На правах рукописи

СЕРГЕЕВ ВИКТОР ВАСИЛЬЕВИЧ

ТЕПЛООБМЕН В ЗАКРИЗИСНОЙ ЗОНЕ

ПАРОГЕНЕРИРУЮЩИХ КАНАЛОВ И ТЕПЛОГИДРАВЛИКА

ТВС В ПЕРЕХОДНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ

Специальность 05.14.03 – Ядерные энергетические установки, включая

проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Обнинск - 2007

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации – Физико-энергетическом институте имени А.И. Лейпунского

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Елкин Илья Владимирович доктор технических наук Зейгарник Юрий Альбертович доктор технических наук, профессор Ягов Виктор Владимирович

Ведущая организация: ФГУП ОКБ «Гидропресс», г. Подольск

Защита состоится «09» ноября 2007 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 201.003.01 при ГНЦ РФ-ФЭИ по адресу: 249033, г. Обнинск, Калужской области, пл. Бондаренко,1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ-ФЭИ.

Автореферат разослан «….» _ 200_ г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Ю.А. Прохоров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Проблема ухудшения теплообмена при кипении чрезвычайно важна как для нормальных режимов эксплуатации парогенераторов ядерных энергетических установок с реакторами на быстрых нейтронах (БН), так и для аварийных режимов РУ с ВВЭР. Разработка методов предсказания условий ухудшения теплообмена и его последствий весьма актуальна, поскольку это явление может самым негативным образом сказаться на надежности и безопасности ЯЭУ. Так, кризисное ухудшение теплообмена в активной зоне ядерного реактора, связанное с переходом к так называемому пленочному режиму кипения, может привести к перегреву топливных стержней до недопустимо высокой температуры. Именно пленочный режим кипения определяет пиковое значение температуры оболочек топливных стержней и длительность наиболее опасного периода аварийного охлаждения активной зоны. Поэтому точный расчет закризисного теплообмена имеет решающее значение в анализе безопасности ядерного реактора. Ухудшение теплообмена при кипении в парогенераторах помимо снижения эффективности их работы может стать причиной усталостного разрушения парогенерирующих труб из-за колебаний температуры в зоне перехода от развитого кипения к пленочному, а также повреждения пароперегревателей в результате попадания в них влаги, выносимой из испарителя. Для оценки уровня теплоотдачи в закризисной зоне испарителя и обоснования условий предотвращения попадания влаги в пароперегреватель необходимо уметь рассчитывать теплообмен в условиях существенной термической неравновесности двухфазного потока.

Экспериментальные данные и расчетные рекомендации для этого режима кипения в каналах характеризуются большой неопределенностью, а неравновесный характер протекающих при этом тепло- и массообменных процессов существенно затрудняет их математическое моделирование. В силу этого модели закризисного теплообмена (ЗТО) современных расчетных кодов включают в себя целый набор замыкающих соотношений вместе с алгоритмом, определяющим логику выбора того или иного соотношения и правила их сшивки.

Причем, наряду с моделями, учитывающими неравновесный характер процесса, для описания этой ветви кривой кипения часто используются эмпирические соотношения, полученные в предположении существования термодинамического равновесия между фазами и применимые, в основном, для каналов простейшей геометрии. Недостатки такого подхода очевидны и связаны, в первую очередь, с его эмпирическим характером и игнорированием важнейшей особенности пленочного кипения, а именно, его термодинамической неравновесности.

Особенно актуальна проблема ухудшения и восстановления теплоотдачи к кипящему теплоносителю для аварийных режимов реакторной установки, когда на топливных стержнях активной зоны в динамике реализуется вся кривая кипения. Разнообразие протекающих при этом физических процессов вместе со сложностью их математического описания обуславливают большую степень эмпиризма математических моделей повторного залива активной зоны и выдвигают на первое место задачу верификации расчетных кодов на экспериментальных данных. Вместе с тем, именно для важной с точки зрения безопасности АЭС с ВВЭР области низких давлений и расходов экспериментальные данные по теплогидравлике топливных сборок ВВЭР (в частности, по кризису теплоотдачи и поведению ТВС в условиях повторного залива) весьма скудны, вследствие чего расчетные рекомендации для этого диапазона параметров недостаточно надежны и нуждаются в уточнении.

