CC BY
22УДК 621.039
П.В. Арсенов, А.А. Добров, Д.В. Доронков, Е.Н. Полозкова, В.Д. Сорокин, А.Е. Хробостов
ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ТЕЧЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ЗА ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕЙ РЕШЕТКОЙ С РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ ДЕФЛЕКТОРОВ В ОБЛАСТИ НАПРАВЛЯЮЩЕГО КАНАЛА ТВС-КВАДРАТ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Статья посвящена исследованию влияния перемешивающих дистанционирующих решеток с различными типами дефлекторов на течение теплоносителя в ТВС-Квадрат реактора PWR. Актуальность работы обусловлена необходимостью всестороннего исследования закономерностей течения потока теплоносителя в тепловыделяющих сборках западного дизайна, разработанных отечественными компаниями. В статье кратко описаны стенд и экспериментальная модель, представлены методики проведения исследований, обоснование представительности испытаний и их результаты. Полученные результаты используются для обоснования теплотехнической надежности активных зон реакторов PWR с ТВС-Квадрат и верификации трехмерных CFD-программ и в прикладных поячейковых кодах.
Ключевые слова: ядерный реактор, тепловыделяющая сборка, гидродинамика теплоносителя, перемешивающая дистанционирующая решетка.
Введение
Тепловыделяющие сборки для активных зон энергетических реакторов доступны на мировом рынке в двух основных конструктивных исполнениях: кассеты квадратного сечения для американских и европейских установок и шестигранные - для российских. Ядерное топливо отечественного дизайна способно охватить около 17% глобального рынка. Поэтому дальнейшее увеличение доли присутствия российских компаний на рынке мирового ядерного топлива связано с созданием и экспортом отечественных разработок топлива западного дизайна за рубеж.
Для осуществления данной программы АО «ОКБМ Африкантов» был разработан продукт, ориентированный на западный рынок - тепловыделяющая сборка квадратного сечения (ТВС-Квадрат).
В основе конструкции ТВС-Квадрат использованы решения по каркасу и дистанцио-нирующим решеткам (ДР), показавшие свою надежность для реакторов ВВЭР. Также в конструкции предусмотрено наличие пластинчатых перемешивающих дистанционирующих решеток (ПДР) и дополнительно устанавливаемых перемешивающих решеток (ПР). Решетки снабжаются дефлекторами типа «split vane», позволяющими одновременно создавать круговые поперечные течения теплоносителя вокруг твэлов и закрутку потока в межтвэльном пространстве. Это позволяет снизить неравномерности теплогидравлических характеристик теплоносителя, выровнять температуру теплоносителя по поперечному сечению сборки, а также повысить запас до кризиса теплоотдачи. Таким образом, становится возможным увеличить удельную тепловую мощность реактора путем повышения критического теплового потока.
Однако наличие турбулизирующих элементов может привести к нежелательному повышению гидравлического сопротивления самой сборки, поэтому особое внимание следует уделить профилю дефлекторов и выбору угла их отгиба относительно осевого направления движения теплоносителя, так как эти факторы в значительной степени влияют на гидравлическое сопротивление сборки. Таким образом, создание оптимальной конструкции решетки требует поиска решения, обеспечивающего наиболее удачное сочетание таких параметров, как интенсивность перемешивания, гидравлические потери и запасы до кризиса теплоотдачи.
© Арсенов П.В., Добров А.А., Доронков Д.В., Полозкова Е.Н., Сорокин В.Д. , Хробостов А.Е., 2015.
Исследования проводились в области направляющего канала (НК), отличающейся от стандартных ячеек геометрическими характеристиками, параметрами теплового потока, и, как следствие, закономерностями течения теплоносителя.
Обоснование теплотехнической надежности активных зон реакторов PWR с ТВС-Квадрат является обязательным условием успешного внедрения нового продукта на весьма консервативном рынке ядерного топлива. Поэтому экспериментальное исследование формирования локальных гидродинамических характеристик потока теплоносителя в пучках твэ-лов ТВС-Квадрат является актуальной задачей.
Описание экспериментального стенда
Исследования проводились на экспериментальном стенде, представляющем собой аэродинамический разомкнутый контур.
Экспериментальная модель, входящая в состав стенда, представляет собой фрагмент ТВС-Квадрат реактора типа PWR и выполняется в полном геометрическом подобии натурной ТВС [5]. Модель состоит из твэл-имитаторов, имитаторов направляющих каналов, поясов перемешивающих и дистанционирующих решеток, снабженных дефлекторами. В работе рассматривались три варианта дефлекторов типа «split vane»:
1) первоначальный вариант дефлектора выполнен высотой 9 мм, углом отгиба 25° и параллельной линией гиба относительно верхней кромки пластины (9/25) (рис. 1, а);
2) усовершенствованный дефлектор 9/25 увеличенной площадью на 8% по отношению к первоначальному варианту и профилем, повернутым к центру ячейки согласно линии гиба в 15° относительно верхней кромки пластины (9/25/8/15) (рис. 1, б);
3) усовершенствованный дефлектор 9/25 увеличенной площадью на 21% по отношению к первоначальному варианту и профилем, повернутым к твэлу согласно линии гиба в 15° относительно верхней кромки пластины (9/25/21/15) (рис. 1, в).
а) б) в)
Рис. 1. ПДР ЭМ с различными типами дефлекторов:
а - ПДР с дефлектором типа «прямой гиб»; б - ПДР с дефлектором типа «обратный гиб»; в - ПДР с дефлектором типа «обратный гиб»
Измерительный комплекс
Для измерения вектора скорости за дефлекторами ПДР используется измерительный комплекс, в состав которого входят: пятиканальный пневмометрический зонд, блок аналоговых преобразователей давления, координатное устройство; базовый блок коммутации/измерения, ПЭВМ с соответствующим программным обеспечением.
Измерение вектора скорости потока теплоносителя осуществлялось пятиканальным пневмометрическим зондом. Предельные отклонения проекций абсолютной скорости на оси X, У, Z не превышают 7,5% от абсолютной скорости. Снятие показаний с зонда осуществлялось с помощью блока аналоговых преобразователей давления, представляющего собой набор преобразователей избыточного давления и разности давлений.
Обоснование представительности проводимых исследований
Важным этапом любых исследований является подтверждение их представительности. Проведение исследований течения теплоносителя для штатных ТВС в лабораторных условиях крайне сложно осуществить, так как в активной зоне реактора PWR число Рей-нольдса достигает 4,5-10 . Однако можно моделировать течения воды высокого давления воздухом на основе теории гидродинамического подобия. Согласно данной теории, форма безразмерных полей скорости (Жлок/^ср.расх) остается неизменной на протяжении всей зоны автомодельности [8]. Следовательно, результаты, полученные при числах Яе меньше штатных и на воздухе в области автомодельности, могут быть перенесены на реальные условия течения теплоносителя в штатных ТВС.
Соответственно, для обоснования представительности исследований были проведены эксперименты по определению участков гидродинамической стабилизации потока [5] и границ зон автомодельного течения.
Начало зоны автомодельного течения воздуха в ЭМ было определено на основе результатов измерения гидравлического сопротивления поясов ПДР с различными типами дефлекторов. На рис. 2 показан массив точек коэффициента гидравлического сопротивления ПДР ЭМ в зависимости от числа Яе. Из рисунка видно, что переходная область турбулентного течения наблюдается при числах Яе до 7-104. При числах Яе свыше 7-10 начинается автомодельное течение теплоносителя.
Также необходимым условием обоснования представительности испытаний является равенство коэффициента гидравлического сопротивления (КГС) ПДР ЭМ и ПДР натурных ТВС-Квадрат. Анализ результатов показал, что КГС перемешивающих дистанциони-рующих решеток ЭМ в области автомодельного течения соответствует гидравлическому сопротивлению натурных перемешивающих дистанционирующих решеток ТВС -Квадрат реактора PWR.
'ПДР
1.45
1.40 1.35 1.30 1.25 1.20 1.15 1.10 1.05 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80
■ ПДР А ПДР ♦ ПДР с дефле! с дефле1 с дефле1 сгором т сгором т сгором т ипа"обр ипа "кос ипа"пря атный п ой гиб" мой гиб' 1б" 1
■
в » V ::.- ■ ■ . А 1 !| -Ж-
% * А А А Д ' ♦ 1 ■ ■ || » * 1 ж
♦ А ♦ ♦ * * ♦ 9
Rex 10
Рис. 2. Зависимость коэффициента местного гидравлического сопротивления поясов перемешивающих дистанционирующих решеток с различными дефлекторами
Методика проведения экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования локальных гидродинамических характеристик потока теплоносителя за перемешивающей дистанционирующей решеткой заключались в измерении модуля и направления вектора скорости в исследуемой точке пучка стержней модели. В качестве характерных ячеек для определения влияния различных типов дефлекторов ПДР на течение потока теплоносителя в области направляющего канала были выбраны ячейки № 27, 28. Для получений полной пространственной картины течения теплоносителя за дефлекторами ПДР ячейки были разделены на зоны измерения, в каждой из которых вектор скорости измерялся в 15 сечениях по длине модели.
Рис. 3. Расположение зон измерений гидродинамических характеристик
в поперечном сечении ЭМ
Результаты исследований
На основе результатов измерения вектора скорости за ПДР в области НК ТВС-Квадрат сделаны следующие выводы:
1. По векторным полям, представленным на рис. 4-9 видно, что в ячейках, где дефлекторы направляют теплоноситель в аналогичные ячейки области НК, за всеми из исследуемых типов дефлекторов, в части, прилежащей непосредственно к направляющему каналу, образуется вихрь, который затухает на расстоянии Д//^г~3 от ПДР.
2. В ячейках НК, где дефлекторы направляют поток в стандартные ячейки, за ПДР с дефлекторами типа «косой гиб» и «прямой гиб» возникает вихрь с длиной затухания Д//^г~5-8 от решетки, омывающий поперечным потоком два прилежащих твэла. При постановке решетки с дефлекторами типа «обратный гиб», вихрь в этой же области затухает на расстоянии Д//^г^14 за ПДР.
3. Длина затухания возмущений, вызванных ПДР в ячейках, прилежащих к НК, с дефлекторами типа «прямой гиб», «косой гиб» и «обратный гиб» заканчивается на расстоянии Д//^г~10-14.
■50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
X,mm
Рис. 4. Векторное поле в области НК при постановке ПДР с дефлекторами типа «прямой гиб» при шт=27,52 ( w = 37,90м/с, Яе = 96000)
■50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
X,mm
Рис. 5. Векторное поле в области НК при постановке ПДР с дефлекторами типа «прямой гиб» при //^г=5,24 (Ж = 37,90 м/^ Re = 96000)
■50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
Х,тт
Рис. 6. Векторное поле в области НК при постановке ПДР с дефлекторами типа «косой гиб» при шг=п,52 (ж = 41,50 м/с, Яе = 105000)
50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
Х,тт
Рис. 7. Векторное поле в области НК при постановке ПДР с дефлекторами типа «косой гиб» при 1/йг=5,24 (ж = 41,50м/с, Яе = 105000)
с дефлекторами типа «обратный гиб» при l/de=27,52 (w = 37,50м/c, Re = 95700)
X,mm
Рис. 9. Векторное поле в области НК при постановке ПДР с дефлекторами типа «обратный гиб» при ¡/йг=5,24 (Ж = 37,50м/с, Яе = 95700)
Экспериментальные исследования локальных полей скорости позволили определить распределение расхода теплоносителя в исследуемой области. Различие ориентации дефлекторов и площадей проходных сечений ячеек, прилежащих к НК, и стандартных ячеек ТВС-КВАДРАТ приводит к перераспределению расходов теплоносителя за ПДР. Непосредственно за ПДР с дефлекторами типа «косой гиб» наблюдается вытеснение расхода, которое достигает 30% по отношению к расходу через стандартную ячейку, и на выходе из модели различие расходов между данными ячейками составляет 10% (рис. 10). В случае установки ПДР с дефлекторами типа «обратный гиб» и «прямой гиб» происходит изменение расхода теплоносителя через эти ячейки на 15-20% по сравнению с расходом через стандартную ячейку и остается практически неизменным на всей длине исследуемого участка (рис. 11, 12).
