Научная статья на тему 'Программное обеспечение и результаты моделирования термоэмиссионных систем'

Программное обеспечение и результаты моделирования термоэмиссионных систем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
323
84
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Бабушкин Ю. В., Зимин В. П., Хомяков Е. А.

Представлена структура программного комплекса для исследования характеристик термоэмиссионных систем. Описан процесс расчета характеристик электрогенерирующей сборки, состоящий из трех этапов: подготовительный, расчетный и визуализации результатов. В качестве иллюстрации возможностей программного комплекса приведены результаты расчета аномальных характеристик электрогенерирующих сборок.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The software and results of simulation of thermoionic systems

The structure of applied program package for research of thermoionic system characteristics is presented. The process of calculation of power-generating assembly consisting from three stages preparatory, calculation and visualization of results is described. Results of calculation of the anomalous characteristics of power-generating assemblies are given as illustration of applied program package possibilities.

Текст научной работы на тему «Программное обеспечение и результаты моделирования термоэмиссионных систем»

взрыв фольги. Использование электрического взрыва как генератора ударной волны требует знания его оптимальных режимов. С увеличением индуктивности Ьс разрядного RLC-конту-ра, начиная с определенного значения Ь = 100 нГн, происходит значительное снижение амплитуды генерируемой ударной волны.

2. Амплитуда ударной волны с уменьшением Ьс растет до определенного предела Рт= 1,17 ГПа. Длительность фронта импульса давления также сохраняется неизменной. Полученное «насыщение» по амплитуде и форме ударной волны при значениях индуктивности контура

Хс=35,5...91 нГн свидетельствует о реализации предельно возможной скорости физических процессов разрушения проводника (физическое ограничение роста параметров ударной волны).

3. Минимальная длительность фронта импульса давления составляет ~50 нс, а длительность импульса на полувысоте ~230 нс.

4. Связи между амплитудами давления и перенапряжения, а также между длительностями их фронтов свидетельствуют о протекании единого процесса разрушения, который определяет как импульс перенапряжения, так и импульс давления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Nairne E. Electrical experiments by Mr. Edward Nairne // Phil. Trans. Roy. Soc. London. - 1774. - V. 6. - P. 79-89.

2. Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 289 с.

3. Асиновский Э.И., Кириллин А.В. Нетрадиционные методы исследования термодинамических свойств веществ при высоких температурах. - М.: Янус-К, 1997. - 158 с.

4. Cho C., Murai K. e. a. Enhancement of energy deposition in pulsed wire discharge for synthesis of nanosized powders // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2004. - V. 32. - № 5. - P. 2062-2067.

5. Волков Г.С., Грабовский Е.В. и др. Методика рентгеновского зондирования излучением X-пинча плазмы многопроволочных сжимающихся лайнеров на установке "Ангара-5-1" // Приборы и техника эксперимента. - 2004. - № 3. -С. 110-124.

6. Наугольных К.А., Рой Н.А. Электрический разряды в воде. -М.: Наука, 1971. - 155 с.

7. Столович Н.Н. Электровзрывные преобразователи энергии. -Минск: Наука и техника, 1983. - 151 с.

8. Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости. - Киев: Наукова думка, 1986. - 208 с.

9. Острик А.В., Петровский В.П. Особенности откольного разрушения полимерных цилиндрических тел при неосесимметрич-ном импульсном нагружении // Прикладная механика и техническая физика. - 1993. - № 1. - С. 133-137.

10. Зайцев А.Д., Петровский В.П., Сасиновский Ю.К., Холод С.В. Экспериментально-теоретические исследования параметров механических нагрузок, инициируемых электрическим взрывом фольг / http://skh.chat.ru/science

11. Григорьев А.Н., Павленко А.В., Ильин А.П., Карнаухов Е.И. Электрический разряд по поверхности твердого диэлектрика. Ч. 2. Исследование сильноточного коммутатора // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. -№ 2. - С. 79-82.

12. Graham R.A., Neilson F.W. Piezoelectric Current from Shock-Loaded Quartz - a Submicrosecond Stress Gauge // J. Appl. Phys. -1965. - V. 36. - № 5. - P. 1775-1783.

13. Lee W.M., Ford R.D. Pressure measurements correlated with electrical explosion of metals in water // J. Appl. Phys. - 1988. - V. 64. - № 8. - P. 3851-3854.

