На правах рукописи
ВЕРБИЦКИЙ Юрий Григорьевич
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В ЭЛЕМЕНТАХ ОБОРУДОВАНИЯ РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК
ПРИ НИЗКИХ ПАРАМЕТРАХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Специальность 05.14.03 – "Ядерные энергетические установки,
включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации"
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2011
Работа выполнена в ФГУП «Научно-исследовательский технологический институт им. А.П. Александрова» (г. Сосновый Бор Ленинградской области).
Научный руководитель Мигров Юрий Андреевич канд. техн. наук, ст. науч. сотр.
Официальные оппоненты:
Федорович Евгений Данилович доктор техн. наук, профессор Митрюхин Андрей Геннадьевич канд. техн. наук, доцент
Ведущая организация ОАО Опытное конструкторское бюро «Гидропресс»
(г. Подольск, Московской обл.).
Защита диссертации состоится «07» февраля 2012 г. в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 212.229.04 в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу:
195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, в ауд. 411 ПГК.
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».
Автореферат разослан «29» декабря 2011 г.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.
Факс: (812)552- E-mail: [email protected]
Ученый секретарь К.А. Григорьев диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Современные концепции безопасности АЭС нового поколения предусматривают широкое использование пассивных систем расхолаживания реакторного оборудования, работающих при низких давлениях под действием гравитационных сил. Основные преимущества таких систем связаны с упрощением конструкции оборудования и независимостью их функционирования от наличия источников электроснабжения, а недостатком – реализующаяся при различных механизмах возбуждения колебаний гидродинамическая неустойчивость двухфазного водяного теплоносителя при низких давлениях. Многообразие видов неустойчивостей, проявляющихся в натурных контурах естественной циркуляции (ЕЦ), не позволяет достоверно оценить границы неустойчивости на основе теоретических или полуэмпирических зависимостей. Поэтому обоснование теплогидравлических характеристик проектируемых пассивных систем безопасности, функционирующих в условиях ЕЦ теплоносителя, выполняется на основе крупномасштабных интегральных экспериментов и численного моделирования процессов с помощью расчётных кодов улучшенной оценки.
Крупномасштабные эксперименты очень затратны по стоимости и времени реализации, поэтому в настоящее время основным инструментом, позволяющим решать задачи обоснования устойчивой работы пассивных систем безопасности, являются теплогидравлические расчётные коды (РК) улучшенной оценки, верифицированные в области параметров, характерных для работы этих систем.
Цели работы. Получение новых экспериментальных данных по устойчивости двухфазных потоков в контурах ЕЦ при низких параметрах теплоносителя. Верификация РК КОРСАР на основе полученных экспериментальных данных. Совершенствование функционального наполнения РК КОРСАР по результатам верификации. Численное моделирование теплогидравлических процессов в натурном контуре ЕЦ системы СПОТ ГО проекта АЭС с ВВЭР-640.
экспериментально получены пульсационные (гейзерные) режимы барботажа пара в длинных вертикальных каналах значительного диаметра при низких давлениях. Выполнен анализ механизма возбуждения гейзерных колебаний и определены границы области этого вида неустойчивости. Разработана аналитическая зависимость для границы устойчивости барботажа, обобщающая экспериментальные результаты. Получены новые экспериментальные данные по паросодержанию при барботаже в длинных каналах при низких давлениях.
На основе экспериментальных данных по устойчивости барботажных режимов выполнена верификация базовой версии РК КОРСАР, по результатам верификации разработаны и внедрены в РК КОРСАР уточнения замыкающих соотношений теплогидравлической модели.
Выполнено экспериментальное исследование неустойчивости вскипающих потоков на экспериментальном стенде "КЕДР", моделирующем контур аварийного охлаждения внешней поверхности корпуса реактора АЭС с ВВЭРвыявлен механизм возникновения низкочастотных колебаний потока в подъёмном участке контура. На основе полученных экспериментальных данных выполнена верификация РК КОРСАР.
При помощи РК КОРСАР выполнено численное моделирование теплогидравлических процессов в контуре ЕЦ системы СПОТ ГО проекта АЭС с ВВЭР-640. Продемонстрировано влияние степени детализации гидравлической схемы контура в расчётной модели на возможность выявления неустойчивости двухфазного потока.
Практическая значимость. Результаты экспериментальных исследований использованы для верификации и совершенствования функционального наполнения РК КОРСАР, который широко применяется в проектных расчётах при обосновании систем безопасности проектов российских АЭС нового поколения.
Достоверность результатов. Достоверность экспериментальных данных обеспечена применением проверенных методик подобных экспериментальных исследований, аттестованных методов измерения, неоднократным повторением каждого из экспериментов, автоматизацией выполнения экспериментов и обработки полученных результатов, расчётами погрешности измерений.
