией сетки расчетной области и насчитывали около 0,2, 1,7 и 6,2 млн. контрольных объемов, соответственно. Далее было проведено исследование влияния модели турбулентности, схемы дискретизации, задания граничных условий и точности математических процедур на значение коэффициента гидравлического сопротивления (КГС). В результате были определены топология и размер сетки расчетной области для дальнейшего использования.

На втором этапе работы была разработана полномасштабная гидродинамическая CFD-модель твэльного пучка ТВС проекта АЭС-2006 в двух вариантах конструкции. В первом варианте модель соответствует натурной ТВС и включает 312 твэлов, 19 направляющих каналов и 13 ДР типа «ТВС-2М». Во втором варианте модели дополнительно были смоделированы перемешивающие решетки (ПР) типа «Циклон». Размер моделей составил около 60 и 75 млн. контрольных объемов соответственно. Приближение пористого тела в данных моделях не применялось.

1. Разработка сетки расчетной области

Основным и наиболее трудоемким этапом CFD-исследования является дискретизация выбранной расчетной области, то есть создание сеточной модели (расчетной сетки). Для разработки расчетных моделей использовались три программы SolidWorks, ICEM CFD и STAR-CD. Исходными данными для создания сеточной модели является чертежи, на базе которого в SolidWorks создается твердотельная модель.

Отличительной особенностью геометрии ячейки твэльного пучка ТВС реактора типа ВВЭР является наличие повторяющихся ячеек симметрии, совокупность которых и создает расчетную область. Данный факт определяет стратегию создания сеточной модели, которая заключается в разработке расчетной сетки для выбранного сектора симметрии и последующего его копирования.

На рисунке 1 показан процесс создания расчетной сетки для ячейки симметрии на основе твердотельной модели ДР. Исходная твердотельная модель (рис. 1 а) конвертируется в ICEM CFD, где на основе импортированной геометрии создается сектор симметрии (рис. 1 б). Далее на полученную геометрию накладывается блочная структура (рис. 1 в). На основе этой блочной структуры создается гексаэдрическая расчетная сетка ячейки симметрии, которая затем импортируется в STAR-CD для последующей доработки (рис. 1 г).

Затем исправленная сетка отражается относительно соответствующих плоскостей симметрии и надстраивается область течения жидкости до и после ДР, а также удаляется из расчетной области твердое тело. На рис. 2 приведена сетка расчетной области в зоне ДР. Здесь зеленым цветом показана ДР, а красным - область течения жидкости. На рис. 3 представлена сетка расчетной области с надстроенной жидкостью до и после ДР.

С целью нахождения КГС обогреваемого участка и пучка использовалась шестигранная ячейка ТВС с одним твэл и тринадцатью ДР (рисунок 4). Расстояния между ДР принимались натурными.

а) б)

в) г)

Рис. 1. Расчетная сетка ячейки симметрии: а) твердотельная модель; б) геометрия в ICEM CFD; в) блочная структура в ICEM CFD; г) расчетная сетка в STAR-CD.

2. Математическая модель

Ввиду существенного различия интерфейса при работе в STAR-CD, ANSYS CFX и OpenFOAM отдельно для каждого программного комплекса разрабатывались свои математические модели.

Рис. 2. Сетка расчетной области в зоне ячейки ДР

Рис. 3. Сетка расчетной области с надстроенной жидкостью

Рис. 4. Расчетная область ячейки ТВС натурной длины

В расчете были приняты следующие основные допущения:

- теплоноситель считается ньютоновской и несжимаемой жидкостью;

- течение теплоносителя стационарное;

- режим течения теплоносителя - турбулентный;

- физические параметры теплоносителя считаются постоянными и независящими от температуры и давления;

- для моделирования турбулентного режима течения теплоносителя применяются высокорейнольдсовые модели турбулентности: k-е, k-щ, k-щ-sst.

Математическая модель для описания гидродинамических процессов, происходящих при течении жидкости в ТВС, состоит из системы уравнений, описывающих стационарное турбулентное движение несжимаемой вязкой жидкости.

Граничные условия расчетной области представлены на рисунке 5.

Рис. 5. Граничные условия в расчетной области: S1 - вход потока; S2 - выход потока; S3 - прилипание потока на стенке; S4 - симметрия потока на боковой поверхности.

3. сравнение расчетных и экспериментальных данных

На рисунке 6 представлена сеточная топология моделей, на базе которых проведено расчетное исследование по определению гидравлических характеристик ячейки ТВС.

Рис. 6. Сеточная топология расчетных моделей: а) - размер сетки расчетной области около 200000 контрольных объемов; б) - размер сетки расчетной области около 1700000 контрольных объемов; в) - размер сетки расчетной области около 6200000 контрольных объемов.

