Разработка расчетной модели для определения локальных параметров теплоносителя в тройниковых соединениях трубопроводов реакторных установок ВВЭР тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат наук Курносов, Максим Михайлович

• Курносов, Максим Михайлович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Курносов, Максим Михайлович

Содержание

Перечень условных обозначений и сокращений

Введение

Глава 1. Тройниковые соединения реакторных установок типа ВВЭР. Методы определения локальных параметров в тройниковых соединениях

1.1 Общее описание тройникового соединения трубопроводов и его 15 основные параметры

1.2 Узлы тройниковых соединений, применяемые в реакторных 17 установках ВВЭР

1.3 Опыт эксплуатации тройниковых соединений

1.4 Оценка точности исходных данных для расчетов параметров в 31 тройниковых соединениях

1.5 Экспериментальные данные и инженерные методы определения 32 параметров в тройниковых соединениях

1.6 Численные методы моделирования

1.7 Постановка задачи исследования

Глава 2. Математическое моделирование гидродинамики и теплообмена в тройниковых соединениях трубопроводов

2.1 Выбор расчетного кода

2.2 Общие параметры математической модели тройникового соединения

1

2.3 Метод моделирования турбулентности

2.4 Заключение

Глава 3. Расчетная модель для международной стандартной задачи и ее верификация

3.1 Описание международной стандартной задачи. Исходные данные для численного моделирования

3.2 Особенности реализации расчетной модели

3.3 Результаты расчета

3.4 Анализ результатов международной стандартной задачи

3.5 Заключение

Глава 4. Вариантные расчеты по уточнению основных параметров расчетной модели

4.1 Основные факторы, влияющие на точность расчета при использовании

моделей турбулентности типа LES

4.2 Субсеточные модели

4.3 Параметры вариантного расчета

4.4 Результаты вариантного расчета

4.5 Рекомендации по параметрам расчетной модели

4.6 Заключение

Глава 5. Вопросы применения расчетной модели

5.1 Нерешенные вопросы по применению расчетной модели

5.2 Масштабный фактор. Возможность изменения геометрических размеров и режимных параметров расчетных моделей

5.3 Возможные режимы течения с низкочастотными колебаниями температуры в тройниковых соединениях

5.4 Особенности расчета гидродинамики и теплообмена в узлах ТСТ РУ ВВЭР

5.5 Задание граничных условий для обоснования прочности

5.6 Заключение

Основные выводы и результаты

Список литературы

Перечень условных обозначений и сокращений

СБЬ - число Куранта (Куранта-Фридрихса-Леви)

(1 - диаметр бокового трубопровода, м

Б - диаметр основного трубопровода, м

Рг - число Фруда

N11 - число Нуссельта

Ле - число Рейнольдса

8И - число Струхаля

Т - температура, °С

и, V, - компоненты скорости, м/с

и, V, XV - осредненное значение компонент скорости, м/с

А, - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К)

И - коэффициент динамической вязкости среды, Па с

V - коэффициент кинематической вязкости среды, м /с

р — плотность, кг/м

Индексы

с - холодный

(1 - по диаметру бокового трубопровода

Б - по диаметру основного трубопровода

Ь - горячий

х - координата (или местное значение параметра)

б - боковой

ж - жидкость

ном - номинальный

отн - относительный

п - прямой

с - стенка

ско - среднее квадратичное отклонение

см - смешанный

ср - среднее

Сокращения

АЗ - аварийная защита

АЭС - атомная электрическая станция

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор

ГУ - граничное условие

ГЦНА - главный циркуляционный насосный агрегат

ГЦТ - главный циркуляционный трубопровод

Ду - диаметр условный

ЗП - зона перемешивания

КД - компенсатор давления

КТО - коэффициент теплоотдачи

МСЗ - международная стандартная задача

ННУЭ - нарушение нормальных условий эксплуатации

НУЭ - нормальные условия эксплуатации

ПА - проектные аварии

ПР - перемешивающая решетка

ПС - пристеночный слой (в расчетной модели)

РУ - реакторная установка

САВБ - система аварийного ввода бора

САПР - система аварийного и планового расхолаживания

САОЗ - система аварийного охлаждения зоны

COOT - система отвода остаточных тепловыделений

СБВБ - система быстрого ввода бора

СПНИ - система пусконаладочных измерений

СТ - соединительный трубопровод

ТОЙ - типовой оптимизированный информатизированный проект

ТСТ - тройниковое соединение трубопроводов

УЗК - ультразвуковой контроль

ЭУ - экспериментальная установка

В WR - boiling water reactor (кипящий реактор с водным теплоносителем)

CD - central difference (центрально-разностная схема)

CFD - computational fluid dynamics (вычислительная гидродинамика)

DES - detached eddy simulation (модель отсоединенных вихрей)

DNS - Direct Numerical Simulation (прямое численное моделирование)

HR - high resolution

LES - large eddy simulation (модель крупных вихрей)

PWR - pressurized water reactor (реактор с водой под давлением)

RANS - Reynolds-averaged Navier-Stokes (осреднение по Рейнольдсу)

SAS - scale-adaptive simulation (моделирование с адаптивным масштабом)

SGS - subgrid-scale stress (субсеточные напряжения)

SST - shear stress transport

URANS - unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (нестационарное осреднение по Рейнольдсу)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка расчетной модели для определения локальных параметров теплоносителя в тройниковых соединениях трубопроводов реакторных установок ВВЭР»

Введение

При разработке АЭС с РУ типа ВВЭР особое внимание обращается на повышение надежности оборудования. Решение задачи обеспечения надежной и безаварийной работы РУ требует детального анализа процессов, протекающих в ее элементах и узлах. Проведение расчетов локальных параметров с высоким уровнем точности позволяет повысить достоверность расчетного обоснования оборудования РУ, провести оптимизацию как конструкции узлов, так и алгоритмов работы систем РУ в проектных режимах работы, а также (возможно) уменьшить заложенные в проектах консервативные запасы.

