Гидродинамика и тепломассоперенос в пучках стержневых самодистанционирующихся твэлов применительно к реакторной установке БРЕСТ-ОД-300 Фомичев Дмитрий Вадимович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Исследования гидродинамики и тепломассопереноса потока теплоносителя в пучках оребренных стержней 17

1.1. Основные технические характеристики реакторной установки, активной зоны и рабочих ТВС ЦЗ и ПЗ РУ БРЕСТ-ОД-300 17

1.2. Данные о коэффициентах гидравлического сопротивления пучков оребренных стержней 21

1.3. Данные о коэффициентах межканального обмена массой и теплотой в пучках оребренных стержней 35

1.4. Выводы к главе 1 46

ГЛАВА 2. Обоснование методов исследования гидродинамики и тепломассопереноса в пучках стержней, дистанционированных двухзаходными ребрами 47

2.1. Моделирование течения в макетах ТВС ЦЗ и ПЗ 47

2.2. Геометрические размеры стержней макетов ТВС ЦЗ и ПЗ 50

2.3. Аэродинамический стенд 57

2.4. Цель, задачи и программа экспериментальных исследований 60

2.5. Методика экспериментальных исследований 62

2.6. Численное моделирование течений в макетах ТВС ЦЗ и ПЗ 70

2.7. Использованные в исследованиях модели турбулентности 80

2.8. Выводы к главе 2 88 Стр.

ГЛАВА 3. Результаты экспериментального и численного моделирования гидродинамических процессов в пучках стержней, дистанционированных двухзаходными ребрами 91

3.1. Гидравлические характеристики пучков стержней макетов ТВС ЦЗ и ПЗ 91

3.1.1. Результаты экспериментальных исследований 92

3.1.2. Результаты численного моделирования

3.2. Влияние конструктивных элементов на параметры течения 115

3.3. Структурные характеристики потока в пучках стержней макетов ТВС ЦЗ и ПЗ 120

3.4. Выводы к главе 3 147

ГЛАВА 4. Численное моделирование межканального тепломассопереноса в пучках оребренных стержней с геометрией рабочих твс брест-ОД-300 150

4.1. Выравнивание температурной неоднородности в макетах ТВС

ЦЗ и ПЗ (метод «теплового следа») 150

4.2. Коэффициенты межканального обмена теплотой при выравнивании температурной неоднородности (метод «теплового следа») 166

4.3. Численное моделирование развития температурной неоднородности при энерговыделении в центральном стержне макетов ТВС ЦЗ и ПЗ (метод «зонного нагрева»). Коэффициенты межканального обмена теплотой 172

4.4. Коэффициенты межканального обмена массой в макетах ТВС ЦЗ

и ПЗ 179

4.5. Выводы к главе 4 182

Общие выводы по диссертации 184

• Данные о коэффициентах межканального обмена массой и теплотой в пучках оребренных стержней
• Аэродинамический стенд
• Влияние конструктивных элементов на параметры течения
• Коэффициенты межканального обмена теплотой при выравнивании температурной неоднородности (метод «теплового следа»)

Введение к работе

Актуальность работы. В рамках Федеральной целевой программы «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010-2015 годов и на перспективу до 2020 года» выполняются научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию опытно-демонстрационного реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем и нитридным уран-плутониевым топливом БРЕСТ-ОД-300, призванного показать возможность эксплуатации энергоблока нового уровня безопасности в замкнутом ядерном топливном цикле.

Особенности активной зоны реакторной установки (РУ) БРЕСТ-ОД-300, заключающиеся в использовании оребренных твэлов различного диаметра в рабочих тепловыделяющих сборках (ТВС) (в зависимости от рассматриваемой подзоны активной зоны реактора), расположенных с постоянным шагом, и наличии значительной доли свинцового теплоносителя в объеме активной зоны, привели к реализации геометрии трактов течения теплоносителя, недостаточно исследованной ранее.

В настоящей диссертационной работе рассматривается «чехловой» вариант исполнения рабочих ТВС центральной (ЦЗ) и периферийной (ПЗ) подзон активной зоны РУ БРЕСТ-ОД-300. Дистанционирование твэлов осуществляется двухзаходным оребрением трапециевидного поперечного сечения по типу «ребро по ребру».