УДК 621.039.55.001.4:621.3.014.6

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ СИСТЕМ

Ю.В. Бабушкин, В.П. Зимин, Е.А. Хомяков

Томский политехнический университет Е-таУ: zimin@ido.tpu.edu.ru

Представлена структура программного комплекса для исследования характеристик термоэмиссионных систем. Описан процесс расчета характеристик электрогенерирующей сборки, состоящий из трех этапов: подготовительный, расчетный и визуализации результатов. В качестве иллюстрации возможностей программного комплекса приведены результаты расчета аномальных характеристик электрогенерирующих сборок.

Практическая реализация технологии вычислительного эксперимента базируется на трех составляющих: модели, алгоритмы и программы. Во многих случаях для проведения вычислительных экспериментов достаточно использовать современные математические пакеты, в которых реализованы эффективные и проверенные временем численные методы решения типовых задач. При модели-

ровании сложных физических установок, к которым, безусловно, относятся термоэмиссионные системы, на этапе создания математического описания производится декомпозиция взаимосвязанных процессов по различным критериям, что приводит к созданию множества иерархических моделей [1] и алгоритмов [2] разной степени сложности. Необходимость учета влияния на исследуемые процессы

конструкций и технологий изготовления физических установок приводит к многовариантности множеств иерархических моделей и, что не менее важно, проблеме хранения исходных данных и результатов вычислительных экспериментов.

Таким образом, основными требованиями к программному обеспечению являются не только реализация эффективных численных методов в каждом программном модуле, но и возможность либо выбора из существующего множества моделей наиболее подходящей, либо оперативное создание новой модели из библиотеки модулей для проведения целенаправленных вычислительных экспериментов, формирования, визуализации и хранения результатов.

Кроме того, в связи с постоянным совершенствованием отдельных программных модулей, а также с целью повышения достоверности результатов программные модули, выполняющие одинаковые функции, должны быть взаимозаменяемы.

В наибольшей степени перечисленным требованиям удовлетворяет подход, основанный на разделении функций подготовки исходных данных в виде банка данных, построения модели в виде цепочки последовательно выполняемых программных модулей, собственно проведения расчетов, а также визуализации полученных данных [3]. Моделирование характеристик электрогенерирующих сборок (ЭГС) выполняется в три этапа [4]. На первом этапе с помощью подготовительных модулей формируются файлы банка данных, в которых содержится информация о геометрических параметрах, электрофизических, эмиссионных и тепло-физических свойствах элементов ЭГС. На втором этапе проводится расчет, визуализация и анализ серий вольт-амперных характеристик термоэмиссионного преобразователя (ВАХ ТЭП) для предполагаемых условий работы ЭГС. На третьем этапе рассчитываются температурные и электрические поля и ВАХ ЭГС. Условия расчета ЭГС (распределение тепловыделения, тепловая мощность, давление пара цезия в резервуаре, входная температура и расход теплоносителя, сопротивление нагрузки и количество расчетных точек) задаются в управляющих файлах банка данных. Для моделирования аномальных ситуаций предусмотрены специальные подготовительные модули, позволяющие формировать исходные данные, имитирующие возникновение утечек тока между электродами, через коллекторную изоляцию и между элементами, а также изменения теплофизических свойств материалов, распухание топливно-эмиттерных блоков, вынос топлива в межэлектродные зазоры и т.д.

Входные, выходные и промежуточные данные работы функциональных модулей хранятся в банке данных в виде текстовых файлов.

Расчетные модули создаются на основе программ (процедур и функций), которые реализуют математическое [1] и алгоритмическое обеспечение [2]. Вспомогательные программы также офор-

мляются в виде модулей и объединяются в библиотеки:

• стандартных численных методов;

• программ расчета коэффициентов аппроксимации уравнений тепло- и электропроводности, теплофизических и электротехнических свойств материалов, составляющих тепловых потоков и т.п.;

• чтения файлов исходных данных и записи результатов расчета.

Модули визуализации позволяют просмотреть как исходные данные, так и результаты промежуточных и окончательных расчетов в виде распределений температурных и электрических полей, ВАХ и т.д.

Программные и функциональные модули реализованы с помощью системы программирования Turbo Pascal 7.0. На рис. 1 представлена структурная схема взаимодействия функциональных модулей, библиотек программ и банка данных.

БИБЛИОТЕКА ДИСПЛЕЙ

ЗАПИ СИ-ЧТЕНИЯ te.