Врезки и тройниковые соединения трубопроводов (в дальнейшем все подобные узлы рассматриваются совместно, включая весь имеющийся диапазон типоразмеров трубопроводов и узлов врезок, как тройниковые соединения - ТСТ, в англоязычной терминологии T-junction) - широко распространённый узел, с помощью которого выполнены соединения трубопроводов в различных системах РУ ВВЭР.

В настоящее время тепловое нагружение узлов РУ (включая ТСТ), вызванное изменением режимных параметров, рассчитывается:

- при помощи достаточно простых инженерных методик (в основном);

- с помощью расчетов, использующих CFD-методы (computational fluid dynamics - общее наименование методов численного расчета трехмерных течений жидкости или газа), с использованием наиболее широко распространенных моделей турбулентности, использующих осреднение по Рейнольдсу (RANS). Точность определения локальных параметров при помощи вышеуказанных методов расчета является, применительно к ТСТ, достаточно неопределенной.

Целью разработки расчетной модели тройникового соединения является определение граничных условий по теплоотдаче в узлах ТСТ РУ ВВЭР на уровне точности, соответствующем погрешности исходных данных - результатов теплогидравлических расчетов. Под расчетной моделью понимается совокупность математической модели (общей системы математических соотношений, описывающих изучаемое явление) с программным средством, настраиваемыми параметрами математических соотношений, граничными и начальными условиями, расчетной схемой (или конечноэлементной сеткой) и

другими факторами, позволяющими использовать общую математическую модель для изучения конкретного объекта.

Обязательным требованием к расчетной модели является возможность моделирования турбулентных пульсаций скорости и температуры в (квази)стационарных состояниях, вызванных турбулентным перемешиванием. В настоящее время, как правило, при расчетном обосновании оборудования РУ ВВЭР (включая ТСТ) температурное нагружение при постоянных температурах и расходах смешивающихся сред рассматривается только в стационарной постановке (постоянные значения температур и коэффициентов теплоотдачи).

Для ТСТ со смешением потоков характерны процессы турбулентного перемешивания, сопровождающиеся пульсациями давления, температуры и скорости. Колебания температуры могут приводить к повреждению оборудования вследствие термической усталости. Значительные температурные воздействия на оборудование могут происходить как при нормальной эксплуатации, так и при подаче через рассматриваемый узел воды с температурой, значительно отличающейся от температуры основного потока, в режимах с нарушениями нормальной эксплуатации.

Необходимо отметить, что зарубежные исследователи придают большое значение теме термопульсаций как в ТСТ, так и в других компонентах РУ с водным теплоносителем [1-3].

По оценке автора диссертационной работы, имеющихся экспериментальных данных и результатов СПНИ недостаточно для разработки инженерной методики, позволяющей выполнять расчеты теплового нагружения ТСТ с заданной точностью, и в (квази)стационарных состояниях. Одной из основных причин этого является то, что применяемые в РУ ВВЭР узлы ТСТ характеризуются большими различиями условий, режимов работы и режимных параметров, также существенно различаются геометрические размеры и компоновка. Таким образом, методика расчетного обоснования ТСТ может быть основана только на методах, обладающих большей универсальностью -численных методах вычислительной гидродинамики (СРБ).

Появление высокопроизводительных ЭВМ и разработка усовершенствованных численных методов в настоящее время создали

предпосылки для реализации численного моделирования сложных течений жидкости [4]. Имеется возможность частично заменить дорогостоящие и длительные экспериментальные исследования во всём интересующем диапазоне изменения определяющих параметров численным экспериментом. При этом необходимо отметить, что одной из основных трудностей при расчетах течения в ТСТ является сложность моделирования турбулентности. В то же время экспериментальных данных явно недостаточно для настройки и верификации расчетных моделей применительно к интересующим параметрам ТСТ.

В 2009-2010 годах Агентство по атомной энергии Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) провело международную стандартную задачу (МСЗ) по верификации CFD-кодов на экспериментальных результатах (OECD/NEA-Vattenfall T-Junction Benchmark Exercise) [5, 6]. Выбор тройникового соединения в качестве объекта для экспериментально-расчетного исследования первой МСЗ показывает как большое внимание к вопросу обоснования узлов данного типа, так и интерес к ТСТ как очень сложному точки зрения численного моделирования турбулентности объекту.

Актуальность исследования

Имеются сведения о более чем 10 случаях повреждений в узлах ТСТ АЭС с РУ типа ВВЭР и PWR. Указанные повреждения привели к образованию сквозных трещин и утечке теплоносителя. Основной причиной образования и роста трещин являются температурные колебания.

Актуальность работы связана с необходимостью расчетного моделирования условий перемешивания в узлах врезок для исключения подобных ситуаций, и с отсутствием в настоящее время расчетной методики или модели, позволяющей моделировать термопульсации и рассматривающей весь спектр режимных и геометрических параметров ТСТ, применяемых в РУ ВВЭР.

Объект исследования

Объектом исследования являются узлы тройниковых соединений реакторных установок типа ВВЭР со смешением потоков теплоносителя с разной температурой.

Предмет исследования

Предметом исследования являются гидравлические процессы и процессы переноса тепла в тройниковых соединениях РУ ВВЭР, вызванные смешением потоков теплоносителя.

Научная новизна

1) Впервые выполнено системное исследование тройниковых соединений, применяемых в РУ ВВЭР, с точки зрения рекомендаций по их численному моделированию и расчетному обоснованию в (квази)стационарных состояниях;

2) В ходе проведения численных экспериментов по исследованию влияния параметров расчетной модели, применительно к ТСТ получены новые данные по использованию субсеточных моделей и численных схем для моделей турбулентности типа «моделирование крупных вихрей» (МКВ, LES);

3) Впервые выполнены работы по изучению вопросов масштабирования расчетных моделей ТСТ по режимным и геометрическим параметрам с целыо снижения аппаратных требований, а также для определения возможности использования экспериментальных данных, полученных на уменьшенных моделях ТСТ;

4) Впервые выполнены работы по численному моделированию тройниковых соединений во всем диапазоне относительных скоростей (отношений скоростей теплоносителя в боковом и основном трубопроводах), существующем в узлах ТСТ РУ ВВЭР.