Достоверность основных расчётных результатов обеспечена использованием апробированных расчётных методик РК КОРСАР. Полученные результаты согласуются с современными представлениями о теплогидравлических процессах в элементах оборудования систем пассивного расхолаживания АЭС.
Личный вклад автора в полученные результаты. Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в постановке задач экспериментальных исследований и в сооружении экспериментальных установок, разработке программ и методик экспериментов, проведении экспериментов, обработке результатов исследований и выпуске научнотехнических отчётов.
На основе полученных экспериментальных данных, представленных в диссертационной работе, автор выполнил верификационные расчёты и разработал методику коррекции замыкающих соотношений РК КОРСАР.
На защиту выносятся:
Результаты экспериментального исследования барботажа пара в длинных вертикальных каналах при низких давлениях (границы области гейзерной неустойчивости, механизм возбуждения гейзерных колебаний, аналитическая обобщающая зависимость для границы устойчивости, экспериментальные данные по паросодержанию).
Результаты применения статистического анализа влияния неопределённости параметров для уточнения замыкающих соотношений теплогидравлической модели РК КОРСАР. Разработка коррекции замыкающих соотношений РК КОРСАР для межфазного трения в пузырьковом и снарядном режимах.
Результаты экспериментального исследования неустойчивости вскипающих потоков в экспериментальной модели контура аварийного охлаждения внешней поверхности корпуса реактора АЭС с ВВЭР-640 (стенд "КЕДР"), механизм колебаний двухфазного потока в подъёмном участке контура. Результаты верификации РК КОРСАР на основе полученных на стенде "КЕДР" экспериментальных данных.
Результаты численного исследования устойчивости контура ЕЦ системы СПОТ ГО проекта АЭС с ВВЭР-640. Результаты исследования влияния степени детализации гидравлической схемы контура в расчётной модели на получение неустойчивых режимов двухфазной циркуляции.
Апробация материалов диссертации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: IХ семинаре по проблемам физики реакторов (Москва, 1995), на отраслевом научно-техническом семинаре "Пассивные системы и безопасность АЭС" (Обнинск, 2002), на 7-й международной научнотехнической конференции "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР" (Подольск, 2011), на международной конференции ICONE11 (Токио, 2003).
Всего по результатам исследований опубликовано семь печатных работ, включая статью в журнале, рекомендованном ВАК (Теплоэнергетика, 2005).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 65 наименований.
Диссертация содержит 124 страницы, в том числе 63 рисунка, восемь таблиц и одно приложение.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана краткая характеристика современного состояния проблемы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе содержится обзор основных характеристик современных систем аварийного отвода остаточного тепловыделения, основанных на ЕЦ теплоносителя при низких давлениях. Поскольку теплогидравлическая неустойчивость контура накладывает ограничения на допустимые пределы его тепловой мощности, в этой же главе представлен обзор экспериментальных и теоретических работ по исследованию устойчивости двухфазных потоков в контурах ЕЦ со свободным уровнем теплоносителя при низких давлениях. На основании данного обзора можно сделать вывод, что существующие критериальные и аналитические методы предсказания устойчивости могут дать достоверный результат только в относительно простых случаях. Оптимальным считается следующий порядок исследования устойчивости проектируемой системы: сначала с помощью подходящего критериального соотношения или номограммы приближённо оценивается область неустойчивости на плоскости режимных параметров, затем с помощью экспериментальных исследований на теплофизических стендах и численного анализа при помощи распределённой математической модели количественно уточняются её границы. Численный анализ динамических характеристик проектируемых теплогидравлических систем выполняется при помощи теплогидравлических расчётных кодов улучшенной оценки, таких, как КОРСАР (Россия) или RELAP5 (США), которые должны быть верифицированы в заданной области режимных параметров установки. Диссертационная работа посвящена получению новых верификационных экспериментальных данных на стендах различного масштаба и применению этих данных для верификации и уточнения РК КОРСАР в области низких давлений и движущих напоров теплоносителя.
Во второй главе представлен детальный анализ результатов экспериментального исследования неустойчивых гейзерных режимов барботажа водяного пара при низких давлениях в системе длинная вертикальная труба – верхний расширительный сосуд, т.е. в условиях, имитирующих адиабатический подъёмный участок и расширительный сосуд в контурах ЕЦ. При непосредственном участии автора был сооружён теплогидравлический стенд "Барботаж" (рис. 1), оборудованный автоматической системой измерений, которая обеспечивала измерение и регистрацию более 40 параметров (расход, давление, перепады давления, температура теплоносителя и металла) с частотой от 5 до 50 Гц. Методика экспериментов состояла в следующем: после заполнения контура дегазированной водой до середины расширительного сосуда, в нижнюю часть барботажной колонки (3, рис. 1) через парораспределительное устройство (2) подавался заданный расход пара от парогенератора (1). Пар барботировал вверх до парового объёма над уровнем жидкости расширительного сосуда (4), затем направлялся на утилизацию в конденсатор (5). Давление в расширительном сосуде поддерживалось на заданном уровне при помощи управления расходом пара, покидающего установку.