В качестве исходных данных были приняты следующие величины:

- плотность теплоносителя - 712,3 кг/м³;

- вязкость теплоносителя - 8,56·10-5 Па·с;

- числа Рейнольдса: 50 000; 150 000; 250 000; 350 000; 450000;

- скорости теплоносителя - 0,56; 1,69; 2,83; 3,96; 5,09 м/с.

В качестве примера в таблице 1 проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных [1] модели размером около 200000 контрольных объемов с использованием STAR-CD, ANSYS CFX и OpenFOAM для числа Рейнольдса в диапазоне от 50000 до 450000. В таблице 1 приведены модели турбулентности и схемы дискретизации, с которыми выполнялись вычисления, а также результаты расчета по выше обозначенным кодам с отклонениями от опытных значений.

Рассмотрение результатов расчетов показывает, что в общем случае более близкое согласование расчетных и экспериментальных данных получено по программному комплексу STAR-CD. Наименьшие отклонения КГС от опытных значений получены для обогреваемой части твэльного пучка. Здесь с увеличением числа Рейнольдса отклонения сначала возрастают с -3,8 до -6,8 % при 350000, а затем немного снижаются до -6,6 % при 450000.

Таблица 1 Отклонение от экспериментальных значений КГС

Результаты, полученные с использованием OpenFOAM, лежат примерно на 3,0 % ниже данных, определенных с помощью STAR-CD. Другие отклонения имеют данные по ANSYS CFX. Здесь отклонения от экспериментальных значений увеличиваются с увеличением числа Рейнольдса и лежат в диапазоне от -18,7 до -26,8%. На рис. 7 и 8 представлены данные табл. 1 также в зависимости от числа Рейнольдса. Эти кривые располагаются практически эквидистантно друг относительно друга.

В табл. 2 приведены результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных по определению гидравлических характеристик полномасштабного твэльного пучка ТВС проекта АЭС-2006 в диапазоне числа Рейнольдса от 50000 до 450000. В качестве экспериментальных данных взяты зависимости КГС ДР типа «ТВС-2М» и ПР типа «Циклон», а также КГС обогреваемого участка и пучка твэлов. При вычислении КГС ДР и ПР усреднение давления проводилось по центральным ячейкам поперечного сечения ТВС, что моделирует условия работы экспериментальной системы измерения перепада давления.

Рис. 7. Отклонение расчетных значений КГС обогреваемого пучка от экспериментальных данных в зависимости от числа Рейнольдса

Рис. 8. Отклонение расчетных значений КГС пучка твэлов от экспериментальных данных в зависимости от числа Рейнольдса

Таблица 2 Отклонение от экспериментальных значений КГС

Из рассмотрения табл. 2 следует, что результаты расчета КГС ДР и ПР показали хорошее соответствие с результатами эксперимента и лежат в диапазоне от -8,0 до 6,9 %. Зависимости КГС обогреваемого участка и твэльного пучка от числа Рейнольдса лежат ниже экспериментальных данных в диапазоне от -5,3 до -11,0 %. Это обусловлено тем, что в расчете задавалась равномерная эпюра скоростей по граничному условию на входе и не моделировалась реальная эпюра скоростей и интенсивность турбулентности после прохождения потоком хвостовика и нижней опорной решетки ТВС.

Заключение

Анализ результатов расчетов разработанных CFD-моделей показал их совпадение с результатами, полученными на экспериментальных стендах. Это обуславливает необходимость полномасштабного моделирования гидродинамических процессов в ТВС с натурными параметрами теплоносителя с целью выбора конструкции ПР и взаимного размещения ДР и ПР в ТВС.

На последующих этапах работы полномасштабная гидродинамическая CFD-модель твэльного пучка будет дополнена хвостовиком и головкой ТВС, а также оболочкой твэлов и топливными таблетками. Это позволит индивидуально для каждого твэла задавать мощность и эпюру энерговыделения по высоте, рассчитывать поле скоростей и температур теплоносителя, определять температуру оболочки твэла, металла элементов конструкции в поперечном сечении и по высоте ТВС. Использование CFD-моделирования позволяет уменьшить объем экспериментальной отработки основного элемента конструкции реактора.

твердотельный гидродинамический гидравлический решетка

Список литературы

1. Зайцев Д.В. и др. «Исследование гидравлического сопротивления ТВС для реакторной установки АЭС-2006». Сборник трудов межведомственного семинара «Теплофизика 2008».

2. Программный комплекс для ЭВМ. Программный комплекс для решения трехмерных гидродинамических и теплогидравлических задач, CFX-5.6, CDL, Великобритания, 2003.

3. Программный комплекс для ЭВМ. Программный комплекс для решения трехмерных гидродинамических и теплогидравлических задач, STAR-CD, Computational Dynamics Limited, Великобритания, 2003.

4. Программный комплекс для ЭВМ. Генератор расчетных сеток для программных комплексов CFX-5.6 и STAR-CD, ICEM CFD v.4.2.2, CDL, Великобритания, 2003.

Размещено на Allbest.ru