Целями работы являлись:

• разработка инженерных методов расчета неравновесного закризисного теплообмена в парогенерирующих каналах и тепловыделяющих сборках;

• обобщение результатов исследований и разработка рекомендаций по оценке температурного режима топливных стержней в условиях, характерных для аварийных ситуаций на водоохлаждаемых РУ.

В соответствии с этим, основными задачами исследований были:

';

• критический анализ методов и результатов исследования термической неравновесности, а также моделей неравновесного закризисного теплообмена;

• разработка одномерной базовой модели и методики расчета закризисного теплообмена;

• экспериментальное исследование ухудшения теплообмена в круглых трубах и кольцевых каналах;

• верификация базовой методики расчета закризисного теплообмена с использованием экспериментальных данных для круглых труб;

• разработка методики расчета закризисного теплообмена в каналах с дистанционирующими элементами;

• получение тестовых экспериментальных данных для верификации теплогидравлических расчетных кодов в условиях, характерных для аварийных ситуаций на ЯЭУ;

• анализ экспериментов по повторному заливу моделей ТВС ВВЭР и PWR, разработка рекомендаций по оценке скорости их расхолаживания;

• анализ результатов верификации расчетных кодов на стандартных задачах повторного залива моделей ТВС ВВЭР.

Основные результаты и их научная новизна 1. Впервые в единых критериях обобщены экспериментальные данные для разных жидкостей об относительном расходе жидкости в пленке, интенсивности динамического уноса и размере капель в дисперсно-кольцевых потоках, о критическом и граничном паросодержании при кризисе кипения, обусловленном истощением пристенной пленки жидкости.

2. Предложена модель генерации пара, на основе которой впервые разработана единая для каналов различного сечения, включая каналы тепловыделяющих сборок, методика расчета закризисного теплообмена, учитывающая термическую неравновесность дисперсного потока.

3. Экспериментально выявлен предсказываемый расчетами по предложенной методике немонотонный характер влияния теплового потока на закризисный теплообмен.

4. Дана трактовка особенностей кризиса кипения при низких давлениях и массовых скоростях в длинной трубе с позиций сжимаемости и критического истечения двухфазной смеси. Экспериментально подтверждена гипотеза о связи кризиса кипения с "запиранием" канала.

5. Объяснена зависимость критического паросодержания от соотношения тепловых нагрузок на наружной и внутренней трубках кольцевых каналов с двухсторонним обогревом.

6. Выявлены зависимости температуры фронта охлаждения, скорости его продвижения и теплоотдачи в несмоченной зоне от режимных параметров при кратковременном осушении охлаждаемого водой трубчатого твэл в условиях, характерных для аварийных ситуаций на ЯЭУ. Предложена интерполяционная формула, обобщающая данные о температуре повторного смачивания во всем диапазоне давлений, вплоть до критического.

7. Прямым сопоставлением опытных данных показано, что в идентичных условиях нижнего повторного залива приведенные расходы пара и выносимой влаги, паросодержание на выходе, положение весового уровня и координаты фронта смачивания для моделей ТВС ВВЭР и PWR количественно и качественно согласуются между собой.

8. Предложено простое интегральное соотношение, позволяющее производить экспресс-оценку положения фронта смачивания, темпа и времени расхолаживания ТВС в условиях нижнего повторного залива активной зоны РУ при аварии с потерей теплоносителя.

Достоверность результатов и выводов работы основана на:

- тщательной проработке методологии проведения и обработки опытов;

- системе калибровочных и тестовых измерений и их метрологическом обеспечении;

- детальном анализе погрешностей измерений, устранении систематических погрешностей;

- воспроизводимости опытных данных и их согласовании с данными других авторов и с результатами расчетов;

- использовании при обобщении данных физически обоснованных критериев подобия, при формулировке математической модели процесса – фундаментальных законов сохранения, а при разработке расчетных методик – апробированных соотношений;

- согласовании расчетов по разработанным соотношениям и методикам с данными других авторов в широком диапазоне параметров;

- результатах верификации и кросс-верификации расчетных методик.

Практическая значимость работы 1. Полученные автором экспериментальные данные о критических паросодержаниях и закризисном теплообмене в круглых трубах и кольцевых каналах, а также данные о нестационарном теплообмене в условиях кратковременного осушения трубчатого имитатора твэл включены в Отраслевой банк теплофизических данных и используются для верификации и уточнения расчетных рекомендаций и теплогидравлических кодов, применяемых при оптимизации режимов работы и анализе безопасности ЯЭУ. В частности, они использовались при верификации отечественных расчетных кодов для ВВЭР – программного комплекса ТРАП (ОКБ "Гидропресс") и КОРСАР (НИТИ), а также кода RELAP5/Mod3.

2. Разработанные автором рекомендации по расчету граничных паросодержаний и закризисного теплообмена в каналах включены в отраслевые РТМ, проект «Руководства по безопасности» Ростехнадзора для водоохлаждаемых ЯЭУ, справочник по теплогидравлическим расчетам элементов и узлов ЯЭУ, использованы в ряде вузовских учебных пособий по теплообмену в ЯЭУ.

3. Предложенные автором параметры и форма интерполяционной зависимости широко используются при обобщении экспериментальных данных о граничных паросодержаниях при кипении в каналах.

4. Разработанные соотношение для оценки величины граничного паросодержания и методика расчета закризисного теплообмена использованы в расчетных программах ОКБ "Гидропресс" для парогенераторов АЭС с реакторами типа БН.

5. Разработанная автором программа расчета закризисного теплообмена внедрена на Белоярской АЭС в составе комплекса теплофизических расчетов парогенераторов ПГН-200М и использовалась, в частности, для оценки выноса влаги из испарителей установки БН-600.

6. Экспериментальные данные по закризисному теплообмену в круглых трубах были использованы во ВНИИАЭС для отработки методик расчета температурного режима тепловыделяющих сборок водоохлаждаемых ядерных реакторов.

7. Формулы для критического паросодержания в пучках стержней и температуры повторного смачивания используются в модуле КАНАЛ-97 программного комплекса ТРАП ОКБ "Гидропресс" для оценки условий перехода к ухудшенному теплообмену и обратно в активной зоне ВВЭР в аварийных условиях.

8. Результаты выполнения стандартных задач повторного залива ВВЭР используются НТЦ ЯРБ в процедуре верификации и аттестации отечественных и зарубежных кодов, используемых при анализе и обосновании безопасности АЭС с ВВЭР. В частности, они были использованы при аттестации кодов ТРАП, КОРСАР/В1.1 и RELAP5/Mod3.2.

Автор защищает 1. Результаты экспериментального исследования кризиса теплоотдачи при кипении в каналах в характерном для ЯЭУ диапазоне режимных параметров, их физическую интерпретацию и обобщающие соотношения для критических и граничных паросодержаний.

2. Результаты экспериментального исследования влияния дистанционирующих элементов на закризисный теплообмен и методику учета этого влияния.

3. Одномерную модель термически неравновесной генерации пара и основанную на ней методику расчета закризисного теплообмена в каналах различной формы, включая сборки тепловыделяющих элементов, и результаты её верификации.

4. Результаты экспериментального исследования нестационарного теплообмена при охлаждении водой трубчатого имитатора твэл в условиях, характерных для аварийных ситуаций на ЯЭУ, и обобщение опытных данных о температуре повторного смачивания.

5. Результаты анализа экспериментов и соотношение для экспресс-оценки темпа и времени расхолаживания ТВС в условиях нижнего повторного залива.

6. Результаты верификации расчетных кодов на стандартных задачах повторного залива моделей ТВС ВВЭР.

Личный вклад автора В основу диссертации положены результаты многолетних исследований автором различных аспектов проблемы ухудшения теплообмена при кипении в элементах ЯЭУ. Им были сформулированы основные направления и задачи исследования, разработана методология экспериментов и их анализа. Под его руководством и при непосредственном участии выполнялись все этапы работы от постановки экспериментов и первичной обработки данных до их анализа и интерпретации. Анализ и физическая интерпретация полученных результатов, разработка моделей процессов и расчетных рекомендаций, включая реализующих их программ для ЭВМ, осуществлялись лично автором. Он был организатором и руководителем работ по стандартным задачам повторного залива ВВЭР, им же была разработана оригинальная методология анализа результатов их выполнения.

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на итало-советском семинаре "Критерии проектирования, методы расчета, экспериментальные работы, физика, теплофизика, системы контроля и управления реакторной установкой" (Испра, Италия, 1982), 7-ой Международной конференции по теплообмену ( Мюнхен, ФРГ, 1982), семинаре стран-членов СЭВ "Опыт разработки и эксплуатации парогенераторов быстрых реакторов" (Димитровград, 1982), отраслевом семинаре "Закризисный теплообмен в трубах и каналах" (Обнинск, 1983), всесоюзной конференции "Надежность котельных поверхностей нагрева и актуальные вопросы теплообмена и гидравлики" (Подольск, 1984), 7-ой Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах" (Ленинград, 1985), франко-советском совещании по парогенераторам для реакторов на быстрых нейтронах (Кадараш, Франция, 1989), совместном заседании секции тепломассообмена Научного совета АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика" и межотраслевого семинара "Теплофизические процессы в системах безопасности АЭС" (Москва, 1990), отраслевом семинаре "Экспериментальное обоснование безопасности установок и верификация расчетных программ" (Димитровград, 1993), семинаре секции динамики НТС МАЭ РФ "Математическое моделирование физических процессов в АЗ реактора. Опыт верификации программ динамики" (РФЯЦ-ВНИИТФ, 1993), Международных семинарах "Теплофизические аспекты безопасности ВВЭР" (Обнинск, 1990, 1994, 1998), семинаре секции динамики НТС МАЭ РФ "Безопасность и системы управления установками с ядерными реакторами" (Гатчина, 1995), 3-ем совещании участников согласованного исследовательского проекта МАГАТЭ "Теплогидравлические соотношения для водоохлаждаемых реакторов нового поколения" (Обнинск, 1997), 5-ом и 6-ом Международных информационных форумах "Анализ безопасности АЭС с реакторами типа ВВЭР и РБМК" (Обнинск, 2000; Киев, 2002), 2-ой, 3-ей и 4-ой Российских национальных конференциях по теплообмену (Москва, 1998, 2002, 2006), 13-ой школе-семинаре под рук. акад.

А.И. Леонтьева "Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках" (Санкт-Петербург, 2001), 2-ой Всероссийской и 4-ой Международной научно-технических конференциях "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР", (Подольск, 2001, 2005), научно-техническом семинаре "Оценка экспериментальных данных и верификация расчетных кодов" (Сосновый Бор, 2004), 11-ой Международной конференции по теплогидравлике ядерных реакторов (NURETH 11) (Авиньон, Франция, 2005) Публикации Основное содержание диссертации отражено в 36 публикациях, включая 10 статей в рецензируемых журналах и 14 докладов в трудах Всероссийских и международных конференций.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка использованных источников. Общий объем диссертации – 274 страницы, включая 164 рисунка, 10 таблиц и список цитированной литературы из 317 наименований, в том числе 49 работ автора.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика современного состояния проблемы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, указаны научная новизна и практическая значимость работы, представлены основные защищаемые положения, кратко описано содержание глав, приведены сведения о структуре работы, её апробации и числе публикаций.

В первой главе кратко рассмотрены феноменологические аспекты ухудшения и восстановления теплообмена при кипении в элементах ЯЭУ. Указано на сходство режимов течения и теплообмена при кипении в трубах парогенераторов и при расхолаживании активной зоны реактора в условиях её повторного залива при аварии с потерей теплоносителя. Подчеркнута роль дисперсного режима пленочного кипения (ДРПК) и термической неравновесности двухфазного потока в проблеме целостности топливных оболочек. Рассмотрены основные механизмы теплообмена при ДРПК и приведена качественная оценка вклада отдельных составляющих в суммарный теплообмен со стенкой. Особое внимание уделено термической неравновесности дисперсного потока и тепловому взаимодействию капель со стенкой.