Каждый экспериментальный режим (всего было получено 140 режимов) задавался двумя параметрами, которые поддерживались постоянными: давлением в скоростью пара на входе в рабочий участок.
Экспериментально установлено, что барботаж пара при каждом заданном давлении реализуется либо в неустойчивом ("гейзерном") режиме, либо в стабилизированном режиме, в зависимости от При небольшом расходе пара наблюдались режим"). При увеличении расхода пара период пульсаций уменьшался, и при расхода пара гейзерный режим сменялся стабилизированному режиму выглядел как (рис. 2).
Рисунок 2 – Снижение пульсаций перепада давления на средней части колонки (DP3) при достижении критического расхода пара. Высота колонки 5,6 м, давление 417 кПа Экспериментальные наблюдения позволили выявить механизм гейзерного режима, который характеризуется последовательными стадиями или фазами периодически повторяющегося процесса:
Прогрев теплоносителя по всей высоте колонки паром, поступающим на её вход, до температуры насыщения. В нижней части колонки мелкие пузырьки объединяются в паровой пузырь, занимающий все её сечение.
Объемное вскипание воды, начиная с нижнего конца колонки.
Сопровождается ускоренным движением снизу вверх переднего фронта растущей паровой области, вытесняющей перед собой жидкость.
Выброс пара под уровень воды расширительного сосуда. Противоточное течение в вертикальном канале: пар движется вверх, вода из расширительного сосуда – вниз. Постепенное заполнение всей колонки по высоте сравнительно холодным (недогретым до местного значения температуры насыщения) теплоносителем из расширительного сосуда.
Следует отметить, что гейзерный режим барботажа обеспечивается наличием фазовых превращений теплоносителя. При исследовании барботажа воздуха в воде на той же экспериментальной установке (приведенная скорость воздуха изменялась от 0 до 5 м/с, давление в расширительном сосуде от 0,1 до 0,3 МПа) наблюдались только стабилизированные режимы.
Каждому экспериментальному режиму барботажа на плоскости определяющих параметров давление – массовая скорость (P,G) соответствует одна точка, а совокупность всех экспериментальных точек определяет граничную кривую, разделяющую области устойчивых и гейзерных режимов (рис. 3).
G, кг/(м2с) Рисунок 3 – Экспериментальные и расчётные границы устойчивости барботажа Над граничной кривой реализуются устойчивые режимы, под ней – гейзерные режимы барботажа. Заштрихованные области показывают 98% доверительные интервалы для границ устойчивости, полученные методом наименьших квадратов.
Обобщение экспериментальных данных по определению границы устойчивости выполнено автором на основе выявленного механизма колебаний и представления о том, что гейзерный вид барботажной неустойчивости связан с термодинамической неравновесностью перегретой жидкости при её вытеснении из нижней части барботажной колонки вверх, в область более низкого статического давления. Полагая, что величина граничной массовой скорости пара на входе в колонку пропорциональна скорости парообразования за счёт объёмного кипения при снижении гидростатического давления, было получено следующее соотношение:
В этом соотношении wсн – скорость всплытия снаряда по формуле Уоллиса. Границы устойчивости, определяемые соотношениями (1), представлены на рис. 3 штриховыми линиями.
На стенде "Барботаж" были получены новые результаты по паросодержанию в исследованных вертикальных каналах при стабилизированных режимах барботажа пара в области небольших давлений.
Поскольку большинство известных работ по исследованию барботажа были выполнены для относительно коротких труб, полученные экспериментальные данные обладают значительной ценностью для верификации моделей потока дрейфа для длинных труб достаточно большого диаметра. На стенде измерялись истинные объёмные паросодержания весовым методом по измерениям перепадов давления на трёх участках по высоте барботажной колонки. Среднеобъёмное паросодержание участка трубы, заключенного между штуцерами датчиков рассчитывалось без учёта потерь давления на трение и ускорение потока. Полученные данные были обобщены в терминах модели потока дрейфа и сопоставлены с известными зависимостями Катаока и Ишии, Лабунцова и Бартоломея. Показано, что экспериментальные данные, полученные в условиях стенда "Барботаж", описываются этими соотношениями с примерно одинаковой точностью ±15%, приемлемой для весового метода измерения истинного объёмного паросодержания.