Среди имеющихся результатов гидродинамических исследований такого типа пучков твэлов недостаточно данных о влиянии числа и формы дистанционирующих ребер, фактически отсутствуют данные о влиянии условий подвода и отвода потока теплоносителя из пучков твэлов на гидродинамические и тепломассопереносные процессы.

Для получения данных о гидродинамических и тепломассопереносных процессах, необходимых для обоснования теплотехнической надежности как отдельной ТВС, так и всей активной зоны РУ в целом, требуется разработка новой расчетной гидродинамической модели, базирующейся на современном CFD-коде. Такая модель, при успешной валидации на экспериментальных данных, позволит получить полную информацию о гидравлических характеристиках пучка твэлов ТВС и об осредненных и турбулентных характеристиках течения теплоносителя по трактам как пучках твэлов, так и в областях перед и за пучком, в которых течение теплоносителя определяется конструктивными особенностями хвостовика и головки ТВС. На основании такой расчетной модели может быть получена детальная информация о механизмах тепломассопереноса в пучке оребренных твэлов.

Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью разработки и обоснованием расчетной модели течения теплоносителя в пучках стержней, дистанционированных по типу «ребро по ребру», и получением новых экспериментальных данных о гидродинамике и тепломассопереносе в пучках твэлов, геометрически подобных принятым для «чехлового» варианта рабочих ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300.

Целью диссертационной работы является разработка на основе CFD-кода расчетных гидродинамических моделей малостержневых макетов рабочих ТВС ЦЗ и ПЗ РУ БРЕСТ-ОД-300 и их валидация с использованием новых экспериментальных данных о гидравлических и тепломассопереносных характеристиках пучков оребренных стержней, геометрически подобных штатным рабочим ТВС ЦЗ и ПЗ РУ БРЕСТ-ОД-300.

Объектами исследований являются малостержневые макеты рабочих ТВС ЦЗ и ПЗ РУ БРЕСТ-ОД-300.

Предметами исследований являются гидродинамические и тепломассопереносные процессы, протекающие в макетах ТВС ЦЗ и ПЗ РУ БРЕСТ-ОД-300.

Задачами исследований являются:

1. Анализ геометрических особенностей «чехловых» ТВС ЦЗ и ПЗ и гидродинамических режимов течения в них;

2. Обоснование условий моделирования, конструктивных решений макетов ТВС ЦЗ и ПЗ. Разработка программы экспериментальных исследований;

3. Проведение экспериментальных исследований распределений статического давления р_ст_, продольной компоненты скорости w_z и температуры Т при течении изотермического и слабо неизотермического потока теплоносителя (воздуха) в макетах ТВС. Получение гидравлических и тепломассопереносных характеристик макетов ТВС. Определение зависимостей для расчетов коэффициентов гидравлического сопротивления к пучков стержней макетов ТВС;

4. Обоснование выбора CFD-кода, базирующегося на нелокальных моделях турбулентности. Разработка расчетных моделей макетов ТВС: разработка трехмерных геометрических моделей, построение расчетных конечно-объемных сеток проточной области макетов ТВС, определение граничных условий, выбор моделей турбулентности;

5. Проведение численного моделирования течения как изотермического, так и слабо неизотермического потока теплоносителя, сформированного входным устройством моделей ТВС с применением различных моделей турбулентности. Обобщение полученных результатов и их сравнение с экспериментальными данными;

6. Определение по результатам численного моделирования коэффициентов

межканального обмена массой Д^^с и теплотой jUJ в условиях течения слабо

неизотермического потока теплоносителя, сформированного как методом «теплового следа», так и методом «зонного нагрева». Сравнение полученных значений коэффициентов обмена с известными эмпирическими зависимостями;

7. Формулирование рекомендаций по использованию экспериментальных и
расчетных результатов моделирования для обоснования теплотехнической
надежности полномасштабных 169-ти стержневых рабочих ТВС ЦЗ и ПЗ РУ
БРЕСТ-ОД-300.