Во второй главе проанализированы методология и результаты экспериментального исследования термически неравновесных дисперсных потоков. Показано, что широко используемые в настоящее время зондовые методы измерения температуры пара, основанные на механической сепарации фаз, дают результаты скорее качественного, нежели количественного характера и зачастую приводят к ошибочным выводам. Рассмотрены типичные конструкции термопарных зондов и на конкретных примерах продемонстрированы характерные ошибки при интерпретации их показаний. Отмечено, что наиболее достоверные данные о средней по сечению канала температуре пара или истинном паросодержании дисперсного потока получены к настоящему времени с помощью предложенного Хьюиттом метода “гелиевого индикатора”.

Выполнен обзор методов расчета закризисного теплообмена при дисперсном режиме течения, основное внимание в котором уделено критическому анализу одномерных неравновесных методик, предназначенных для практических расчетов. Отмечены недостатки и противоречивость исходных допущений наиболее популярных из них, в том числе моделей Барзони-Мартини, Уэбба-Чжена и Чженя. Отдельно проанализированы табличные методы расчета ЗТО и их неравновесная версия, предложенная китайскими исследователями. Сделан вывод об ограниченности и непродуктивности такого подхода.

Рассмотрены основные аспекты влияния дистанционирующих элементов (ДЭ) на структуру парокапельного потока и теплообмен при дисперсном режиме пленочного кипения в каналах ЯЭУ. Проанализированы экспериментально наблюдаемые проявления влияния ДЭ на закризисный теплообмен в кольцевых каналах и стержневых сборках. Выделены локальные и глобальные эффекты дистанционирования. Первые проявляются в резком снижении перегрева стенки и пара вблизи ДЭ и связаны с интенсификацией однофазного теплообмена, оттоком тепла по ДЭ за счет теплопроводности, осаждением влаги из потока на ДЭ и на стенке вблизи него, дроблением и испарением капель в погранслое.

Вторые проявляются в снижении общего уровня температуры и обусловлены дополнительным по сравнению с каналами без ДЭ испарением влаги, приводящим к возрастанию скорости и снижению температуры пара, чем и объясняется улучшение теплоотдачи. Рассмотрены основные подходы к расчетному моделированию влияния ДЭ на закризисный теплообмен, в том числе модели кодов REFLA, COBRA-TF, RELAP5, учитывающие основные аспекты этого влияния.

Показана перспективность подхода, связанного с учетом дополнительного испарения капель в результате их взаимодействия с дистанционирующими элементами.

Третья глава посвящена разработке основ расчета закризисного теплообмена. В ней описана одномерная модель генерации пара в термически неравновесном дисперсном потоке. Модель основана на трех основных допущениях:

двухступенчатом механизме передачи тепла от стенки; монодисперсности двухфазного потока; постоянстве числа Нуссельта для капель. Вкладами излучения и взаимодействия капель со стенкой, а также их влиянием на переносные свойства пара пренебрегается. Зависимость перегрева пара от относительной энтальпии перегрева аппроксимирована степенной функцией. С учетом этих допущений записано уравнение, определяющее закон изменения паросодержания в закризисной зоне цилиндрического канала:

где ха и х – соответственно истинное и равновесное массовое расходное паросодержание, " – теплопроводность пара, ' и " - плотность жидкости и пара на линии насыщения, F – площадь проходного сечения канала, Пт – обогреваемый периметр, q – локальная плотность теплового потока на j-ой теплоотдающей поверхности, m и n – коэффициенты степенной аппроксимации калорического уравнения состояния пара. Поскольку граничным условием для этого уравнения служит условие термического равновесия в сечении кризиса теплоотдачи (ха = х = хкр и tп = ts), то для нахождения паросодержания потока в закризисной зоне и температуры пара остается конкретизировать значения критического паросодержания хкр и эффективного диаметра капель к.