> БИБЛИОТЕКА ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ БИБЛИОТЕКА 1- ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ

1

Г У Г У г >

БИБЛИОТЕКА ПОДГОТОВИТЕ.! 1.Ш.1Х МОДУЛЕЙ БИБЛИОТЕКА РАСЧЕТНЫХ МОДУЛЕЙ БИБЛИОТЕКА МОДУЛЕЙ ГШ1УАЛШАЦИ» МОДУЛЬ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

1 1 1 1

БАНК ДАННЫХ

Рис. 1. Структура программного обеспечения для моделирования термоэмиссионных систем

Для проведения вычислительных экспериментов в качестве системного программного обеспечения используется пакет программ BrainStorm [5], который обладает следующими возможностями:

• объединение функциональных модулей, реализованных в MS-DOS, в пакет программ с минимальными изменениями их кода;

• добавление новых и замена существующих функциональных модулей;

• запуск модулей на исполнение и автоматизация последовательного выполнения цепочек модулей;

• предоставление доступа к данным и выполнение операций над ними: редактирование, копирование, добавление и удаление без выхода из системной оболочки;

• повышение надежности работы в системной оболочке, в частности, аварийные остановы в модулях не приводят к разрушению файлов и оболочки.

Базовое окно системной оболочки BrainStorm с загруженным пакетом прикладных программ для исследования процессов в термоэмиссионных системах представлено на рис. 2.

7 «Эксперимент»- Brainstorm

Пакет Объекты Категория Сервис Справка

[^Сменить.,. т ^Сохранить ^ Выход | ^Запустить... Просмотреть журнал..

Все модули Все цепочки Ввод/вывод |р Банки данных ®Ьа5е Категории

В- тэп

-| ~ Подготовка •Рп Расчет

Визуализация

В эгк

Подготовка

_ Расчет

Визуализация

Ф Ф

Ф

_PCGQ2.EXE _PCG03.EXE _PCG04.EXE

Ф Ф Ф

_PCG07.EXE pcc03m_p.EXE PCP02.EXE

& ф ф

PCP03.EXE PCP04.EXE PCP05.EXE j-J

Текущий банк данных: С

\ATOM\kiae_2004\KIAE_2004 Запустить...

\banks\base\

Свойства модуля..

Документация,.

Наименование модуля Назначение модуля

Подготовка:

PCP02 данных для зависимости давления пара цезия от температуры резервуара с цезием

PCP05 кривых Рейзора электродов

Расчет:

PCC01 вакуумных и квазивакуумных ВАХ

PCC02 диффузионных ВАХ

PCC03m_p ВАХ по эмпирической и полуэмпирической моделям плазмы ТЭП

Таблица 2. Состав модулей для расчета электрических процессов ЭГС

Программный модуль Назначение модуля

Расчет:

FPO1 удельного электрического сопротивления материалов

SXEMA1 коэффициентов аппроксимации уравнений электропроводности

VOLT3, VOLT4, VOLT3J, VOLT4J параметров линейных эквивалентов ТЭП с использованием трех или четырехмерной интерполяции

ELECAN1 распределений потенциалов,токов, напряжений и интегрального значения тока

ной профилированной ЭГС (длины ЭГЭ в ЭГС -9,55; 4,60; 4,00; 4,60; 9,55 см), основные параметры которой приведены в [7].

Таблица 3. Состав модулей для расчета тепловых процессов ЭГС

Программный модуль Назначение модуля

Расчет:

FLCS1, FLHE1, FLI1 теплопроводности пара цезия в зазоре, гелия и изоляции системы теплосброса

ISL1 теплового потока излучением

GISL1 распределения тепловыделения за счет нейтронного и гамма излучений

KOER1, KOEDL1 коэффициентов аппроксимации по радиусу и длине

TEMPER температурного поля

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

PARCP средних параметров

Рис. 2. Базовое окно системной оболочки Brainstorm

В таблицах 1-4 приведен перечень и назначение основных функциональных модулей, с помощью которых проводятся исследования различных режимов работы термоэмиссионных систем.

Таблица 1. Состав функциональных модулей ТЭП

Таблица 4. Состав функциональных модулей для расчета ЭГС

Функциональный модуль Назначение модуля

Расчет:

PEC01 температурного поля вакуумного и диффузионного режимов

PEC02 вакуумных ВАХ

PEC03 переходного режима при заполнении ЭГС цезием

PEC04 изотермических дуговых ВАХ

PEC05 диффузионных ВАХ

PEC06, PEC07 статических и динамических ВАХ

PEC08 переходного режима от диффузионного к дуговому с учетом поджига и гашения дуги

Варианты распределения относительного тепловыделения д^) в топливных сердечниках ЭГС представлены на рис. 3. В соответствии с рекомендациями [6] для проведения расчетов выбран профиль при бкс=2.

1,1

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0.4

Qrc~ Ц /

.Г -' >-

IV.

У / 1-—-*

/ / QIC=2 \

10

20

30

40

50

Верификация различных версий программных модулей производилась в течение ряда лет путем сравнения расчетных результатов с результатами других авторов, а также с экспериментальными данными, полученными при испытаниях различных многоэлементных электрогенерирующих сборок [6].

