Разработка и валидация математической модели пространственного течения двухфазной пароводяной среды в объеме парогенератора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат технических наук Неровнов, Алексей Александрович

  • Неровнов, Алексей Александрович
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2012, Москва
  • Специальность ВАК РФ05.14.03
  • Количество страниц 195
Неровнов, Алексей Александрович. Разработка и валидация математической модели пространственного течения двухфазной пароводяной среды в объеме парогенератора: дис. кандидат технических наук: 05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации. Москва. 2012. 195 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Неровнов, Алексей Александрович

Содержание.,.

Обозначения.

Введение.Ю

1. Обзор работ по математическому моделированию теплогидравлических процессов в парогенераторе.

2. Математическая модель и численная схема кода STEG.

2.1. Система уравнений, описывающих теплогидравлику непрерывных фаз.

2.2. Законы межфазного взаимодействия.

2.2.1. Силовое взаимодействие пара и воды.

2.2.2. Теплообмен между фазами.

2.3. Описание взаимодействия пароводяной смеси с трубным пучком

2.3.1. Силовое взаимодействие пара и воды с трубным пучком.

2.3.2. Теплопередача от трубного пучка к пару и воде.

2.4. Численный метод решения дифференциальных уравнений математической модели кода STEG.

2.5. Краткая характеристика кода STEG.

3. Исследование описания силового межфазного взаимодействия и взаимодействия пароводяного потока с трубным пучком на моделировании теплогидравлических процессов в ПГ.

3.1. Описание экспериментальной установки [3] и [4]

3.2. Двухскоростная модель для определения истинного объемного паросодержания и перепада давления.

3.3. Модели силового межфазного взаимодействия.

3.3.1. Модель Ишии и Зубера.

3.3.2. Модель Симовича и др.

3.3.3. Модель, разработанная для кода TRAC.

3.3.4. Модель, разработанная для кода TRACE.

3.4. Модели сопротивления о трубчатку.

3.5. Сопоставление корреляций по межфазному сопротивлению на основе экспериментов [3] и [4]

3.6. Моделирование гидравлического сопротивления трубного пучка на основе двухскоростной модели.

3.7. Использование полученных результатов для развития кода STEG

3.8. Выводы по главе 3.

4. Валидация кода STEG на опытных данных, полученных в экспериментах ОКБ «Гидропресс»

4.1. Описание экспериментального стенда, расположенного в ОКБ «Гидропресс».

4.2. Описание нодализационной схемы для расчетов кодом STEG экспериментов, выполненных в ОКБ «Гидропресс».

4.3. Результаты валидации кода STEG на опытных данных, полученных на стенде ОКБ «Гидропресс».

4.3.1. Сравнение моделей межфазного трения на опытных данных, полученных на стенде ОКБ «Гидропресс».

4.3.2. Сравнение подходов для описания . взаимодействия пароводяной смеси с трубным пучком и с ПДЛ на опытных данных, полученных на стенде ОКБ «Гидропресс».

4.4. Выводы по главе 4.

5. Валидация кода STEG на опытных данных, полученных в экспериментах ЭНИЦ.

5.1. Описание экспериментального стенда ПГВ, расположенного в

ЭНИЦ [2].

5.1.1. Схема экспериментального стенда ПГВ [2].

5.1.2. Конструкция модели парогенератора ПГВ-1000МКП.

5.2. Верификация кода STEG на опытных данных, полученных на стенде ПГВ для ПДЛ с равномерной перфорацией.

5.2.1. Определение коэффициента гидравлического сопротивления

5.2.2. Описание расчетной модели стенда ПГВ.

5.2.3. Результаты расчетов кодом STEG экспериментальных режимов на стенде ПГВ.

5.3. Выводы по главе 5.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации», 05.14.03 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и валидация математической модели пространственного течения двухфазной пароводяной среды в объеме парогенератора»

Актуальность работы.

В соответствии со стратегией развития атомной энергетики России в первой половине XXI века одной из главных задач является обеспечение высокого уровня безопасности, надежности и эффективности работы АЭС. На решение этой задачи направлены многочисленные расчетные и экспериментальные исследования, проводимые в рамках российских и международных проектов и программ. При этом одной из центральных проблем является повышение эффективности и надежности работы парогенераторов (ПГ), в которых осуществляется производство рабочего пара на АЭС, представляющих собой специальные теплообменные установки. В них тепло, отводимое из активной зоны реактора охлаждающей средой, передается рабочему пару.

В настоящее время в России разрабатывается инновационный водо-водяной реактор нового поколения (проект АЭС-2006). В ходе его разработки необходимо создать конкурентоспособный по экономическим, технологическим и другим показателям энергоблок с повышенной электрической мощностью 1100-1200 МВт. Одним из основных требований к проекту АЭС-2006 является эволюционный характер вносимых усовершенствований. В проекте АЭС-2006, как и в предыдущем проекте ВВЭР-1000, предполагается использование горизонтального парогенератора. Однако данный парогенератор будет отличаться от парогенератора, использовавшего в АЭС предыдущего поколения, конструкцией пучка теплообменных труб и увеличенным диаметром корпуса, что позволит парогенератору работать на повышенной мощности.

Основным методом исследований гидродинамических процессов в парогенераторах до сих пор являлись натурные испытания на действующих блоках. Понятно, что такой метод неприменим для исследований и обоснования работоспособности ПГ современных АЭС, находящихся в стадии проектирования. В этой ситуации особенно актуальным становится применение методов математического моделирования процессов в ПГ. Более того, для повышения конкурентоспособности новых проектов ПГ необходимо обоснование на длительный, вплоть до 50-60 лет, срок коррозионной стойкости теплообменных труб.