Для их нахождения в работе выполнен анализ механизма динамического уноса жидкости с поверхности пристенной пленки в дисперсно-кольцевых потоках. Результаты анализа позволили в единых критериях обобщить литературные данные об интенсивности уноса, расходе жидкости в пленке и диаметре капель, а также о критических паросодержаниях при кризисе кипения, обусловленном истощением пристенной пленки жидкости.

Так, экспериментальные данные о равновесных расходах жидкости в пленке в трубах и кольцевых каналах для разных жидкостей с точностью около ±30 % описаны соотношением:

а данные о размерах капель формулой:

где критерий Вебера Weг= w2·dг·г/. Здесь dг – эквивалентный гидравлический диаметр канала, w = W/г - приведенная скорость, г- плотность газа (пара), – коэффициент поверхностного натяжения.

Обобщение данных о критических паросодержаниях в трубах и пучках стержней при дисперсно-кольцевом режиме течения (хкр > 0,05), интерполяционной формулой:

где число Вебера определено по эквивалентному диаметру, равному для пучков стержней четырем тепловым, показано на рис.1.

Формула (4) проверена для труб и пучков с числом стержней от 7 до 81 в следующем диапазоне параметров: Р=0,1…18,6 МПа, W=50…3800 кг/(м2с).

0. Рис.1. Обобщение данных о критических Экспериментальные данные для разных жидкостей о граничных паросодержаниях в каналах различной формы обобщены в работе эмпирической зависимостью:

где We = (W )2 d э / ( ), а dэ = dт Пг /Пт, где Пг и Пт, соответственно, - смоченный и обогреваемый периметры канала, dт = 4 F/Пт - эквивалентный тепловой диаметр. Пример обобщения данных для пароводяных смесей показан на рис.3.

Рис.3. Обобщение данных о граничных паросодержаниях в каналах разной формы.

1 - трубы, 2 – кольцевые каналы, 3 – имитатор ячейки ТВС, Формула (5) обобщает данные о граничных паросодержаниях при кипении воды в круглых трубах со средним отклонением в 5,57 % и со среднеквадратичным – 11,8 %. Несколько лучшие результаты дает полученная в работе формула:

где паросодержание в сечении возникновения дисперсно-кольцевого режима течения определяется по формуле Ю.Л. Сорокина:

Результаты описания экспериментальных данных формулой (6) демонстрирует рис.4.

Рис.4. Сопоставление экспериментальных данных о граничных паросодержаниях Общее число точек - 442, среднее отклонение - 0,5%, среднеквадратичное – 11%.

Сходные результаты формулы (5) и (6) дают и для других жидкостей. Из них также следует, что влияние диаметра канала нельзя рассматривать в отрыве от других параметров и в то же время при определенных сочетаниях режимных параметров влияние диаметра на граничное паросодержание вполне можно аппроксимировать степенной зависимостью.

Подстановка в (1) вышеприведенного соотношения для размера капель (3) приводит к выражению:

где С = 1,5 – эмпирическая константа.

При больших перегревах пара связь между его температурой и энтальпией можно считать линейной (n = 1). Уравнение (7) в этом случае становится более простым:

и имеет аналитическое решение вида:

где В - константа, определяемая из граничного условия ха,кр= хкр, = A ( х 1), а () - интеграл вероятности. Это соотношение использовалось для тестирования схемы численного интегрирования уравнения (7), а также для верификации модели генерации пара (рис.5).

Рис.5. Верификация модели генерации пара с использованием данных Форслэнда-Росеноу для пленочного кипения азота. W = 95 кг/(м2с).

Как видно из рис.5, наблюдается хорошее согласование расчетов по предлагаемой модели с опытом. В частности, из уравнения (7) следует, что для труб (Пг=Пт) влияние диаметра канала на термическую неравновесность потока может проявиться только через изменение величины критического паросодержания, что подтверждается опытными данными. Предсказываемое уравнением (7) влияние режимных параметров также находится в полном согласии с опытом.

