На сегодняшний день одним из перспективных источников энергии является ядерная энергия. Теплотворная способность и энерговыделение ядерного топлива значительно выше аналогичных показателей у угля и любого другого органического топлива, используемого на сегодняшний день. Строительство атомной электростанции (АЭС), например, мощностью 1200 МВт оказывается в ряде районов выгоднее, чем строительство ТЭС аналогичной мощности.
Еще большее значение данное свойство ядерного топлива имеет для транспорта: судно может обходиться без перезагрузки топлива в течении нескольких лет.
Однако использование ядерной энергии требует обеспечения безопасности объекта энергетики. Для этого используют активные и пассивные устройства и системы безопасности. Особенно интересно использование пассивных систем и устройств, когда система отключается или реагирует на возникшие отклонения от нормальной эксплуатации без вмешательства человека. Одним из проявлений ориентации на использование пассивных систем и устройств является отказ от циркуляционных насосов и применение естественной циркуляции теплоносителя в реакторном оборудовании [2,4,5]. В связи с этим в настоящее время много работ посвящено исследованию процесса естественной циркуляции, ее изучению и моделированию.[1]
CDF коды
Использование ядерной энергии требует обеспечения безопасности объектов энергетики. Это, в частности, объясняет высокие требования к точности при проектировании устройств и конструкций. Для более точного понимания процессов, происходящих внутри проектируемых объектов, проводятся модельные эксперименты, строятся математические модели объектов. В настоящее время особенно актуально в связи с этим применение CFD кодов (методов вычислительной гидродинамики), позволяющих визуализировать происходящие внутри исследуемых объектов процессы, выявить энергонапряженные узлы и элементы, и уже на стадии проектирования предпринять меры по исправлению выявленных недостатков. [6]
Однако для использования CFD кодов необходимо адаптировать их под конкретную задачу, создать и опробовать модель, описывающую конкретный процесс. И, как результат, верифицировать расчетное средство для решения этой конкретной задачи.
Цель работы
В данной работе исследуется процесс естественной циркуляции, а так же предприняты попытки моделирования данного процесса с использованием современных расчетных средств – CFD кодов.
Решение поставленной задачи
Для решения поставленной задачи первоначально была проведена серия экспериментов на циркуляционном стенде ФТ-101, находящемся на кафедре «Ядерные реакторы и энергетические установки» института ядерной энергетики и технической физики НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Схема стенда представлена на рисунке 1 [3]
а)
б)
Рис.1. Схема циркуляционного стенда: а) схема циркуляционного тракта, б) схема расположения средств теплофизического контроля
В состав установки входят:
- бак с водой;
- нагревательный участок трубы;
- холодильники ТО 1-1 ÷ ТО 1-5;
- термоэлектрические термометры Т 1-1÷ Т 1-6;
-средства теплофизического контроля.
Параметры эксперимента представлены в таблице 1:
Таблица 1
Давление в контуре: |
1 атм |
||
N нагревателя, кВт |
10 |
||
T холодильника, ºС |
10 |
||
Температуры термопар при установившемся режиме: |
Нагреватель |
1 |
75 |
2 |
77 |
||
3 |
82 |
||
Холодильник |
1 |
80 |
|
2 |
77 |
||
3 |
75 |
Данный стенд был смоделирован для расчетов с применением CFD кодов. На рисунке 2 представлена 3-D модель стенда, сеточные элементы и пограничные призматические слои. Сеточная модель состоит из 1,2 млн элементов, призматический слой – 3 ряда.
а)
б)
в)
Рис.2. а) 2-D модель стенда, б) сеточные элементы, в) призматические слои
Построенная сеточная модель была экспортирована в расчетную программу. Заданные расчетные параметры:
Жидкость: вода
Теплофизические параметры: библиотечные
Сила гравитации: по оси Х -9,81 м*/с2
Давление 1 атм;
Модель турбулентности: SST модель
Способ теплообмена – тепловой поток;
Нагреватель: тепловой поток 25000 Вт/м2
Холодильник: Температура 10º С.
На рисунке 3 представлены результаты расчетов
а)
б)
в)
Рис. 3. а) распределение температур по стенке циркуляционного канала, б) распределение температур в центральном сечении холодильника, в) распределение скоростей в верхней части циркуляционного канала
Полученные результаты и сравнение виртуального и натурного результатов представлены в таблице 2.
Таблица 2
Сравнение результатов натурного и виртуального экспериментов
Температуры термопар при установившемся режиме: |
Тип участка |
№ Термопары
|
Натурный эксперимент, Тн |
Виртуальный эксперимент, Тв |
δ, % относительная погрешность |
Нагреватель |
1 |
75 |
72 |
4 |
|
2 |
77 |
75 |
2,5 |
||
3 |
81 |
85 |
5 |
||
Холодильник |
1 |
80 |
60 |
25 |
|
2 |
77 |
57 |
25 |
||
3 |
60 |
45 |
25 |
Заключение
В данной работе предпринята попытка расчета процесса естественной циркуляции для экспериментальной установки имитирующей циркуляционный контур с применением CFD кодов.
Из полученных результатов можно сделать следующие выводы: процесс естественной циркуляции удалось смоделировать на виртуальной модели стенда, жидкость циркулировала из-за разности плотностей. Температура горячей жидкости в установившемся режиме в виртуальном эксперименте соответствует температуре жидкости аналогичного течения в натурном эксперименте. Температуры жидкости на входе и на выходе из теплообменника совпадают с точностью в 5% (максимум). Процесс охлаждения описывается не настолько точно, погрешность достигает 25%. Это может быть вызвано разными способами задания граничных условий и неточным описанием процессов теплопроводности в металле виртуального стенда на холодной ветке.
Рецензенты:
Мисевич П.В., д.т.н., профессор кафедры «Вычислительных систем и технологий» Института радиоэлектроники и информационных технологий Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород;
Ломакина Л.С., д.т.н., профессор кафедры «Вычислительных систем и технологий» Института радиоэлектроники и информационных технологий Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород.