CC BY
59
Наука и Образование: научно-техническое издание: Модель расчета конвективного и диффузионного межканального обмена в пучке твэлов за интенсифицирующей решеткой
электронное научно-техническое издание
Первые публикации
Программы и программные системы
Учебные программы
Студенческая
Общие проблемы инженерного образования
Инженер в современной России
Экобионика
Зарубежное образование
История технического прогресса
Будущий инженер
Вне рубрик
Расширеный поиск Подписаться на
ПОИСК
Ред.совет Специальности Рецензентам Авторам Архив
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0420900025. ISSN 1994-0408
Модель расчета конвективного и диффузионного межканального обмена в пучке твэлов за интенсифицирующей решеткой
# 06, июнь 2009
авторы: Марков . П., Солонин В. И., Цирин . С.
МГТУ им. Н.Э. Баумана marrkov@list.ru
В настоящее время в атомной отрасли ведутся работы по созданию интенсифицирующей решетки для отечественных атомных реакторов типа ВВЭР. Актуальность этой работы обусловлена как необходимостью повышением мощности существующих блоков, так и созданием новых энергоблоков. В тепловыделяющих сборках (ТВС) активной зоны реакторов типа ВВЭР имеют место неоднородности теплогидравлических трактов и неравномерности энерговыделения. Они приводят к появлению «горячих струй» в наиболее нагруженных трактах ТВС, что может привести к кризису теплоотдачи, разгерметизации оболочек тепловыделяющих элементов (твэл). Для надежной работы ТВС повышенной мощности, увеличения срока их эксплуатации необходимо снижать неравномерности теплотехнических характеристик потока теплоносителя усовершенствованием конструкции входящих в ТВС компонентов и узлов. Одним из вариантов является включение в конструкцию ТВС турбулизирующих и перемешивающих решеток, исключающих условия возникновения кризиса теплоотдачи. Подобные исследования проводили для известных конструкций решеток, применяемых в ТВС водоохлаждаемых реакторов: решеток, состоящих из набора пластин, так называемых пластинчатых решеток (РШ11) [1] и решеток, состоящих из отдельных ячеек трубчатой формы, соединенных между собой, так называемых сотовых решеток (ВВЭР) [2].
Современные ячейки сотовых решеток ВВЭР имеют девятигранную форму с различными размерами граней. На больших гранях выполнены пуклевки-канавки, профиль и упругопластические свойства которых обеспечивают удержание твэла в ячейке, а форма ячеек и их взаимное расположение обеспечивают шаг расположения твэлов в пучке ТВС. Ячейки решетки разбивают поток теплоносителя между твэлами на систему струй, движущихся вдоль поверхности твэлов. Такая конфигурация ячеек обеспечивает треугольную схему размещения твэлов в пучке, принятую в отечественных водоохлождаемых реакторах.
На основе таких ячеек в ОАО «МСЗ» разработаны конструкции дистанционирующих и интенсифицирующих решеток и созданы интенсифицирующие решетки сотового типа, а в МГТУ им. Н.Э. Баумана проведены сравнительные испытания фрагментов этих решеток, содержащих 19 ячеек. Цель испытаний - определение характеристик межячеистого обмена в пучке твэлов вВэР-1000 за различными решетками. Решетки создавали турбулизацию течения как за счет изменения геометрии ячеек, так и высоты соседних ячеек. По результатам исследований был выявлен вариант решетки (рис.1), которая создает в пучке не только диффузионную, но и конвективную составляющую коэффициента перемешивания.
Рис.1. Вариант конструктивного решения фрагмента сотовой решетки с направленным конвективным переносом
Поле этой решетки состоит из двух типов ячеек, отличающиеся между собой только направлением наклона пуклевок-канавок, создающими на внутренней и внешней поверхности ячейки наклонные каналы (угол наклона каналов ±30°к оси пучка). Каждый тип ячеек располагаются в рядах, которые чередуются по сечению решетки, как это показано на рис.2. Сквозные каналы между ячейками решетки в межтвэльном пространстве для этой решетки отсутствуют: они перекрываются благодаря повороту выходного сечения ячейки относительно входного на угол 60° что видно из рис.1. В этих сечениях расположены площадки ячеек, по которым они соединяются между собой. Поворот граней, наклонная форма пуклевок и чередование рядов ячеек с различным их направлением создают каналы сложной формы в межъячейковом объеме решетки, которые практически не оставляют теплоносителю сквозных проходов вдоль оси пучка твэлов.
За счет такой сложной конфигурации ячеек и обеспечивается направленный конвективный поток за решеткой вдоль рядов ячеек (рис.2), что имеет следствием на порядок более интенсивное перемешивание теплоносителя в пучках твэлов по сравнению с диффузионным турбулентным рассеянием тепловых неоднородностей. Естественно,
СОБЫТИЯ
Международная
научно-практическая
конференция
"Использование технологий дистанционного обучения в высшей школе "
III Международная
научно-практическая
конференция
"Информационная среда вуза XXI века "
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА
12.10.2009 Всероссийская научная школа для участников программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» ^У.М.Н.И.К;
14.09.2009 Абитуриенты смогут поступать только в пять вузов - проект приказа
24.08.2009
Комсомольская правда > 24.08.2009 > Евгений СТРИГУНОВ > Толковым студентам -платникам государство будет помогать
13.07.2009
РИА "Новости " > 13.07.2009 > Около 28 тысяч студентов вузов переведены с платных на бюджетные места в 2009 году
8.07.2009
Письмо Рособразования от 29.05.2009 N20-353 "О Конкурсе 2009 года на соискание медалей Российской академии наук с премиями для молодых
весна
новости
Логин
Наука и Образование: научно-техническое издание: Модель расчета конвективного и диффузионного межканального обмена в пучке твэлов за интенсифицирующей решеткой что при этом увеличивается гидравлическое сопротивление решетки [3].
ученых РАН.
Рис.2. Распределение поперечных потоков в выходном сечение перемешивающей решетки сотового типа с направленным
конвективным переносом
ВХОД
регистрация забыли пароль?
Оптимизация геометрии перемешивающей решетки, создающей направленный конвективный перенос, делает необходимой разработку методики, описывающей сложное продольно-поперечное обтекание твэльного пучка. Она должна давать наглядное представление о процессах, происходящих с потоком теплоносителя, и вместе с тем быть универсальной для различных конструкционных исполнений решетки. Применение сложных теплогидравлический кодов для выбора оптимальной геометрии решетки неэффективно (они должны использоваться на этапе прецизионных расчетов). Поэтому выбрана модель расчета, основанная на модели пористого тела, которая [1] позволяет рассчитывать макрополе скоростей, без определения локальных неравномерностей на длине шага стержней, и распределение температур в потоке.
Рассматриваемая решетка (рис.2) создает поперечные оси пучка разнонаправленные потоки вдоль рядов твэлов. При этом скорость теплоносителя Ш за решеткой будет иметь две составляющие: в направлении параллельном оси канала, \№, принимаемая постоянной, и поперечном направлении - вдоль ряда ячеек, Шх.
Для описания изменения поперечной скорости потока Шх вдоль оси канала будем пренебрегать динамическим взаимодействием разнонаправленных вдоль рядов ячеек потоков. Это допущение эквивалентно трансформации канала между соседними рядами твэлов в плоский щелевой зазор, как это показано на рисунке 3. При этом пористость системы £ (пористость в данном случае - отношение объема канала, занимаемого теплоносителем, к полному объему канала) сохраняется.
Ширина проходного сечения после такой замены определяется как
а=Я1-Е1 (1)
где Б1 - расстояние между соседними рядами твэлов. Таким образом, под поперечной скоростью в данном случае будем понимать:
г.-а
, (2)
Зх - объемный расход в поперечном направлении, приходящийся на единицу длины канала.
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
Доска объявлений
Архив
Ассоциация технических Университетов Информация о проекте Авторы
Координационный совет
5
ш Щ ^^ 1 \ 1
1 !
& Ы
/"их
АхШ
Рис. 4. Расчетная схема течения за решеткой с конвективным переносом
Запишем уравнение изменения количества движения потока в направлении б (рис.4):
<И¥
р-1Г—=Га- Ои^)-Р? Сю(*)-¥?
Рь—Т- „ Т7*6 Ь'"
(Е - движущим напор;х I , х
- силы трения в осевом и поперечном направлениях соответственно, р - плотность, ф - угол между вектором скорости и
осью пучка.
Для чисто продольного обтекания пучка стержней [1]:
для чисто поперечного обтекания пучка стрежней [2]:
, (5)
3 3 Ир" Р."
где "I, коэффициенты трения в осевом и поперечном направлениях; п, т - показатели при числе 11е в законах трения: , ; с1 г, б -
гидравлический диаметр и шаг стержней, соответственно.
Согласно [1] из соображения непротиворечивости в случае изотропного трения примем следующие выражения для сил трения, переходящие в (4) и (5) в предельных случаях:
(6)
Поскольку коэффициенты Д1 и Ах не зависят от скорости потока, найдем их из выражений (4) и (5):
а- Л-
4 = =
(7)
где коэффициенты и дх определяются геометрией канала и режимом течения. После преобразований из уравнения (3) получим:
(8)
Применительно к условиям течения (геометрия, числа Рейнольдса) в твэльном пучке с геометрией ТВС ВВЭР-1000, используя [2], [3], [4], получим = 0.186, дж = 0.693, п = 0.25 и т = 0.15.