Научная новизна работы определяется:

1. Получением новых экспериментальных и расчетных данных о распределениях статического давления р_стл продольной компоненты скорости w_z

и температуры Т потока теплоносителя в объемах пучков стержней макетов ТВС ЦЗ и ПЗ;

2. Обоснованием применения стандартной к-е (модель Спаларта-Лаундера) и SST к-со (модель Ментора, 1993) моделей турбулентности для расчетов гидродинамических и тепломассопереносных характеристик пучков оребренных стержней, удовлетворительно согласующихся с экспериментальными данными;

3. Получением новых зависимостей для определения коэффициентов гидравлического сопротивления X пучков оребренных стержней макетов ТВС;

4. Получением распределений коэффициентов межканального обмена

массой jU^^cf и теплотой // по высоте пучков стержней с геометрическими

характеристиками, подобными рабочим ТВС ЦЗ и ПЗ РУ БРЕСТ-ОД-300. Практическая значимость работы заключается в:

1. Использовании экспериментальных и расчетных результатов моделирования гидравлических и тепломассопереносных характеристик макетов ТВС ЦЗ и ПЗ при верификации CFD-кодов: «ANSYS Fluent» (США), «ЛОГОС» (Саров, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»), и других;

2. Использовании расчетных высотных распределений коэффициентов

межканального обмена массой jU^f и теплотой //^7

при валидации расчетных

моделей ТВС, базирующихся на одномерных кодах (таких как «ПУЧОК-ЖМТ»);

3. Рекомендациях по применению полученных экспериментальных и
расчетных данных для обоснования теплотехнической надежности штатных ТВС
ЦЗ и ПЗ РУ БРЕСТ-ОД-300.

Достоверность результатов. Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечивается качеством реализации макетов ТВС ЦЗ и ПЗ, и устройств подвода теплоносителя аэродинамического стенда кафедры «Ядерные реакторы и установки» МГТУ имени Н.Э. Баумана, а также использованием апробированной методики выполнения экспериментальной работы.

Результаты численного моделирования - достоверны, поскольку основаны на применении апробированных замыкающих нелокальных моделей турбулентности и методе численного решения, подтверждаются сеточной сходимостью полученных решений. Результаты удовлетворительно согласуются с полученными экспериментальными данными и существующими эмпирическими зависимостями.

Экспериментальные и расчетные данные согласуются с современными представлениями о структуре турбулентного течения и механизмах межканального обмена массой и теплотой в пучках оребренных стержней.

Основные положения, выносимые на защиту диссертационной работы:

3. Результаты анализа геометрических особенностей рабочих ТВС ЦЗ и ПЗ РУ БРЕСТ-ОД-300 и режимов течения теплоносителя в них;

4. Обоснование геометрического масштаба моделирования экспериментальных макетов ТВС ЦЗ и ПЗ. Конструкционные особенности экспериментального аэродинамического стенда и макетов ТВС. Программа экспериментальных исследований;

3. Результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик пучков стержней макетов ТВ С ЦЗ и ПЗ как при течении изотермического, так и слабо неизотермического потока теплоносителя (воздуха). Зависимость по определению коэффициентов гидравлического сопротивления X пучков оребренных стержней макетов ТВС ЦЗ и ПЗ, ее область применимости и соответствие известным эмпирическим зависимостями;

4. Расчетные модели макетов ТВС ЦЗ и ПЗ, базирующиеся на CFD-коде, реализованные в двух исполнениях: с учетом подводящего участка и зоной истечения теплоносителя и без них;

5. Результаты численного моделирования течения изотермического и слабо неизотермического потоков теплоносителя (метод «теплового следа»). Анализ соответствия расчетных и экспериментальных данных. Рекомендации по применению замыкающих моделей турбулентности;

6. Результаты численного моделирования течения потока теплоносителя при нагреве центрального стержня постоянным тепловым потоком (метод «зонного нагрева»). Результаты определения коэффициентов межканального

обмена массой jU?f и теплотой jUJ в пучках оребренных стержней макетов

ТВС ЦЗ и ПЗ;

7. Рекомендации применения полученных экспериментальных и расчетных
данных к описанию гидравлических и тепломассопереносных характеристик
полномасштабных 169-ти твэльных рабочих ТВС ЦЗ и ПЗ РУ БРЕСТ-ОД-300.

Апробация работы. Основные положения, результаты и выводы работы были представлены на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Научно-технический семинар «Использование пакетов программ “ЛОГОС” для решения задач атомной энергетики. Вопросы адаптации и верификации, ключевые направления развития» (Саров, 2013); Научно-технический семинар «Верификация ПК “ANSYS Fluent” по результатам теплогидравлических экспериментов на макетах ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300», (Москва, 2013); Международная конференция «ICNEST-2014: International Conference on Nuclear Energy Science and Technology» (Швейцария, Цюрих, 2014); Конференция молодых специалистов «Инновации в атомной энергетике» (Москва, 2014); Международная конференция «ICCFD-2014: International Conference on Computational Fluid Dynamics» (Великобритания, Лондон, 2014); Научно-технический семинар «Результаты экспериментального и расчетного определения гидродинамических и теплопереносных характеристик пучка стержней с дистанционированием “ребро по ребру”» (Москва, 2015); XVI Школа молодых ученых ИБРАЭ РАН «Безопасность и риски в энергетике» (Москва, 2015); Международная конференция молодых ученых «5¹ International Youth Conference on Energy» (Италия, Пиза, 2015); Международная конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики» (Алушта, 2015); Международная конференция «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Казань, 2015).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 6 статьях, в том числе в 2 статьях в научных изданиях, входящих в перечень рецензируемых изданий ВАК Минобрнауки России, общим объемом 2,0 п.л.

Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Ядерные реакторы и установки» МГТУ имени Н. Э. Баумана. Постановка цели и задач исследования осуществлена совместно с научным руководителем автора и главным конструктором РУ БРЕСТ. Автором выполнена разработка технической документации экспериментальных макетов рабочих ТВС ЦЗ и ПЗ. Автор в составе научно-исследовательского коллектива кафедры «Ядерные реакторы и установки» МГТУ имени Н.Э. Баумана принял участие в проведении экспериментальных исследований: получении, обработке и анализе экспериментальных данных. Разработка геометрических и расчетных моделей макетов ТВС ЦЗ и ПЗ, выполнение задач численного моделирования течения теплоносителя, получение, обработка и анализ результатов моделирования выполнены автором самостоятельно с использованием программных и вычислительных ресурсов АО «НИКИЭТ» (Москва).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка используемой литературы. Работа изложена на 195 страницах, включая 88 рисунков, 20 таблиц и списка используемых источников литературы из 78 наименований.

Данные о коэффициентах межканального обмена массой и теплотой в пучках оребренных стержней

В ячейках ЦЗ установлены 78 рабочих ТВС, 20 ТВС с рабочими органами компенсации реактивности (РО КР), 4 ТВС с рабочими органами автоматического регулирования (РО АР) и 7 ТВС с рабочими органами аварийной защиты (РО АЗ). В ячейках ПЗ установлено 90 рабочих ТВС.

Рабочие ТВС ЦЗ и ПЗ представляют собой конструкцию, состоящую из 169 стержневых твэлов, расположенных по треугольной решетке с шагом 12,9 мм, дистанционированных двухзаходной навивкой трапециевидного поперечного сечения, нижней опорной решетки, верхней решетки-твэлоулавливателя, чехла с наружным размером «под ключ» 175 мм, головки и хвостовика.

В Таблице 2 приведены два значения гидравлического диаметра: для регулярных ячеек пучка твэлов d2a3 (условно бесконечного пучка твэлов), определенный по площади проходного сечения регулярной (центральной) ячейки и смоченного периметра этой же ячейки (канала), и для пучка стержней 4, когда учитывается площадь проходного сечения пучка F и смоченный периметр пучка твэлов и чехла Псж. Величина гидравлического диаметра dz. определена по зависимости d г. (1.1) 4F П см. где F - площадь проходного сечения, м2; Псж - смоченный периметр, м. Для возможности последующего сопоставления полученных экспериментальных и расчетных гидравлических характеристик пучков стержней с существующими зависимостями, используется величина dza. Тракт течения теплоносителя через рабочую ТВС включает в себя цилиндрический хвостовик, переходник с цилиндрического на шестигранный канал, пучок твэлов, размещенный в чехле шестигранного поперечного сечения и фиксированный нижней опорной решеткой, верхнюю решетку твэлоулавливатель и головку (Рисунок 1.2). Конструкции рабочих ТВС ЦЗ и ПЗ отличаются друг от друга лишь диаметрами твэлов (Таблица 2). Внутренняя геометрия проходных сечений ТВС обеспечивает равномерное течение теплоносителя, без образования застойных зон [1 – 3]. Стержневой твэл представляет собой конструкцию, состоящую из оболочки, топливного сердечника, фиксатора, проставки, втулки и концевых элементов. В нижнем и верхнем объемах оболочки твэла образованы полости сбора газообразных продуктов деления. Основные геометрические размеры твэлов ТВС ЦЗ и ПЗ показаны на Рисунке 1.3. 1.2. Данные о коэффициентах гидравлического сопротивления пучков оребренных стержней Для подтверждения теплотехнической надежности элементов активной зоны реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, первостепенное значение имеет знание локальных расходов теплоносителя в каналах пучка твэлов ТВС, от которых, в частности, зависит температурное поле в активной зоне реактора. Рисунок 1.2. Рабочая ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300 Рисунок 1.3. Твэл ТВС ЦЗ и ПЗ Для реакторов на быстрых нейтронах характерны значительные подогревы теплоносителя (120 – 250 оС), что при гидравлической неоднородности каналов ТВС является одной из основных причин возникновения значительных неравномерностей температуры по периметру твэлов [8, 9]. Корректное описание гидродинамических и тепломассопереносных характеристик пучков твэлов ТВС позволяет, в частности, выполнять анализ указанных неравномерностей, и обеспечивает теплотехническую надежность элементов активной зоны РУ.