Достоверность

Достоверность результатов подтверждается:

- использованием широко распространенных программных кодов, верифицированных на различных группах задач, и основанных на численном решении уравнений Навье-Стокса;

- проведением в рамках диссертационной работы верификационных расчетов, в том числе расчетами по международной стандартной задаче;

- корреляцией с результатами численного моделирования, независимо выполненного другими авторами;

- выполнением многочисленных контрольных расчетов на расчетных сетках различного разрешения, с использованием различных моделей

турбулентности, а в тех случаях, где это возможно, и с использованием моделей турбулентности, относящихся к различным типам и основанных на принципиально различных подходах.

Практическая значимость

В ходе выполнения диссертационной работы:

- разработана расчетная модель, позволяющая определять локальные параметры теплоносителя при пульсациях температуры, вызванных турбулентностью, в ТСТ РУ ВВЭР, при смешении потоков теплоносителя с разной температурой;

- продемонстрировано соответствие результатов численного моделирования экспериментальным данным;

- определены основные параметры разработанной расчетной модели, имеющие значение для практического использования;

- рассмотрены встречающиеся на практике диапазоны параметров ТСТ, рассмотрены узлы ТСТ, применяемые в РУ ВВЭР, выполнена оценка предполагаемой картины течения в них.

С использованием разработанной расчетной модели можно решать такие практические задачи, как:

- расчетное обоснование имеющихся узлов ТСТ РУ ВВЭР;

- изменение регламента работы систем РУ ВВЭР (исключение режимов работы, потенциально опасных с точки зрения температурных нагрузок на оборудование, или их ограничение по времени во время эксплуатации).

Личный вклад автора

Все представленные в данной работе результаты являются итогом самостоятельной работы автора.

Автор диссертационной работы:

- разработал методику и непосредственно выполнил все представленные в диссертации расчеты и обработку данных;

- являлся основным автором всех публикаций и докладов по теме диссертации.

На защиту выносится

Расчетная модель для определения параметров в ТСТ реакторных установок с ВВЭР при смешении потоков теплоносителя с различной температурой, в том числе:

- результаты расчетного анализа эксперимента, выполненного в рамках международной стандартной задачи (предтестовый расчет, и вариантные расчеты по настройке параметров расчетной модели);

- результаты расчетов по выбору параметров расчетных моделей, включая субсеточные модели и разрешение расчетных сеток, и полученные на их основе рекомендации;

- сделанные в ходе расчетного анализа выводы по заданию численных схем и граничных условий,

- результаты расчетов течений в ТСТ при малых относительных скоростях подачи из бокового трубопровода;

- результаты расчетов по масштабированию расчетных моделей;

- рекомендации по моделированию узлов ТСТ РУ ВВЭР и заданию граничных условий по теплоотдаче.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Научно-техническая конференция молодых специалистов ОКБ «Гидропресс», Подольск, 2004;

- 5-я Международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, 2007;

- 7-я Международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, 2011;

- 9-я Международная конференция пользователей ЛЫЗУЭ/САОРЕМ, Москва, 2011 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ [7 - 14], в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК - «Тяжелое машиностроение» и «Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение», 2 статьи в журнале

«Вопросы атомной науки и техники. Серия «Обеспечение безопасности АЭС», и 4 публикации в сборниках трудов конференций.

По теме диссертации также выпущен научно-технический отчет ОКБ «ГИДРОПРЕСС» [15].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 162 листах, включая 50 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 100 наименований.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе показана общая схема ТСТ и описаны основные варианты течения в узлах данного типа. Приведено краткое описание некоторых типовых узлов ТСТ, применяемых в РУ ВВЭР, выполнен общий анализ условий их температурного нагружения, описана предполагаемая, по экспериментальным данным, картина течения. Приведены сведения о повреждениях узлов РУ на действующих АЭС. Приведена оценка имеющихся экспериментальных данных и инженерных методов расчета. Выполнен обзор методов численного моделирования турбулентных течений применительно к ТСТ. Сформулированы основные положения, которые должны быть учтены при разработке методики расчета локальных параметров в ТСТ. Определены основные параметры для построения расчетной модели.

Во второй главе приведено общее описание расчетной модели тройникового соединения. Выполнен выбор расчетного кода, сформулированы общие параметры математической модели ТСТ, выбран методы моделирования турбулентности и субсеточная модель, определены настройки численных схем.

В третьей главе описаны особенности реализации расчетной модели тройникового соединения для расчета международной стандартной задачи. Выполнена верификация расчетной модели на экспериментальных данных, выполненная в рамках «слепого» предтестового расчета по МСЗ. Приведены результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных. Проведен общий анализ результатов МСЗ, определены вопросы, которые должны быть рассмотрены в ходе посттестовых расчетов.

В четвертой главе описаны работы по настройке параметров расчетной модели. Выполнены вариантные расчеты на сетках с различным разрешением (по сетке в целом, по длине, с различными параметрами пристеночного слоя), с использованием нескольких субсеточных моделей. По результатам анализа полученных данных приведены рекомендации по моделированию.

В пятой главе рассмотрены вопросы применения разработанной расчетной модели к расчету тройниковых соединений РУ ВВЭР. Исследованы вопросы масштабирования расчетных моделей по геометрическим и режимным параметрам. Выполнены расчеты ТСТ при низких относительных скоростях подачи из бокового трубопровода, характеризующиеся большими периодами колебаний температуры. Рассмотрено влияния теплообмена со стенкой на температурное поле в теплоносителе при натурных параметрах РУ. Приведены рекомендации по заданию граничных условий для последующего определения температурного поля в узлах тройниковых соединений РУ ВВЭР при расчетном обосновании прочности.

Благодарности

Работа выполнялась в конструкторско- расчетном отделе теплогидравлики ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС», руководимом к.т.н. H.A. Стребневым, которому автор благодарен за организационную поддержку и замечания по работе.

Автор признателен за поддержку и консультации О.М. Титовой, В.В. Королеву, A.C. Зубченко, Н.В. Шарому, В.М. Лапатину, А.К. Подшибякину, В.П. Семишкину, сотрудникам бюро CFD-моделирования за ценные замечания, а также многим другим специалистам ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС».

Автор выражает благодарность всему коллективу кафедры Э7 МГТУ им. Н.Э. Баумана, прежде всего Л.Л. Калишевскому и В.И. Солонину.

Глава 1. Тройниковые соединения реакторных установок ВВЭР. Методы определения локальных параметров в тройниковых

соединениях

1.1 Общее описание тройникового соединения трубопроводов и его основные параметры

1.1.1 Определяющими геометрическими параметрами тройникового соединения трубопроводов (ТСТ) являются диаметры основного И и бокового с! трубопроводов, угол между осью бокового трубопровода и горизонтальной плоскостью ? (актуален для горизонтального основного трубопровода и характеризует положение бокового трубопровода относительно основного -

сверху (/ = 90 ^ СНИЗу (/ = -90 ^ и с50Ку (/ = 0 ^ и уГ0Л межДу осью основного трубопровода и горизонтальной плоскостью П (характеризует положение основного трубопровода в пространстве - вертикальное (П = 90°) или

горизонтальное ( ^ = 0°)).

Схема тройникового соединения представлена на рисунке 1.1.

В.

Рисунок 1.1- Схема тройникового соединения трубопроводов

1.1.2 Режимы работы РУ ВВЭР, относящиеся к категориям НУЭ и ННУЭ, для большинства узлов ТСТ, как правило, характеризуются высокими скоростями теплоносителя. В этом случае определяющим является критерий Рейнольдса в виде:

(1.1)

V

Некоторые узлы (а также переходные режимы работы РУ) могут характеризоваться незначительными скоростями теплоносителя. В этом случае определяющим становится критерий Фруда в виде:

и2

Рг =-п—~-> (1-2)

Рсм

где характерная скорость равна модулю векторной суммы скоростей впрыскиваемого (бокового) и основного потоков:

U =

V +V

г п ~ ' б

(1.3)

Предполагается, что определенной относительной скорости (отношению скоростей бокового и основного потоков)

V (1.4)

отн тг v /

п

соответствует определенная картина течения, характеризующаяся расположением и размерами зоны перемешивания.

1.1.3 Общая картина течения в ТСТ может быть упрощенно показана следующим образом. В зоне перемешивания (ЗП) потоков за счет их взаимодействия происходит образование крупных вихрей, которые в дальнейшем постепенно распадаются вследствие диссипации энергии.

Согласно экспериментальным данным [16], относительная скорость V0Tn однозначно определяет положение ЗП. В зависимости расположения ЗП течение в собирающем тройнике может быть представлено (рисунок 1.2):

- как струйное - в случае смешения потоков в основном трубопроводе при относительно большой относительной скорости V0TH;

- как течение с отрывом потока (в случае смешения потоков в боковом трубопроводе при относительно малой скорости V0TII).

Для струйного варианта течения размеры образующихся вихрей ограничены их взаимодействием со стенками основного трубопровода, а время как существования вихрей, так и их прохождения через конкретное сечение напрямую зависит от общей (суммарной) скорости в ЗП, что можно наглядно проследить, сравнивая картину течения в различные моменты времени.

Зона перемешивания!

а) струйное течение б) течение с отрывом

(вариант, рассмотренный в МСЗ) (ПРИ малой относительной скорости Уош)

Рисунок 1.2 - Схема течения в тройниковом соединении трубопроводов

При течении с отрывом происходит отрыв потока из основного трубопровода и образование вихрей, которые располагаются в примыкающем трубопроводе, размер вихрей ограничен стенками трубопровода и взаимодействием с потоком из примыкающего трубопровода; скорость продвижения вихрей мала (их образование и распад происходят практически на месте) [8].

1.1.4 Пульсации в основном трубопроводе проявляются как хаотическое перемещение линии смешения в обе стороны, при этом зона пульсаций относительно невелика [17]. При течении с отрывом (при малой скорости впрыска) зона пульсаций тем больше, чем значительнее глубина проникновения. При таком виде течения пульсации вызываются также нестабильностью течения: дискретные вихри переносят большие объемы воды с отличающейся температурой, вызывая смещения границ зоны перемешивания.

Размах колебаний температуры для некоторых точек в опасных зонах превышает половину разницы между температурами смешивающихся потоков [16].

1.2 Узлы тройниковых соединений, применяемые в реакторных

установках с ВВЭР

1.2.1 Рассмотрим тепловое нагружение типовых узлов тройниковых соединений, использующихся в различных проектах РУ ВВЭР, с точки зрения как

режимных параметров, так и температурных пульсаций в квазистационарных состояниях (режимы с осушением узлов ТСТ и образованием двухфазных потоков, типичные для аварий с течыо первого контура, характеризующиеся внешним воздействием на узлы ТСТ со стороны «ручьев» холодной воды при расслоенном течении теплоносителя в ГЦТ, в диссертационной работе не рассматриваются).

1.2.2 Очевидно, не представляют опасности врезки систем, через которые нет подачи теплоносителя с температурой, отличающейся от температуры в основном трубопроводе, соответственно, температурное поле в жидкости в таких узлах является практически изотермическим. К ним относятся врезки в ГЦТ трубопровода впрыска, патрубков продувки, отбора теплоносителя в систему аварийного и планового расхолаживания первого контура, дренажа и т.п. В данных узлах ТСТ расход все время направлен из ГЦТ в боковой трубопровод. Из рассмотрения также можно исключить системы, для которых неравномерность температуры в ТСТ мала, вследствие малой разности температур сред в основном и боковом трубопроводах.