I ПДР с дефлекторами
- типа "косой гиб"
Т-1-1-1--1-1-1-1--1-1-1-1--1-1-1-1--1-1-1-1--1-1-1--1-1-1-1—г
О 5 10 15 20 25 30 35
и<)г
Рис. 10. Отношение распределения расхода теплоносителя через ячейки №27 и №28 (прилежащие к НК) к стандартной ячейке №44 при постановке ПДР с дефлекторами типа «косой гиб»
: —
ПДР с дефлекторами типа "обратный гиб" -В- 027*344
:
;
Е
Е
Е
Е
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 i i | 1 1 1 1
О 5 10 15 20 25 30 35
иаг
Рис. 11. Отношение распределения расхода теплоносителя через ячейки №27 и №28 (прилежащие к НК) к стандартной ячейке №44 при постановке ПДР с дефлекторами типа «обратный гиб»
: —
ПДР с дефлекторами типа "прямой гиб" -В- 027/044 Ж 028/644
:
Е
:
:
Е
Е
| 1 1 1 1
О 5 10 15 20 25 30 35
L/dr
Рис. 12. Отношение распределения расхода теплоносителя через ячейки №27 и №28 (прилежащие к НК) к стандартной ячейке №44 при постановке ПДР с дефлекторами типа «прямой гиб»
Экспериментальные исследования локальной гидродинамики теплоносителя за перемешивающими дистанционирующими решетками ТВС-Квадрат с дефлекторами типа «прямой гиб», «косой гиб» и «обратный гиб» показали, что на интенсивность межъячейкового обмена помимо угла отгиба влияет площадь профиля дефлектора, которая перекрывает проходное сечение ячеек ТВС, а на структуру и форму вихря в центре ячейки ключевое влияние оказывает линия гиба дефлектора.
Выводы
По результатам проведенных комплексных исследований по определению локальных гидродинамических характеристик потока теплоносителя за перемешивающими дистанцио-нирующими решетками в области НК ТВС-Квадрат реактора PWR были выявлены следующие закономерности.
1. Установка перемешивающих дистанционирующих решеток, снабженных дефлекторами, вносит возмущения в поток теплоносителя, одновременно создавая круговые поперечные течения теплоносителя вокруг твэлов и закрутку потока в межтвэльном пространстве:
• в ячейках, где дефлекторы направляют теплоноситель в аналогичные ячейки области НК, за всеми из исследуемых типов дефлекторов образуется вихрь, затухающий на расстоянии Д//^г~3 от ПДР;
• в ячейках НК, где дефлекторы направляют поток в стандартные ячейки, за ПДР с дефлекторами типа «косой гиб» и «прямой гиб» возникает вихрь с длиной затухания Д//^г^5-8 от решетки, омывающий поперечным потоком два прилежащих твэла, при постановке решетки с дефлекторами типа «обратный гиб» вихрь затухает на расстоянии Mdr«M за ПДР;
• длина затухания возмущений, вызванных ПДР в ячейках, прилежащих к НК, с дефлекторами типа «прямой гиб», «косой гиб» и «обратный гиб» заканчивается на расстоянии Д//^г^10^14.
2. Различие ориентации дефлекторов и площадей проходных сечений ячеек, прилежащих к НК, и стандартных ячеек ТВС-квадрат приводит к перераспределению расходов теплоносителя за ПДР:
• непосредственно за ПДР с дефлекторами типа «косой гиб» наблюдается вытеснение расхода, достигающее 30% по отношению к расходу через стандартную ячейку; на выходе из модели различие расходов между данными ячейками составляет 10%;
• в случае установки ПДР с дефлекторами типа «обратный гиб» и «прямой гиб» расход теплоносителя через данные ячейки изменяется на 15 -20% по сравнению с расходом через стандартную ячейку и остается практически неизменным на всей длине исследуемого участка.