Определению гидравлических характеристик оребренных пучков стержней ТВС посвящено большое число исследований, выполненных как российскими исследователями (А.В. Жуковым, А.П. Сорокиным, В.И. Субботиным, В.М. Боришанским, и другими), так и зарубежными исследователями (Э. Новендстерном, К. Реме, Ф. Маркли, и другими), чьи результаты обобщены в [10, 11] в зависимости от режимов течения теплоносителя (чисел Рейнольдса Re) и геометрических характеристик пучков твэлов ТВС (S / d, T / d, N) для ранее разработанных реакторных установок.

Обобщение экспериментальных данных о коэффициентах гидравлического сопротивления пучков оребренных стержней, полученных разными авторами [11, 14 – 26], приведено в Таблице 3. Экспериментальные исследования с целью получения характеристик пучков стержней в большинстве случаев проводились в изотермическом режиме на воде или воздухе, что упрощало методику проведения экспериментов, а также в среде жидкометаллических теплоносителей. Возможность моделирования гидродинамики жидких металлов с использованием воды или воздуха в качестве теплоносителя показана в работах [27 – 29]. Физические свойства жидких металлов умеренно зависят от температуры, поэтому данные, полученные как при изотермическом, так и при слабо неизотермическом режиме на воде и воздухе, могут быть использованы для анализа течения жидкометаллических теплоносителей, в частности, свинца [8, 12, 13].

Аэродинамический стенд

Течение теплоносителя на входе в пучок твэлов рабочих ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300 формируется хвостовиком (Рисунок 1.2), имеющим проточную часть цилиндрической и шестигранной форм (относительная длина составляет 860 / 130 = 6,6 входных диаметров хвостовика). В рассматриваемом «чехловом» варианте конструкции ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300 часть расхода теплоносителя может поступать через боковую поверхность хвостовика, что приводит к неоднородности распределения расхода в сечении перед нижней опорной решеткой пучка твэлов.

После пучка твэлов, заключенных в шестигранный чехол (Рисунок 1.2), поток теплоносителя проходит через верхнюю выходную решетку с малым гидравлическим сопротивлением, расширяется в чехле (относительная длина чехла до головки ТВС равняется 745 / 170 = 4,4 гидравлическим диаметрам чехла), ускоряется в головке ТВС и выходит в объем теплоносителя над активной зоной.

Анализ представленной картины течения в проточной части рабочих ТВС показал, что при проведении экспериментальных исследований необходимо моделировать распределение скорости перед нижней опорной решеткой, ее проходное сечение, геометрию пучка твэлов и выходной участок из пучка твэлов. Как показали результаты серии методических расчетов, истечение потока теплоносителя из пучка твэлов в верхнюю часть чехла можно моделировать истечением потока в свободное пространство, поскольку ролью пограничного слоя на этой части чехла на перестройку течения теплоносителя за пучком твэлов можно пренебречь. Число стержней в макетах ТВС ЦЗ и ПЗ, созданных для проведения экспериментов, выбрано равным 37, что обеспечило в указанных макетах достаточное число гидравлических каналов для прохода потока теплоносителя (вокруг 19 стержней, расположенных в центре пучка), на течение в которых влияние чехла мало. Это позволяет обосновано переносить результаты экспериментов на последующий анализ гидравлических и тепломассопереносных характеристик полномасштабных 169-ти стержневых ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300.

Описанный диаметр стержней (вместе с оребрением) выбран равным 27,57 мм (масштаб моделирования макетов ТВС в поперечном сечении равнялся 2,146:1), что обеспечило достаточные зазоры между рядами стержней-имитаторов твэлов для ввода в пучок измерительных зондов, и соответствовало внутреннему размеру чехла «под ключ», равному 173,5 мм (с предельным отклонением ± 0,5 мм).

Общий вид макета рабочей ТВС, включающего стержни-имитаторы твэлов и макет хвостовика (устройство подвода и формирования потока теплоносителя – воздуха), представлен на Рисунке 2.1.

Номинальные геометрические характеристики макетов ТВС ЦЗ и ПЗ Параметр Обозначение Значение Макет ТВС ЦЗ Макет ТВС ПЗ Наружный диаметр стержня-имитатора твэла, мм d 20,81 22,53 Нижнее основание трапециевидной навивки, мм h1 4,29 3,65 Таблица 6 (продолжение) Параметр Обозначение Значение Макет ТВС ЦЗ Макет ТВС ПЗ Верхнее основание трапециевидной навивки, мм h2 2,15 Высота трапециевидной навивки, мм h0 3,38 2,52 Описанный диаметр стержня- имитатора твэла, мм D 27,57 Шаг расположения стержней-имитаторов твэлов, мм S 27,57 Шаг навивки дистанционирующих ребер, мм T 429 Длина стержня-имитатора твэла, мм L 1040 Относительный шаг расположения стержней-имитаторов твэлов S / d 1,33 1,23 Относительный шаг трапециевидной навивки T / d 20,6 19,0 Гидравлический диаметр регулярной ячейки пучка стержней, мм dm 17,37 13,84 Гидравлический диаметр пучка стержней макета (с учетом смоченного периметра чехла), мм dгм 14,34 12,28 Фиксирование стержней в чехле обеспечивается нижней опорной и верхней выходной решетками, выполняющими также функцию дистанционирования стержней. Решетки также являются вспомогательными элементами при монтаже макетов ТВС. Макет хвостовика (устройство подвода потока теплоносителя), представленный на Рисунке 2.2, формирует центральный поток воздуха диаметром 56 мм и кольцевой периферийный поток наружным диаметром 176 мм. Центральный поток может быть подогрет по отношению к температуре периферийного потока, определяемой температурой окружающего воздуха и работой компрессора.

Разделительное сопло центрального и периферийного потоков располагается вплотную к входной решетке пучка, так, что оба потока поступали в пучок через 78 отверстий перфорации диаметром 12 мм входной решетки (идентичной для пучков центральной и периферийной подзон). Центры отверстий соответствуют геометрическим центрам гидравлических ячеек макетов ТВС.

Поток теплоносителя – воздуха в макете хвостовика формируется последовательно установленными конфузорами. Между ними расположены перфорированные решетки, что обеспечивает близкое к равномерному распределение скорости к входному сечению макетов ТВС и умеренные толщины пограничных слоев на поверхностях устройства подвода теплоносителя.

Влияние конструктивных элементов на параметры течения

Графическое представление табличных данных значений избыточного статического давления рст. (Таблица 15) и их линейная аппроксимация, выполненная методом наименьших квадратов, показаны на Рисунках 3.1 и 3.2 для макетов ТВС ЦЗ и ПЗ, соответственно. При построении линейной аппроксимации распределения давления для каждого из рассматриваемых режимов течения теплоносителя не учитывались значения, измеренные первыми двумя и последним отборами давления, ввиду существенного влияния конструктивных решеток макетов ТВС на параметры течения в объеме пучков стержней.

Погрешность линейной аппроксимации статического давления не превышает 0,2 % (минимальная достоверность аппроксимации 0,998).

Во всех режимах течения распределение избыточного статического давления рст., полученное экспериментально, содержит периодическую составляющую. Локальные максимумы распределения рст. соответствуют положению дистанционирующих ребер относительно оси чехла макетов, при которых периферийная ячейка является «максимально открытой»: ребра сонаправлены с гранью чехла. Указанные локальные максимумы становятся более заметными при увеличении числа Рейнольдса Re, достигают (200 – 300) Па при Re 65000.

Область стабилизации течения в макете ТВС ЦЗ оценивается длиной 1/4 шага навивки. В этой области происходит постепенное восстановление давления после прохождения потоком нижней опорной решетки. Струйное течение, образованное на выходе из решетки, перестраивается в течение в каналах пучка стержней.