Рассмотрим оставшиеся узлы ТСТ. Наибольшие температурные градиенты возникают в узлах врезок, через которые может осуществляться подача холодной воды от систем безопасности (для патрубков САПР, САВБ, СБВБ), или от системы подпитки - продувки первого контура. В режимах с подачей воды через рассматриваемый узел от внешней системы (системы безопасности или системы подпитки), наибольший термоудар происходит в момент начала работы соответствующей системы.

Вероятно, можно исключить из рассмотрения также системы и устройства, в которых время существования циклического температурного нагружения (и, соответственно, количество циклов термопульсаций) будет малым. Это относится к некоторым системам РУ, которые в проектных режимах не работают, а предназначены для использования только при запроектных авариях. К ним можно отнести систему быстрого ввода бора (СБВБ). Отметим, что при обосновании прочности рассматривается режим ложного срабатывания СБВБ, в ходе которого возникают значительные температурные напряжения (термоудар на узел врезки

СБВБ в ГЦТ составляет около 230 °С), однако он является достаточно простым с расчетной точки зрения.

1.2.3 Таким образом, при анализе узлов ТСТ на циклическую прочность (многоцикловая усталость) необходимо рассматривать следующие системы РУ:

а) врезки в ГЦТ, от систем:

- компенсации давления (патрубок соединительного трубопровода);

- подпитки - продувки (узлы врезки штуцеров (патрубков) подпитки);

- аварийного и планового расхолаживания;

- других систем, в т.ч. систем безопасности, задействованных в режимах НУЭ, ННУЭ и при проектных авариях (перечень варьируется в зависимости от проекта), например, системы аварийного ввода бора (САВБ).

б) узлы ТСТ, не относящиеся к ГЦТ, например, тройники, расположенные на трубопроводе впрыска системы компенсации давления, или в системе подпитки (подключение байпасных линий). Данные узлы могут работать даже при больших перепадах температур, чем врезки в ГЦТ (отметим, что серьезные повреждения, описанные в [18 - 20], произошли в узлах ТСТ, расположенных на трубопроводе системы отвода остаточного тепловыделения реактора).

Представляется необходимым отдельно рассматривать «режимные» циклы, обусловленные изменением режимных параметров РУ (применительно к каждому из вышеуказанных узлов - изменения расходов и температур смешивающихся сред), количество которых определяется по данным проекта, и вызванные турбулентным перемешиванием колебания температуры в (квази)стационарных состояниях (температуры и расходы сред постоянны).

1.2.4 Выделим два основных типа узлов ТСТ со смешением потоков теплоносителя с различной температурой, существующих в РУ ВВЭР:

- узлы, соединяющие ГЦТ с подключенными к нему емкостями (сосудами давления), в которых нагружающим фактором являются перетечки теплоносителя из ГЦТ в емкость и обратно. Представителем данного типа узлов ТСТ в РУ ВВЭР является врезка соединительного трубопровода КД;

- узлы врезок систем нормальной эксплуатации или систем безопасности, в которых нагружающим фактором является подача теплоносителя с температурой,

существенно отличающейся от температуры в ГЦТ, при работе соответствующей системы. Одним из характерных узлов данного типа является патрубок подпитки.

Рассмотрим подробнее условия работы этих типовых узлов ТСТ.

1) Для связи первого контура с системой компенсации давления на ГЦТ предусмотрен патрубок (штуцер) Ду350 врезки соединительного трубопровода (СТ) в ГЦТ, расположенный на «горячей» нитке ГЦТ. Особенностью узла врезки патрубка СТ является частое изменение температурного поля в нем в проектных режимах (вследствие перетечек теплоносителя по СТ), вызванное колебаниями уровня в КД.

Конструкция врезок СТ КД на всех РУ ВВЭР-1000 аналогична. Основным отличием является угол наклона оси патрубка относительно горизонта. В новых проектах РУ СТ расположен с постоянным небольшим уклоном вверх от ГЦТ, в то время как в проектах РУ В-187, В-338, В-320 патрубок СТ был отклонен вниз. Компоновка узла врезки патрубка Ду350 соединительного трубопровода КД приведена на рисунке 1.3.

РУ В-187

Рисунок 1.3 -Узел врезки патрубка Ду350 (соединительный трубопровод КД)

РУ В-412

I

В номинальном режиме работы температура в КД выше, чем в ГЦТ, примерно на 25 °С, а в горячем состоянии разность составляет 55 - 85 °С.

Значительные скорости течения в СТ (и, соответственно, в узле врезки) могут достигаться в переходных режимах эксплуатации РУ, связанных с резким изменением уровня в КД (например, при срабатывании АЗ). Перепад температур в данном узле при снижении уровня в КД зависит от разности температур в нижней части КД и в ГЦТ.

Для врезки СТ характерна очень малая скорость подачи из бокового трубопровода в основной в номинальном режиме работы, соответствующем постоянной протечке. Так, для ВВЭР-1000 скорость течения из бокового трубопровода составляет 0,011 м/с (при проектном расходе протечки 4 м3/ч) при скорости в ГЦТ около 10,5 м/с (в случае, если ГЦНА на данной петле работает). Это, в сочетании с большим диаметром трубопровода, приводит к тому, что глубина проникновения теплоносителя из ГЦТ в СТ может быть очень большой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Курносов, Максим Михайлович, 2014 год

Список литературы

1 М. Dahlberg et al. Development of a European Procedure for assessment of high-

cycle thermal fatigue in light-water reactors: Final Report of the NESC-Thermal fatigue project EC. EUR 22763 EN, Netherlands, 2007.

2 M. Hannink et al. A coupled CFD-FEM strategy to predict thermal fatigue in mixing

tees of nuclear reactors. Eurosafe, France, 2008.

3 C. Walker et al. Investigations on mixing phenomena in single-phase flow in a T-

junction geometry. Nuclear Engineering and Design 239(2009), pp. 116-126.