В качестве иллюстрации возможностей созданного пакета программ рассмотрим экспериментальные и расчетные характеристики пятиэлемент-

Рис. 3. ВариантыI распределения тепловыделения в пятиэле-ментной ЭГС

На рис. 4 представлены теоретические кривые Рейзора для эмиттера (вакуумная работа выхода ^=5,0 эВ) и коллектора (/с°=5,0 эВ), что соответствует подложкам из вольфрама. ВАХ ТЭП (рис. 5), рассчитывались по эмпирической модели плазмы ТЭП [8] при межэлектродном зазоре ¿=0,04 см, Ра=266 Па, температуре коллектора Тс=900 К.

На рис. 6 представлены расчетные (1, 4) и экспериментальные (2, 5) кривые ВАХ пятиэлемент-ной профилированной ЭГС в штатном режиме работы.

„ЭВ 4,6-

4,2

3,4 3.0 2,6 2,2 1,8 1.4

1

I

2 3 4 5 Гт/Га

Рис. 4. Теоретические кривые Рейзора: 1) эмиттера и 2) коллектора

./, А/см 40 35 30 25 20 15 10 5 0

ч

Ч.Л

--А

.............

\ ......

1 ■А

___^ ..... ..."А—..........

Рис. 5. ВАХ ТЭП при варьировании температурыI эмиттера ТЕ: 1) 1400; 2) 1600; 3) 1800; 4) 2000; 5) 2200; 6) 2300 К

I.., А

200

150 —

100

50

-50

V 4

1 "С" " - о -- ,

I

ии, В

ных программных модулей является не только расчет интегральных ВАХ ЭГС, но и распределений температур, потенциалов и токов в расчетных сечениях, которые позволяют провести анализ внутреннего состояния ЭГС. В качестве примера на рис. 7, 8 представлено распределение температур, токов и напряжений в ЭГС при тепловой мощности 6=4,0 кВт и напряжении на нагрузке ин=3 В.

Рис. 7. ТемпературыI в разных точках ЭГС: Т0, Тп - в топлив-ны1х сердечниках по оси и на расстоянии радиуса перемычки от центра, Т, ТС - эмиттера и коллектора, ТН, ТТ - несущей трубки и теплоносителя

Анализ графиков показывает, что в первом ЭГЭ повышена температура коллектора из-за уменьшения теплопроводности коллекторной изоляции. В третьем элементе наблюдается рост температуры несущей трубки и коллектора в связи со снижением теплопроводности изоляции между несущей трубкой и корпусом. Во втором элементе при наличии электропроводящих мостиков между электродами за счет увеличения тока (рис. 8) происходит снижение уровня температурного поля эмиттера и разности потенциалов между электродами ис.

2 3 4..

Рис. 6. ВАХ ЭГС в исходном состоянии и после изменения параметров модели. Тепловая мощность Q: 1-3) 2,5; 4-6) 4,0 кВт

В качестве иллюстрации дополнительных возможностей алгоритмического и программного обеспечения было предположено, что в ЭГС одновременно произошли следующие изменения. В первом ЭГЭ уменьшилась теплопроводность коллекторной изоляции, во втором возникла утечка тока между электродами, в третьем снизились те-плопроводящие свойства изоляции между несущей трубкой и корпусом, а также возникла утечка тока через коллекторную изоляцию.

Зависимости тока от напряжения нагрузки при данных предположениях представлены кривыми 3, 6 на рис. 6. Основным достоинством разработан-

10 20 30 40 50

Рис. 8. Распределение температур эмиттера (Т), коллектора (ТС), токов (1С) и напряжений (ис) в ЭГС при изменении параметров

Наконец, в связи с утечкой тока через коллекторную изоляцию в третьем элементе происходит рост тока, снижение напряжения между электродами и уровня температур эмиттеров в последних трех ЭГЭ.

Следует отметить, что электрический пробой коллекторной изоляции при принятой коммутации элементов в ЭГС приводит к повышению температурного поля в ЭГЭ, расположенных до места пробоя и снижению температур эмиттера в ЭГЭ, расположенных после места пробоя относительно исходного уровня. Так в данном случае величина тока, проходящего через нагрузку по первому токо-выводу равна 9,6 А, по коммутационной перемычке второго элемента 239,3 А, а по последним трем элементам и второму токовыводу - 141,7 А. Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о необходимости перевода ЭГС в область короткого замы-

кания с целью гарантированного исключения перегрева эмиттера первого ЭГЭ [9]. По результатам измерения напряжения и токов на токовыводах предложен способ определения ЭГЭ, в котором произошел пробой коллекторной изоляции [6].