Численное решение уравнения (8) дает зависимостьШИ, откуда получаем величины поперечной скорости Шж(1) и отклонения линии тока от оси Лж^). Первая определяет конвективную составляющую коэффициента перемешивания, вторая - масштаб взаимодействия и непосредственно определяется из эксперимента.
В таблице 1 представлены экспериментально полученные значения изменений отклонения траектории потока от оси с расстоянием от решетки . Сопоставление результата расчета по (8) с экспериментальными данными проиллюстрировано на рисунке 5. Наилучшее соответствие расчета и экспериментов получено, если при расчете эффективный угол отклонения потока от оси канала на выходе из решетки принять 20 ° (угол наклона пуклевок решетки рис.1 равен 30 °).
Таблица 1
Сравнение расчетных значений отклонения траектории потока с экспериментальными данными
1,мм Лжэксп, мм Лж^), мм £ = |Лжэксп -Лж(1)| / Лжэксп, %
120 19.8 20.7 4.6
250 24.5 24.6 0.4
375 24.5 25.2 2.8
11е = 3.4-104, а г = 10.6 мм
Рис.5. Отклонение траектории потока от оси с расстоянием от решетки
В таблице 2 приведены расчетные значения максимальных отклонений потока Лжтаж при различных углах выхода теплоносителя из решетки и числах Рейнольдса.
Таблица 2
Максимальные значения отклонения потока Лжтаж (мм) при различных углах выхода потока из решетки и числах Рейнольдса
Угол выхода потока из решетки, j вых 15 ° 30 ° 45 ° 60 °
11е = 1104 16 32 53 81
11е = 5-104 20 42 68 104
11е = 1105 22 46 75 115
11е = 5-105 28 59 96 147
Анализ результатов, приведенных в таблице 2 показывает, что «дольнобойность» потока в поперечном направлении зависит от угла выхода потока из решетки ]вых: при ]вых = 15...45 °, величины Лжтаж увеличиваются почти пропорционально tg(jвых). Увеличение числа Рейнольдса течения потока в пучке твэлов приводит к увеличению «дальнобойности» приблизительно одинаковое для различных jвых: для 11е = 5'105 и 11е = 5'104 отношение величины Лжтаж составляет 1.4 - 1.41.
Для расчета влияния конвективного течения за решеткой на деформацию температурных распределений в пучке твэлов воспользуемся моделью связанных гидравлических ячеек [3]. Интенсивность массообмена между ячейками характеризуется коэффициентом перемешивания рп, определяемым как отношение расхода, перетекающего на единице длины в соседние ячейки, к расходу в данной ячейке:
(9)
где СЬк - расход, перетекающий из ячейки \ в ячейку к на единицу длины канала, - расход в ячейке ¡. В потоках без направленного конвективного переноса межканальный обмен осуществляется за счет молекулярной и турбулентной диффузии, характеризуемой величиной /(? . Для учета конвективного переноса вводим конвективную составляющую перемешивания /(? и суммарный коэффициент перемешивания:
(10)
Механизм диффузионного переноса изотропен; диффузионная составляющая определяется как
$ ■ ■ № (11)
где /fr* - коэффициент перемешивания при стабилизированном течении потока в пучке твэлов; Л? Сг) - коэффициент перемешивания, вызванный турбулизацией потока перемешивающей решеткой и затухающий с увеличением расстояния от нее.
Для центральных ячеек ТВС с треугольной упаковкой твэлов (рис.6) баланс тепла в потоке между твэлами записан в виде:
G С.
rfr.oo
- -Я?С0 G Cf £ (г.Ю-тлф J++K
■М
(12)
где G - расход теплоносителя в центральных ячейках, Ср - теплоемкость, ■
средняя температура теплоносителя в центральной ячейке
Tj
средние температуры
J+ =
я
теплоносителя в соседних ячейках, 2
[Вт/м], вызванный поперечной конвекцией. При направлении поперечной конвекции слева направо
- приток тепла [Вт/м] в центральной ячейке за счет внутреннего тепловыделения, К - переток тепла
К - «,(х) С, ('Л(х) 7'0(х))
' / > 1 ' 4 при обратном направлении -
Ж ЛдС-^} Зх определяется формулой (2). Аналогичным образом можно записать балансы массы, количества движения и энергии для
каждой ячейки позволяют получить систему уравнений в дифференциальной или конечно-разностной форме. Такая система замыкается эмпирическими зависимостями для диффузионной составляющей коэффициента перемешивания и расчетными значениями его конвективной составляющей, полученной из предыдущей модели.
Рис.6. Центральные ячейки ТВС с треугольной упаковкой твэлов
Предложенная модель реализована для моделирования процессов теплообмена после решетки (рис.1) в макете ТВС ВВЭР-1000, состоящим из 127 твэльных трубок диаметром 9.1 мм (рис.7), в который подается слабо неизотермический поток воздуха при числе Рейнольдса 3.4' 104 (приток тепла за счет энерговыделения в твэлах отсутствует).
А ¡увеличено)
Рис.7. Макет ТВС ВВЭР-1000
Допущения, использованные при моделировании:
■ поперечный расход в боковых ячейках разделяется на два одинаковых (см. рис.7);
■ средние по ячейкам скорости одинаковы.
По результатам исследований [7] средние значения диффузионных составляющих коэффициента перемешивания за исследуемой решеткой составили: на расстоянии ~25о мм - 3 ± 0.75 1/м, на расстоянии ~500 мм - 2 ± 0.5 1/м, при этом коэффициент перемешивания при стабилизированном течении потока в пучке твэлов в условиях эксперимента был равен 0.39 1/м. Используя эти данные, приняв экспоненциальный закон изменения диффузионной составляющей коэффициента перемешивания [7], был восстановлен ее вид:
=0.39 + 5-е*р(—5_8-г), (13)
где г - расстояние от перемешивающей решетки, м. Конвективную составляющую коэффициента перемешивания определили следующим выражением:
. Ш&У а
О, УГ,
(14)
Поперечная скорость Шж(г) полученая из численного решения уравнения (8) для условий рассматриваемого эксперимента, аппроксимирована экспоненциальной зависимостью.
,
(15)
На рисунках 8 и 9 приведены результаты расчетов температур в симметричных относительно центра рядах ячеек на расстоянии 250 мм от интенсифицирующей решетки для случаев равномерного и неравномерного распределений температуры воздуха в горячем пятне.
---1-Э-----2-Э--3-Э
Рис.8. Распределения температур в твэльном пучке при равномерном распределении температуры в горячем пятне а) - перед перемешивающей решеткой; б) - на расстоянии 250 мм.
Наука и Образование: научно-техническое издание: Модель расчета конвективного и диффузионного межканального обмена в пучке твэлов за интенсифицирующей решеткой
Рис.9. Распределения температур в твэльном пучке при неравномерном распределении температуры в горячем пятне а) - перед перемешивающей решеткой;
б) - на расстоянии 250 мм.
Расчеты показывают, что за исследуемой решеткой возникают два максимума температур, обусловленные поперечным конвективным переносом, противоположно направленным в соседних рядах твэлов. При этом положение этих максимумов одинаково для обоих случаев. В результатах обоих расчетов наблюдается немонотонность распределения температур, связанная с диффузионным теплообменом между соседними слоями, при котором одни ячейки взаимодействуют с ячейками в менее удаленном от оси канала слое (как правило «горячими»), другие - с ячейками в более удаленном слое («холодными»). Конвективный перенос увеличивает разницу температур в соседних слоях, тем самым увеличивая диффузионный обмен.
Список используемой литературы
1. «Справочник по ядерной энерготехнологии» Ф. Ран, А. Адамантиадес, Дж. Кентон, Ч. Браун - М.: Энергоатомиздат, 1989 г.
2. «Активные зоны ВВЭР для атомных электростанций» В.Д. Шмелев, Ю.Г. Драгунов, В.П. Денисов, И.Н.Васильченко - М. Академкнига, 2004 г.
3. «Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках» В.И. Субботин, М.Х. Ибрагимов, П.А. Ушаков и др.- М.: Атомиздат, 1975 г.
4. «Справочник по теплогидравлическим расчетам» П.Л. Кириллов, Ю.С. Юрьев, В.П. Бобков. - М.: Энергоатомиздат, 1984 г.
5. «Гидродинамика и вибрация обтекаемых пучков труб» А.А. Жукаускас, Р .В. Улинскас, В.И. Катинас. - Вильнюс, изд-во «Мокслас», 1984 г.
6. «Компактные теплообменники» В.М. Кейс, А.Л. Лондон. - М.: Государственное энергетическое издательство, 1962 г.
7. «Решетки сотового типа для ВВЭР-1000» В.И. Солонин журнал «Росэнергоатом» №8, 2008
Публикации с ключевыми словами: испытания в активной зоне, экспериментальная тепловыделяющая сборка Публикации со словами: испытания в активной зоне, экспериментальная тепловыделяющая сборка Смотри так же:
• Разработка экспериментальной тепловыделяющей сборки для реактора ВВЭР 1000
Тематические рубрики:
• Наука в образовании: Электронное научное издание
Ассоциация технических Университетов Вузы
Информационное агентство
Координационный совет Новости УМО Вузов
j'" ¡ magazine@xware.ru
телефон (8499) 263-68-67
rj RSS
Q STOCK GHDUP
© 2003-2009 «Наука и образование: электронное научно-техническое издание»