Для макета ТВС ПЗ область восстановления давления практически не наблюдается, что связано с меньшей пористостью пучка стержней ПЗ (пористость равняется 0,403) по сравнению с пучком стержней ЦЗ (пористость равняется 0,477). Пористость нижней опорной решетки, так же как и верхней решетки, равняется 0,354.

Режим 4 - Re = 44910; Режим 5 - Re = 36030 Значения избыточного статического давления рсж в последнем 19-м отборе в макетах ЦЗ и ПЗ не одинаковы. В зависимости от режима течения в макете ЦЗ значения статического давления pсш лежат в диапазоне 250 - 500 Па, в то время как в макете ПЗ давление принимает отрицательные значения в диапазоне -100 - 0 Па. Такое различие связано с отсутствием верхней решетки при продувке макета ТВС ПЗ и меньшей пористости пучка стержней макета (как следствие наличие более высокой скорости в макете ТВС ПЗ).

Коэффициенты гидравлического сопротивления X пучков стержней ТВС ЦЗ и ПЗ вычислены по зависимости (1.4). При этом абсолютное значение градиента статического давления \dpcm /dz\ определено из линейной аппроксимации распределения избыточного статического давления по высоте макетов ТВС (Рисунки 3.1 и 3.2). В Таблице 16 представлены расчетные значения коэффициентов гидравлического сопротивления X пучков стержней макетов ТВС ЦЗ и ПЗ, базирующиеся на полученных экспериментальных данных. Значение предельного отклонения коэффициента гидравлического сопротивления Х определенное по зависимости (2.4), использовано для вычисления относительной погрешности измеренных коэффициентов гидравлического сопротивления по зависимости Дя=М.100о/о. р.,) Экспериментально полученные значения коэффициентов гидравлического сопротивления X пучков стержней макетов ЦЗ и ПЗ в зависимости от числа Рейнольдса Re аппроксимированы степенной функциональной зависимостью (методом наименьших квадратов) [75]: для пучка стержней макета ТВС ЦЗ (предельное отклонение 9,5 %): X = 0,311 -Re"0 224; (3.2) для пучка стержней макета ТВС ПЗ (предельное отклонение 6,2 %): i = 0,123-Re-0 153. (3.3) Число Рейнольдса Re определяется по зависимости (1.5).

Значения коэффициентов гидравлического сопротивления , полученные при подводе слабо неизотермического потока воздуха, лежат в пределах погрешности определения соответствующих пучков при течении изотермического потока, что позволяет сделать вывод о независимости величины подогрева центрального потока на величину пучка стержней. Это утверждение подтверждается результатами серии методических численных моделирований течения потока при подогреве центрального потока на величины от 0 до 100 оС.

Анализ распределений значений коэффициентов гидравлического сопротивления , показанных на Рисунке 3.3, свидетельствует о наличии области, получаемой перекрытием полей предельных отклонений величин пучков стержней макетов ЦЗ и ПЗ. Ширина указанной области уменьшается по мере увеличения числа Рейнольдса Re. Можно определить единую функциональную зависимость, обобщающую весь массив полученных экспериментальных данных для макетов ЦЗ и ПЗ (Рисунок 3.4). 0,035

Коэффициенты межканального обмена теплотой при выравнивании температурной неоднородности (метод «теплового следа»)

Распределение температуры в сечении, расположенном с области стабилизации течения, на расстоянии 33 мм от входа в пучок (Рисунок 4.1), показывает, что в ближайших к центральному стержню зазорах между рядами стержней («1а» и «2а») имеет место превышение температуры относительно периферийного потока, что соответствует граничному условию на входе в пучок. Распределение температуры слабо деформируется после прохождения потоком теплоносителя нижней опорной решетки макета ТВС.

Несимметричность распределений экспериментальных значений температуры в зазорах «1а» и «2а» возможно связано с реальной геометрией пучка стержней, то есть отклонением геометрических параметров пучка стержней (Таблица 6). При этом расчетные значения и экспериментальное значение в «1а» близки. Ширина подогретой области в зазорах «1a» и «2а» равняется 75 мм. Экспериментальные значения температуры в зазорах «1b» и «2b» отличаются от расчетных, что может быть объяснено меньшей интенсивностью обмена, прогнозируемой расчетом по сравнению с экспериментом. Ширина подогретой области в зазорах «2a» и «2b» равняется 50 мм. Кроме того, имеет место наличие двух локальных максимумов температуры, равных 0,5 К и 1,0 К – в зазоре «1b», и 2,6 К и 1,7К – в зазоре «2b». Смещение относительно оси значений распределений температуры в зазорах «1b» и «2b» вызвано влиянием дистанционирующих ребер на поток. В зазорах «1c» и «2c» (на Рисунке 4.1 не показаны) температура потока равна температуре периферийного потока.