Задача обеспечения работоспособности трубчатки требует в свою очередь изучения распределения теплогидравлических параметров таких, как: температура, паросодержание и скорость циркуляции в объеме второго контура. Основной вклад в повреждаемость трубчатки вносят коррозионные процессы, которые определяются распределением примесей и образованием отложений на наружной поверхности труб. Эти процессы в свою очередь определяются схемой и интенсивностью массообмена. Знание схемы массообмена позволяет моделировать распределение примесей в водяном объеме. Сама же схема массообмена позволит получить картину распределения примесей в ПГ и оптимизировать ее с целью уменьшения коррозионного, воздействия на трубчатку. С этой точки зрения перспективным направлением работ является развитие трехмерных моделей массообмена в ПГ с использованием современных кодов.

Основными целями и задачами диссертации являлись:

1) обзор основных работ, посвященных проблеме гидродинамических и сепарационных процессов в горизонтальном парогенераторе;

2) разработка математической модели, описывающей гидродинамические и сепарационные процессы в горизонтальном парогенераторе;

3) разработка и реализация в расчетном коде численного метода решения системы дифференциальных уравнений математической модели;

4) валидация кода STEG, разработанного на основе математической модели, на результатах экспериментов по теплогидравлике ПГ, выполненных в ОКБ «Гидропресс» [1] , Университете г.Торонто (Канада) [3], ВТИ [4];

5) проведение экспериментов на стенде ПГВ (ЭНИЦ) [2], создание соответствующей базы опытных данных и валидация кода STEG на полученных экспериментальных данных.

Новизна работы.

Предложена математическая модель пространственного течения двухфазной пароводяной среды в объеме парогенератора, основанная на применении методов механики многофазных сред. Проведена валидация моделей силового межфазного взаимодействия на экспериментах по восходящему течению двухфазного потока в трубном пучке и определено, что наилучшие результаты дают модели Симовича, Ишии-Зубера и TRAC. Выполнен расчетный анализ экспериментов (стенд ОКБ «Гидропресс») с помощью модифицированного автором кода STEG, моделирующих пространственные теплогидравлические процессы в горизонтальном парогенераторе. Показано, что наилучшие результаты обеспечивает использование работы моделей межфазного трения, предложенных в коде TRAC, и гидравлического сопротивления трубчатки и ПДЛ, разработанные ВТИ. Проведены эксперименты на стенде ПГВ (ЭНИЦ), моделирующем верхнюю часть ПГ, и создана база опытных данных. Модифицированный код STEG адекватно воспроизвел все основные качественные и количественные тенденции, наблюдавшиеся в экспериментах.

Достоверность предложенных в работе модели, численной схемы и разработанного на их основе кода базируется на использовании апробированных определяющих корреляций и подтверждается результатами тестирования и валидации кода, разработанного на основе математической модели.

Практическая ценность проведенного исследования состоит в создании валидированного расчетного кода STEG, предназначенного для моделирования теплогидравлических процессов в горизонтальном парогенераторе. Проведение вариантных расчетов разработанным кодом позволит определить оптимальную конструкцию горизонтального парогенератора повышенной мощности для использования в инновационных проектах АЭС нового поколения.

Созданная база опытных данных, полученных на стенде ПГВ (ЭНИЦ), необходима для валидации как существующих теплогидравлических кодов, так и кодов, которые будут разрабатываться в будущем.

Все основные этапы исследования выполнялись по договору между Проектно-конструкторского филиалом ОАО «Концерн Росэнергоатом» и МЭИ № 2149090 от 01.04.2009, договору между ОАО ОКБ «Гидропресс» и ОАО ЭНИЦ " № 02074-1 от 01.09.2010, а также двум Государственным контрактам с Министерством образования и науки РФ (ГК №П491 от 13.05.2010, ГК №111091 от 31.05.2010).

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель и расчетный код STEG для анализа теплогидравлических процессов в ПГ.

2. Результаты валидации расчетного кода на данных экспериментов воспроизводящих основные теплогидравлические процессы, имеющие место в горизонтальном парогенераторе.

3. База опытных данных по теплогидравлике ПГ, полученная на стенде

ПГВ (ЭНИЦ).

Личный вклад автора. Все этапы работы по разработке математической модели и численной схемы, усовершенствованию, верификации и валидации кода STEG, а также проведению расчетов и их анализ были выполнены непосредственно автором, либо проходили при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке экспериментов, выборе режимных параметров, проведении экспериментов на стенде ПГВ в ОАО «ЭНИЦ», результаты которых были использованы при валидации математической модели.

Публикации. Основные результаты работы были изложены в статьях, опубликованных в журналах "Вестник МЭИ ", "Science and Technology of Nuclear Installations", и 5 докладах, опубликованных в трудах отечественных и международных конференций.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8-ом Международном Семинаре по горизонтальным парогенераторам (Россия, г. Подольск, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2010), на ежегодной Международной конференции Annual Meeting on Nuclear Technology (Берлин, Германия, 2011), Национальной конференции "Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС. ИТАЭ-80" (Россия, г. Москва, 2012), 17-ой Международной научно-техническая конференции студентов и аспирантов МЭИ (Россия, г. Москва, 2011), 18-ой Международной научно-техническая конференции студентов и аспирантов МЭИ (Россия,, г. Москва, 2012).

Структура и объем диссертация. Диссертация содержит введение, 4 главы, выводы, список литературы из 87 использованных источников. Диссертация выполнена на 195 листах, включая 22 таблиц и 87 рисунков.

Похожие диссертационные работы по специальности «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации», 05.14.03 шифр ВАК

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.