4 Проблемы верификации и применения CFD-кодов в атомной энергетике. Научно-технический семинар ГКАЭ «Росатом». Сборник докладов. ОКБМ, Нижний Новгород, 2012.

5 J. Mahaffy. Synthesis of Results for the Tee-Junction Benchmark, Invited lecture.

CFD4NRS-3 Workshop, Washington DC, USA, 2010.

6 B. Smith, J. Mahaffy et al. Report of the OECD/NEA-Vattenfall T-Junction Benchmark Exercise, OECD, NEA, Technical report, NEA/CSNI/R(2011)5,2011.

7 M.M. Курносов. Верификация расчетной модели для определения локальных

параметров в тройниковых соединениях трубопроводов. «Тяжелое машиностроение», №10, 2013, с. 37-41.

8 М.М. Курносов. Некоторые вопросы применения расчетной модели для определения параметров теплоносителя в тройниковых соединениях трубопроводов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, серия «Машиностроение» (в печати).

9 М.М. Курносов, Н.А. Стребнев. Вариант предтестового расчета международной задачи по верификации CFD-кодов на экспериментальных результатах, полученных на модели тройникового соединения трубопроводов. Сборник ВАНТ, серия «Обеспечение безопасности АЭС», выпуск 32, 2012, с. 5 - 17.

10 М.М. Курносов, Н.А. Стребнев. Оптимизация методики расчета локальных параметров в тройниковых соединениях трубопроводов при турбулентных пульсациях. Сборник ВАНТ, серия «Обеспечение безопасности АЭС», выпуск 32, 2012, с. 18 - 32.

11 М.М. Курносов, B.B. Королев, H.A. Стребнев. Участие ОКБ "Гидропресс" в

международной задаче по верификации CFD-кодов на экспериментальных результатах, полученных на модели тройникового соединения трубопроводов. Материалы 7 Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», г. Подольск, 2011.

12 М.М. Курносов, В.В. Королев, H.A. Стребнев. Разработка оптимальной методики расчета локальных теплогидравлических параметров в тройниковых соединениях трубопроводов на основе экспериментальных данных, Материалы 7 Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», г. Подольск, 2011.

13 М.М. Курносов. К выбору моделей турбулентности для расчетов теплогидравлических параметров в соединениях трубопроводов РУ типа ВВЭР, Материалы 5 Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», г. Подольск, 2007.

14 М.М. Курносов. Теплогидравлика тройниковых соединений трубопроводов. Материалы научно-технической конференции молодых специалистов, г. Подольск, 2004.

15 Отчет 520-Пр-002. Разработка, верификация и вопросы применения расчетной модели для определения локальных параметров теплоносителя в тройниковых соединениях трубопроводов. ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, 2014.

16 F. Parras, et al. Heat transfer in pressurized water reactor components most often subjects to thermal shock, Nuclear Technology, vol. 47, pp. 125-151, Jan. 1980.

17 M.C. Фомичев. Исследование гидродинамики смешения транзитного и бокового потоков в собирающих тройниках различной конструкции. Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика и техника ядерных реакторов», вып. 3(16), 1981.

18 Международная информационная система по инцидентам на АЭС (ИСИ). Отчет 7498 от 18.04.2002. Оценка с точки зрения безопасности инцидентов с утечками из неотключаемых участков трубопроводов первого контура, возникших вследствие термической усталости.

19 Международная информационная система по инцидентам на АЭС (ИСИ). Отчет 7183 от 10.12.2002. Течь в системе отвода остаточного тепловыделения реактора.

20 S. Chapuliot. Thermal fatigue in mixing areas: overview of the industrial problem.

Report on the invited meeting of the OECD/NEA-Vattenfall T-Junction Benchmark Exercise. OECD/NEA Headquarters, Paris, France, 2009.

21 H. Ayhan, C.N. Sokmen. CFD modeling of thermal mixing in T-junction: effect of branch pipe diameter ratio. Proc. of NURETH-15, NURETH 15-313, Pisa, Italy, 2013.

22 B.B. Болотин. Прогнозирование ресурса машин и конструкций, Москва, «Машиностроение, 1984.

23 Т.А. Smith, R.G. Warwick. Summary of reported vessel defects for the period 1962-1978 and their relevance to nuclear primary circuits, In: Structural safety and reliability, Elsevier, 1981.

24 B.H. Москаленко, B.B. Харионовский. Прочность элементов теплообменных устройств в условиях случайных пульсаций температур, Москва, «Атомиздат», 1979.

25 Электронный ресурс: Tomari-2. 2003. http://www2.ines.go.jp/atom-db/en/trouble/individ/power/d/d039101/news.html.

26 J.M. Stephan, F. Curtit. Mechanical aspects concerning thermal fatigue initiation in the mixing zones of piping, 18 International Conf. on Structural Mechanics in Reactor Technology, SMIRT-18, Beijing, China, 2005.

27 A.B. Баранов, Н.Ф. Самусев, B.H. Борисов; A.P. Иванов. Замена штуцеров и патрубков с защитными рубашками на оборудовании и трубопроводах АЭС с ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации на штуцера и патрубки из стали 08Х18Н10Т с антикоррозионной наплавкой стенок корпусов оборудования или ГЦТ, Материалы 7 Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», г. Подольск, 2011.

28 Assessment of computational fluid dynamics for nuclear reactors safety problems, NEA/CSNI/R(2007)13 CFD4RNS, Grenoble, France, 2008.

29 О. Brajllard et al. Thermal fatigue in mixing tees impacted by turbulent flows at large gap of temperature: the FATHER experiment and the numerical simulation. 1CONE-11, Nagoya, Japan, 2007.

30 S. Chapuliot et al. Hydro-thermal-mechanical analysis of thermal fatigue in a mixing

tee, Nucl. Eng. Des., 235, 575. 2005.

31 G. Chochua et al. A computational and experimental investigation of turbulent jet and crossflow interaction, Numer. Heat Transfer, Part A., 38,2009.