В третьей главе приведены результаты численного моделирования процессов барботажа, выполненного с целью верификации расчётного теплогидравлического кода КОРСАР. Расчётное моделирование выполненных на стенде "Барботаж" экспериментов позволяет верифицировать математические модели нескольких физических явлений: конденсации пара в жидкости, вскипание перегретой жидкости, относительное движение фаз в поле силы тяжести, в том числе при их противоточном движении, "захлёбывание" двухфазного потока в выходном сечении барботажной колонки. Совместное действие всех этих явлений приводит, при определённых условиях, к гейзерной неустойчивости и определяет расположение границы устойчивости барботажа на плоскости режимных параметров (Р, G).
Нодализационная схема расчётов барботажа, приведённая на рис. 4, была построена при помощи стандартных элементов РК КОРСАР. Основным параметром, который изменялся от расчёта к расчёту, являлось давление в граничной ячейке BVOL_T1, которое задавалось постоянным на протяжении всего расчёта, в то время как расход пара на вход в колонку увеличивался небольшими ступенями. Граничные кривые, полученные расчётом при помощи базовой версии РК КОРСАР, представленные на рис. 5, показывают, что эта LR1 1 SMASS_T Рисунок 4 – Нодализасформированы 100 наборов по 16 варьируемых ционная схема расчёта параметра случайно выбирались в пределах заданных 20%. Число таких наборов, то есть количество необходимых расчетов, определяется известной формулой Уилкса и выбранными значениями достоверности и доверительной вероятности анализа (0,95). После выполнения 100 расчётов были рассчитаны коэффициенты ранговой корреляции Спирмана, характеризующие меру зависимости исследуемого параметра от каждого варьируемого. Анализ распределения рассчитанных коэффициентов корреляции показал, что на положение расчётной границы устойчивости барботажа определяющее влияние оказывает коэффициент межфазного трения в пузырьковом и снарядном режимах.
Анализ этих замыкающих соотношений, выполненный автором, показал необходимость уточнения влияния диаметра канала на величину межфазного трения. Уточнение, основанное на анализе литературных данных, заключалось в изменении методики расчёта критического числа Бонда, которое привело к учёту влияния стенок канала на межфазное трение при значительно больших диаметрах канала, чем это было в базовой расчётной модели. Уточнения были внесены автором в замыкающие соотношения РК КОРСАР, оттестированы и верифицированы путём решения набора около 200 реперных задач, обычно применяющихся для экспресс-диагностики новых версий РК КОРСАР. С помощью уточнённой версии (КОРСАР_МОД) были выполнены расчёты границы устойчивости барботажа, которые показали (см. рис. 5) удовлетворительное согласие с экспериментом.
G, кг/(м2с)
РК КОРСАР
Рисунок 5 – Границы устойчивости барботажа, полученные в экспериментах и в расчётах при помощи базовой и уточнённой версий кода КОРСАР В четвертой главе изложены результаты экспериментального исследования неустойчивости вскипающих потоков на экспериментальном стенде "КЕДР", моделирующем контур пассивного аварийного охлаждения внешней поверхности корпуса реактора ВВЭР-640. В случае тяжёлой аварии с расплавлением активной зоны, для предотвращения разрушения корпуса реактора, проектом предусматривается водяное охлаждение корпуса с внешней стороны при помощи контура естественной циркуляции в условиях докризисного режима кипения. Поскольку величина критического теплового потока может резко снижаться при потере устойчивости двухфазного течения теплоносителя, актуально исследование условий нарушения устойчивости натурного контура, выполненное на масштабной модели.Стенд "КЕДР" был спроектирован и сооружен при непосредственном участии автора на основе объёмно-мощностного метода моделирования, при уменьшении в 300 раз объема и тепловой мощности модели и сохранении натурных высотных размеров. На стенде (рис. 6) моделировались все основные структурные элементы натурного контура: днище и боковая стенка корпуса реактора (1, 2), пространство между корпусом и бетонной шахтой (3), зазор опорного узла (4), аварийный бассейн (5), опускные каналы (6).
Рисунок 6 – Схема стенда КЕДР температуры. Затем нагрев прекращался и производилась выдержка контура в течение необходимого времени до прекращения циркуляции, с целью достижения изотермического состояния. Далее мощность электрообогрева постепенно повышалась ступенями в соответствии с требуемым графиком нагрузки.
При небольшой мощности электрообогрева наблюдался устойчивый однофазный режим циркуляции. В этом режиме отсутствовало кипение теплоносителя в объёме теплоносителя над поверхностью обогреваемых участков. При более высоких уровнях мощности наблюдалось кипение теплоносителя на выходе из обогреваемых участков, сопровождавшееся высокоамплитудной неустойчивостью вскипающего потока теплоносителя.
Анализ экспериментальных данных позволил выявить механизм данного вида неустойчивости, который характеризуется последовательными стадиями периодически повторяющегося процесса:
Повышение температуры теплоносителя в верхней части подъёмного необогреваемого участка до местной температуры насыщения.
«