Распределение температуры во сечении, расположенном на расстоянии 240 мм от входа в макет ТВС ЦЗ (Рисунок 4.2), указывает на наличие зеркальной симметрии в распределении температур в зазорах «1a» и «2a» между рядами стержней. Экспериментальные распределения температуры в сечениях «1b» и «2b» также имеют зеркальную симметрию. Максимальное значение превышения температуры остается неизменным и равняется 25 К. Ширина подогретой области и значения локальных максимумов температуры не изменились.

В сечении, расположенном на расстоянии 466 мм от входа в макет ТВС ЦЗ (Рисунок 4.3), отмечается увеличение температуры в зазорах «1c» и «2c» (на Рисунке 4.3 не показаны). В зазорах «a» и «b» имеет место ступенчатое изменение температуры, инициированное дистанционирующими ребрами стержней. Согласно положению рассматриваемого сечения относительно входного сечения, ступенчатое распределение температуры проявляется после прохождения навивкой первого шага. Ширина подогретой области увеличивается до 100 мм в зазорах «a» и «b». Расчетные значения температуры продолжают несколько превышать экспериментальные (не более, чем на 5 К), что говорит об удовлетворительном соответствии данных.

Распределения температуры в сечениях, расположенные на расстояниях 685 мм и 906 мм от входа в макет ТВС ЦЗ (Рисунки 4.4 и 4.5, соответственно), иллюстрируют развитие отмеченных ранее тенденций: различное повышение температуры в периферийных зазорах «с», в зазорах «a» и «b» наблюдается ступенчатое изменение температуры, а также имеет место зеркальная симметрия. Экспериментальные и расчетные значения удовлетворительно согласуются между собой.

Для пучка стержней макета ТВС ПЗ в распределении температуры в сечении, расположенном с области стабилизации течения, на расстоянии 33 мм от входа в макет ТВС ПЗ (Рисунок 4.6), наблюдается превышение температуры относительно периферийного потока в ближайших к центральному стержню зазорах между рядами стержней («1а»). При этом расчетные и экспериментальные значения температуры, измеренные в зазоре «1а», отличаются на величину 2 К. Ширина подогретой области в зазоре «1a» равняется 75 мм.

Экспериментальные значения в зазоре «1b» отличаются от расчетных значений, аналогично распределениям, полученным для макета ТВС ЦЗ. Ширина подогретой области в зазоре «1b» равняется 50 мм. Наблюдаются локальные максимумы температуры, равные 2 К и 2,3 К.

Распределение температуры в сечении, расположенном на расстоянии 240 мм от входа в макет ТВС ПЗ (Рисунок 4.7), подтверждает наличие зеркальной симметрии в зазорах «1b» и «2b». Максимальное значение превышения температуры уменьшается до 20 К. Расчетные значения превышения температуры в зазорах «b» вдвое больше экспериментальных.

Распределения температуры в следующих сечениях (Рисунки 4.8 – 4.10) иллюстрируют следующие особенности развития температурного следа: в зазорах «a» и «b» имеет место ступенчатое изменение температуры, инициированное дистанционирующими ребрами стержней, характерна зеркальная симметрия распределения температуры в симметричных зазорах. Экспериментальные и расчетные значения согласуются в меньшей степени, чем для макета ТВС ЦЗ. Это связано с различием максимальных значений температуры тепловой метки (Рисунок 4.6, а) геометрическими отклонениями трактов макета ТВС ПЗ. В тоже время более слабое, чем в эксперименте, развитие температурного поля (Рисунки 4.6 – 4.9) в макете ТВС ПЗ свидетельствует и том, что использованные модели турбулентности на начальном участке течения занижают интенсивность обмена в потоке по сравнению с экспериментом. Вниз по течению это различие уменьшается (Рисунок 4.10) и на расстоянии двух шагов навивки от входа в макет может быть оценено величиной + 30 % по локальным значениям температур и + 15 % по ширине области подогретого потока.