32 M.A. Большухин и др. Актуальные вопросы развития экспериментальной базы

для верификации CFD программ при их использовании в атомной энергетике. Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева, серия «Ядерная энергетика и техническая физика». № 2 (99), 2013. с. 117-125.

33 Т. Ishihara et al. Study of high-Reynolds number isotropic turbulence by direct numerical simulation. Ann. Rev. Fluid Mech., 2009, 41.

34 O.M. Белоцерковский. Численное моделирование в механике сплошных сред, Москва, «Физико-математическая литература», 1994.

35 Турбулентность. Принципы и применения, Под ред. У. Фроста, Т. Моулдена, Москва, «Мир», 1980.

36 D.C. Wilcox. Turbulence modeling for CFD, DCW Industries Inc., 1993.

37 B.M. Иевлев. Численное моделирование турбулентных течений, Москва, «Наука», 1990.

38 А.Ю. Снегирев. Высокопроизводительные вычисления в технической физике.

Численное моделирование турбулентных течений. СПб, изд-во Политехнического университета, 2009.

39 А.В. Гарбарук, М.Х. Стрелец, M.JI. Шур. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений. СПб, изд-во Политехнического университета, 2012.

40 К.Н. Волков, В.Н. Емельянов. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. Москва, «Физико-математическая литература», 2008.

41 J.P. Simoneau et al. Applications of large eddy simulations in nuclear field. Nuclear Engineering and Design 240 (2010), pp. 429-439.

42 F.R. Menter et al. Scale-resolving simulation techniques in industrial CFD, 6 AIAA

Theoretical Fluid Mechanics Conference, Honolulu, USA, 2011.

43 С. Peniguel. Heat transfer simulation for industrial applications: needs, limitations,

expectations, Int. J. Heat Fluid Flow, 19,102 - 104, 1998.

44 P. Catalano et al. Numerical simulation of the flow around a circular cylinder at high Reynolds numbers, Int. J. Heat Fluid Flow, 24, 2003.

45 S. Muppidi, K. Manesh. Direct numerical simulation of round turbulent jets in crossflow, J. Fluid Mechanics, 574, 59,2007.

46 A. Manera et al. Toward the prediction of temperature fluctuations by means of steady RANS for the estimation of thermal fatigue. NURETH13 (N13P1312), Japan, 2009.

47 L.A. Golibrodo, N.A. Strebnev, M.M. Kurnosov, I.U. Galkin, I.K. Vdovkina. CFD simulation of turbulent flow structures in a rod bundle array with the split-type spacer grid. Стендовый доклад на конференции CFD4NRS-4, Korea, 2012.

48 Summary record of the kick-off meeting of the OECD/NEA-KAERI rod bundle CFD benchmark, OECD/NEA Headquarters, Paris, France, 2011.

49 J.R. Lee, J. Kim, C.-H. Song. Synthesis of the OECD/NEA-KAERI rod bundle CFD benchmark exercise. Proceedings of CFD4NRS^1. Korea (KAERI). 2012.

50 B.L. Smith et al. The OECD-KAERI CFD benchmarking exercise based on flow mixing in a rod bundle, NURETH15 (166), Italy, 2013.

51 F.R. Menter. Best Practice: Scale-Resolving Simulations in ANSYS CFD. Version

1.0. ANSYS Germany GmbH. Germany. 2012.

52 S. Schmidt, F. Thiele. Comparison of numerical methods applied to the flow over wall-mounted cubes. Int. Journal of Heat and Fluid Flow, 2002, v.23, №3, p. 330339.

53 C.G. Speziale. Turbulence modeling for time-dependent RANS and VLES: A review. AJAA Journal 36(2), 1998, pp. 173-184.

54 M. Labois, D. Lakehal. Very-Large eddy simulation of the flow across a tube bundle. Nuclear Engineering and Design 241(2011), pp. 2075-2085.

55 J. Smagorinsky. General circulation experiments with the primitive equations, Month. Weather Review (v. 93), 1963.

56 J. Smagorinsky et al. Numerical results from a nine-level general circulation model of the atmosphere, Mon. Weather Review (v. 93), 1965.

57 J.W. Deardorff. The use of subgrid transport equations in a three-dimensional model of atmospheric turbulence, J. Fluid Engineering, v. 95, 1973.

58 J.W. Deardorff. A numerical study of three-dimensional turbulent channel flow at large Reynolds numbers, J. Fluid Mechanics, v. 41, 1970.

59 L.-W. Ни, M. S. Kazimi, LES benchmark study of high cycle temperature fluctuations caused by thermal striping in a mixing tee, Int. J. Heat Fluid Flow, 54, 2006.

60 M. Igarashi et al. LES analysis of fluid temperature fluctuations in a mixing tee pipe with the same diameters, Proc. 11th Int. Conf. On. Nuclear Engineering ICONE-11, Tokyo, Japan, 2003.

61 J.I. Lee et al. Numerical analysis of thermal striping induced high cycle thermal fatigue in a mixing tee, Nucl. Eng. Des., 239, 833. 2009.

62 U. Piomelli, E. Balaras. Wall-layer models for large-eddy simulations, Annual Rev.

Fluid Mech., 2002, v. 34, pp. 349-374.

63 ANSYS, Inc. ANSYS CFX-Solver Theory Guide, Release 12.1, 2009.

64 Программный комплекс для ЭВМ. Программный комплекс для решения термомеханических задач методом конечных элементов. ANSYS, ANSYS Mechanical, V.7.1, CADFEM, GmbH, 2003.

65 Methodology STAR-CD VERSION 4.08, CD-adapco Group, 2008.

66 ANSYS, Inc. ANSYS Fluent User Guide, Release 12.1,2009.

67 T.J. Barth, D.C. Jesperson. The design and application of upwind schemes on unstructured meshes, AIAA Paper 89-0366,1989.

68 C.G. Speciale, S. Sarkar, T.B. Gatski. Modeling the pressure-strain correlation of turbulence: an invariant dynamical system approach, J. Fluid Mechanics, v. 277, 1991.