Полученные результаты свидетельствуют об адекватном качественном поведении выходных характеристик используемой математической модели при изменении теплофизических параметров и внутреннего состояния ЭГЭ в ЭГС.

Разработанный комплекс программ нашел применение для оценки внутренних неизмеряемых параметров ЭГС, а также отработки гипотез при аномально высоких временах переходных процессов [6, 10], получении гистерезисных статических ВАХ во время проведения испытаний энергонапряженных ЭГС по программе РКК "Энергия" на реакторе ВВР-К [6].

Выводы

1. Создан пакет прикладных программ для моделирования термоэмиссионных систем, включа-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бабушкин Ю.В., Зимин В.П. Математическое обеспечение программного комплекса для моделирования термоэмиссионных систем // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. - № 1. - С. 51-55.

2. Бабушкин Ю.В., Зимин В.П. Методы расчета вольт-амперных характеристик термоэмиссионных электрогенерирующих сборок // Известия Томского политехнического университета. -2006. - Т. 309. - № 2. - С. 135-139.

3. Комплекс программ для расчета характеристик петлевого канала / Ю.В. Бабушкин, В.П. Зимин, А.П. Савинов и др. // Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую: Тезисы докладов отрасл. конф. - Обнинск: Изд-во ФЭИ, 1984. - С. 122.

4. Бабушкин Ю.В., Зимин В.П., Синявский В.В. Моделирующая система KOPTES для исследования тепловых и электрических процессов в термоэмиссионных системах преобразования энергии // Ракетно-космическая техника: Труды. Сер. XII. -Вып. 1-2. Расчет, проектирование, конструирование и испытания космических систем / Под ред. В.В. Синявского. - Калининград, Моск. обл.: РКК «Энергия», ОНТИ, 1998. - С. 60-78.

5. Зимин В.П., Хомяков Е.А. Разработка системной оболочки проблемно-ориентированных пакетов прикладных программ // Вычислительные технологии и математические модели в науке, технике и образовании: Докл. Междунар. конф. - Алма-Ата, 2003. - С. 55-58.

ющий подготовку исходных данных, расчет серий ВАХ ТЭП в вакуумном, диффузионном и разрядном режимах работы, а также статических и динамических характеристик многоэлементной электрогенерирующей сборки.

2. Разработанное программное обеспечение позволяет рассчитывать температурные и электрические поля различных конструкций элек-трогенерирующих сборок с учетом изменения эмиссионных, тепло- и электрофизических свойств материалов, профиля и уровня распределения тепловыделения в топливных сердечниках, изменения условий охлаждения и электрической нагрузки ЭГС, исследовать аномальные ВАХ и изучать причины их возникновения.

3. Опыт использования пакета программ для расчета серий ожидаемых ВАХ и анализа аномальных результатов реакторных испытаний ЭГС подтвердил правильность концептуальных решений, заложенных при его проектировании и программировании.

6. Синявский В.В. Методы и средства экспериментальных исследований и реакторных испытаний термоэмиссионных элек-трогенерирующих сборок. - М.: Энергоатомиздат, 2000. -375 с.

7. Разработка и ресурсные реакторные испытания термоэмиссионного ЭГК с карбидным топливом / Ю.В. Николаев, В.Н. Андреев, В.И. Выбыванец и др. // Ракетно-космическая техника. Труды. Сер. XII. - Вып. 2-3. Расчет, проектирование, конструирование и испытания космических систем. Ч. 2 / Под ред. В.В. Синявского. - Калининград, Моск. обл.: РКК «Энергия», ОНТИ, 1996. - С. 85-98.

8. Расчет разрядных вольт-амперных характеристик ТЭП / В.П. Зимин, А.П. Савинов, В.В. Синявский и др. // Госфонд алгоритмов и программ СССР. - ОФАП САПР. - ГОНТИ, 1983. - Вып. 21. - С. 8.

9. Бабушкин Ю.В., Синявский В.В. Численное моделирование температурных и электрических полей электрогенерирующих каналов при возникновении утечек тока // Ракетно-космическая техника: Труды. - Сер. XII. - Вып. 3-4. Расчет, проектирование, конструирование и испытания космических систем / Под ред. В.В. Синявского. - Калининград, Моск. обл.: РКК «Энергия», ОНТИ, 1995. - С. 136-144.

10. Бабушкин Ю.В., Савинов А.П., Синявский В.В. Оценка предельных скоростей съема вольт-амперных характеристик термоэмиссионных сборок // Известия АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт. - 1984. - № 5. - С. 95-103.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.