Полученные результаты работы используются для верификации трехмерных CFD-программ и в прикладных поячейковых кодах, а также являются базой данных при расчетах теплотехнической надежности активных зон реакторов PWR с ТВС-Квадрат.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках договора № 02.G25.31.0124 от «03» декабря 2014 г. (в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218).
Библиографический список
1. Балыбердин, А.С. Особенности гидродинамики и массобмена теплоносителя в ТВСА-АЛЬФА реактора ВВЭР / А.С. Балыбердин [и др.] // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. - 2010. - № 1. - С. 42-48.
2. Дмитриев, С.М. Экспериментальные исследования гидродинамических и массообменных характеристик потока теплоносителя в ТВСА ВВЭР / С.М. Дмитриев [и др.] // Атомная энергия. - 2012. - Т. 113. - № 5. - С. 252-256.
3. Варенцов, А.В. Экспериментальные исследования локального массообмена и эффективности перемешивания теплоносителя дистанционирующими решетками В ТВС реактора КЛТ-40С / А.В. Варенцов [и др.] // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - 2012. - № 1 (94). - С. 107-113.
4. Дмитриев, С.М. Расчетно-экспериментальные исследования локальной гидродинамики и массообмена потока теплоносителя в тепловыделяющих сборках реакторов типа PWR / С.М. Дмитриев [и др.] // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. -2011. - № 4-3. - С. 751-753.
5. Дмитриев, С.М. Расчетно-экспериментальные исследования локальной гидродинамики и массообмена потока теплоносителя в ТВС-КВАДРАТ реакторов PWR с перемешивающими решетками / С.М. Дмитриев [и др.] // Теплоэнергетика. - 2014. - № 8. - С. 20-27.
6. Бородин, С.С. Расчетно-экспериментальные исследования локальных гидродинамических и массообменных характеристик потока теплоносителя в ТВСА реакторов ВВЭР с перемешивающими решетками / С.С. Бородин [и др.] // Тепловые процессы в технике. -2 015. - № 4. - С. 177-182.
7. Дмитриев, С.М. Экспериментальные исследования поля скорости потока теплоносителя в ТВСА реакторов ВВЭР и ВБЭР / С.М. Дмитриев [и др.] // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. -2014. - № 1 (102). - С. 113-118.
8. Гухман, А.А. Введение в теорию подобия / А.А. Гухман. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Высш. шк., 1973.
Дата поступления в редакцию 30.09.2015
P.V. Arsenov, A.A. Dobrov, D.V. Doronkov, E.N. Polozkova, V.D. Sorokin, A.E. Khrobostov
INVESTIGATION OF COOLANT FLOW BEHIND the MIXING GRID HAVING VARIOUS TYPE OF VANES IN THE REGION OF THE CONTROL ROD IN TVS-KVADRAT FUEL ASSEMBLY
The Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alexeev
Purpose: The main objective of the research was to investigate the characteristics of local hydrodynamics of the coolant flow in Kvadrat_Type fuel assemblies of PWR reactors.
Design/methodology/approach: The main method of hydrodynamics in the nuclear reactor FA investigation is an experimental research of a full-size cassette model and active zones of aero- and hydrodynamics stands. Findings: Experimental researches of hydrodynamics in the nuclear reactor FA were organized. The heat carrier flow features in Kvadrat_Type fuel assemblies of PWR reactors were revealed. Research limitations/implications: The special databank was created on the base of the experiment results. The data are used for verifying CFD-codes to reduce conservatism on esteeming the PWR reactor heat engineering reliability. The results of the research were accepted are now used by Join Stock Company OKBM Afrikantov.
Originality/value: Topically of this article is in local hydrodynamics of the coolant flow in Kvadrat_Type fuel assemblies of PWR reactors to physical laws. Therefore, we can prove heat engineering reliability of the PWR reactor active zone with Kvadrat_Type fuel assemblies.
Key words: nuclear reactor, core, fuel assembly, spacing grid, coolant hydrodynamics.