69 ANSYS, Inc. ANSYS ICEM CFD User Manual, Release 12.1,2009.

70 ANSYS, Inc. ANSYS CFX Reference Guide, Release 12.1,2009.

71 Best Practice guidelines for the use of CFD in nuclear reactor safety applications. Technical report. NEA/CSNI/R. 2007.

72 Y. Odemark et al. High-cycle thermal fatigue in mixing tees: new large-eddy simiulations validated against new data obtained by PIV in the Vattenfall

experiment, Proceedings of the 17th International Conference on Nuclear Engineering, Brussels, 2009.

73 Д. Худсон. Статистика для физиков. Лекции по теории вероятностей и элементарной статистике. М. Мир, 1970, 296 с.

74 A. Amri. The OECD/NEA committee on the safety of nuclear installations activities on CFD, OECD/NEA nuclear safety division, report on IAEA Technical Meeting, Vienna, 14-16.12.2010.

75 M.C. Грицкевич, A.B. Гарбарук. Сравнение различных подходов к моделированию турбулентности для расчета тепломассообмена в Т-образном соединении двух труб. Электронный ресурс: http://www.cae-club.ru/sites/default/files/users/files/13/gritskevich_garbaruk_t-junction_paper_2013 .pdf.

76 M.C. Грицкевич. Расчет турбулентных пристенных течений с использованием зонного RANS-LES подхода с объемным источником турбулентных пульсаций. Дисс. ... канд. физ.-мат. наук, СПбГПУ, СПб, 2012.

77 В.П. Колесник, А.С. Ляскин. Опыт применения программного комплекса ANSYS CFD для решения задач атомной энергетики. Проблемы верификации и применения CFD-кодов в атомной энергетике. Научно-технический семинар ГКАЭ «Росатом». Сборник докладов, с. 113-122. ОКБМ, Нижний Новгород, 19-20.09.2012.

78 A.V Obabko et al. CFD validation in OECD/NEA T-junction benchmark, Argonne National Laboratory, Report ANL/NE-11/25 (Электронная версия: http://dx.doi.org/10.2172/1024601, www.osti.gov/bridge).

79 M. Germano, U. Piomelli et al, A dynamic subgrid-scale eddy viscosity model, Phys. Fluids, A 3(7) 1991.

80 D.K. Lilly. A proposed modification of the Germano subgrid-scale closure method, Phys. Fluids, A 4(3), 1992.

81 F. Nicoud, F. Ducros. Subgrid-scale stress modeling based on the square of the velocity gradient tensor, Flow, Turbulence and Combustion, 62, 1999.

82 A. Yoshizawa. Eddy-viscosity-type subgrid-scale model with a variable Smagorinsky coefficient and its relationship with the one-equation model in large-eddy simulation, Phys. Fluids, A 3(8) 1991.

83 P. Moin, К. Squires et al. A dynamic subgrid-scale model for compressible turbulence and scalar transport, Phys. Fluids, A 3(11), 1991.

84 A.W. Vreman. An eddy-viscosity subgrid-scale model for turbulent shear flow: Algebraic theory and application, Phys. Fluids, 16, 3670, 2004.

85 J. Kim, J.J. Jeong. Large eddy simulation of a turbulent flow in a T-junction, CFD4NRS-3, Washington D.C., USA, 2010.

86 V.M. Goloviznin, S.A. Karabasov, M.A. Zaitsev. Towards empiricism-free large eddy simulation for thermo-hydraulic problems, CFD4NRS-3, Washington D.C., USA, 2010.

87 M.S. Loginov et al. Application of large-eddy simulation to pressurized thermal shock problem, Proc. of ICONE 17, ICONE 17-75894, Brussels, Belgium, 2009.

88 M. Tanaka, H. Ohshima. Numerical simulation of thermal mixing in T-junction piping system using large-eddy simulation approach, CFD4NRS-3, Washington D.C., USA, 2010.

89 S.T. Jayaraju, E.M.J. Komen, E. Baglietto. Large-eddy simulations for thermal fatigue predictions in a T—junction: wall function or wall-resolve based LES? CFD4NRS-3, Washington D.C., USA, 2010.

90 Э. Р.Эккерт, P.M. Дрейк. Теория тепло- и массообмена, Москва, ГЭИ,1961.

91 А.В. Судаков, С. В. Словцов и др. Расчетно - экспериментальное исследование

условий трещинообразования в элементах оборудования реакторных установок при пульсациях температур. Материалы 8 Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», г. Подольск, 2013.

92 J.I. Lee et al. Numerical analysis of thermal striping induced high cycle thermal fatigue in a mixing tee. Nuclear Engineering and Design 239 (2009), pp. 833-839.

93 T. Fukuka et al. Current effort to establish a JSME code for the evaluation of high-cycle thermal fatigue. Proc. of ICONE-11, Tokyo, Japan, 2003.

94 M. Щербаков. Определение коэффициента теплоотдачи в CFX. Материалы 9

Международной конференции пользователей ANSYS/CADFEM, Москва, 2011 г.

95 Н. Iakovides et al. The measurement of local wall heat transfer in stationary U-ducts of strong curvature, with smooth and rib roughened walls. In: Engineering

turbulence modeling and experiments. W. Rodi, D. Laurence (ed.), Elsevier Science, 1999.

96 Рекомендации, правила, методики расчета гидродинамических и тепловых характеристик элементов и оборудования энергетических установок. РТМ 1604. 062-90. Министерство атомной энергетики и промышленности СССР, 1991.

97 М.А. Михеев. Основы теплопередачи. M.-JL, Госэнергоиздат, 1956.

98 W.H. McAdams, "Review and Summary of Developments in Heat Transfer by Conduction and Convection," Trans. AlChE, 36, 1 (1940).

99 Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. Москва, «Наука», 1974.

100 П.Л. Кириллов, Т.П. Богословская. Теплообмен в ядерных энергетических установках. Москва, «Энергоатомиздат», 2000.