Из уравнения (7) можно найти «истинные» параметры потока (паросодержание и температуру пара) и через коэффициент теплоотдачи к перегретому пару рассчитать температуру теплоотдающей поверхности. Теплоотдача к пару рассчитывалась по известным эмпирическим соотношениям с поправками на неизотермичность и влияние входных условий, причем число Рейнольдса определялось по гидравлическому диаметру канала и приведенной скорости пара с учетом истинного паросодержания. Примеры расчетов приведены на рис. 6-9.

Рис.6. Сравнение опытных данных Бэйли для пароводяной смеси с расчетами.

Труба диаметром 15 мм. Р = 6,9, МПа.

1 - W = 402 кг/(м2с); 2 - 82 кг/(м2с);

3 - с учетом неизотермичности;

4 - без учета неизотермичности.

Рис.9. Сопоставление расчета по предлагаемой методике с опытными данными Р = 3,1 МПа, а - W = 305 кг/(м2с); б - W = 134 кг/(м2с), в - W = 78 кг/(м2с).

Эксперимент: 1 – температура стенки, 2 – температура потока.

Предложенная методика обеспечивает непрерывный и естественный переход к однофазной паровой конвекции. Несмотря на то, что базовая методика расчета ЗТО основана на двухступенчатом механизме переноса теплоты от стенки, она позволяет достаточно просто учесть влияние излучения и испарения влаги на стенке. Например, если пренебречь тепловым взаимодействием капель со стенкой и излучением к пару, то тепло от стенки будет отводиться конвекцией к пару и излучением к каплям:

где - постоянная Больцмана, а - приведенная степень черноты системы стенка-капли. Учтя, что при этом только часть отводимого от стенки тепла идет на перегрев пара, и решая совместно уравнения (7) и (9), можно найти температуру стенки и вычислить приведенный коэффициент теплоотдачи = q/(tw – ts).

Как можно учесть испарение жидкости на стенке будет показано ниже.

Для уточнения и верификации предложенной методики расчета ЗТО было предпринято экспериментальное исследование ухудшенных режимов теплообмена при кипении воды в каналах различной геометрии.

В четвертой главе описаны оборудование и методология экспериментального исследования ухудшения теплообмена при кипении в каналах в стационарных условиях. Приведены принципиальная схема стенда, сведения об использованных при проведении опытов приборах и датчиках, о системе сбора и регистрации информации. Кратко описаны рабочие участки, метрологическое обеспечение опытов, система калибровочных и тестовых измерений, методики проведения и обработки основных опытов, методология и результаты оценки их погрешности.

Опыты проводились на водяном стенде высокого давления с принудительной циркуляцией теплоносителя. В качестве рабочих участков использовались стальные трубы внутренним диаметром от 8 до 17, 8 мм, длиной от 1,77 до 10 м и кольцевые каналы размером 40/44,7 и 28/32 мм, длиной 3 м. Участки обогревались прямым пропусканием по ним переменного электрического тока промышленной частоты.

Перед проведением основных опытов определялись метрологические характеристики системы сбора информации, тарировались датчики вместе с преобразователями, а также проводились опыты по определению тепловых потерь и уточнению зависимости удельного электросопротивления материала труб от температуры.

Методика проведения опытов состояла в ступенчатом повышении мощности, подводимой к рабочему участку, вплоть до критической и выше при заданных расходе и температуре воды на входе и регистрации системой сбора информации показаний всех датчиков после стабилизации режима. Наступление кризиса теплоотдачи определялось по подскоку температуры, измеряемой приваренными по длине рабочего участка термопарами. Обработка опытных данных на ЭВМ заключалась в нахождении локальных значений относительной энтальпии потока, удельных тепловых потоков и температуры теплоотдающей поверхности из теплового баланса и решения обратной задачи теплопроводности. При этом учитывались результаты индивидуальной градуировки датчиков, тепловые потери и изменение теплопроводности и удельного электросопротивления материала труб с температурой.

Использованные при проведении опытов датчики и приборы обеспечили измерения с погрешностью, не превышающей для давления 2 %, для расхода 3 %, для электрической мощности 3 %. Максимальные погрешности определения остальных величин составили: для температуры стенки – 5°С; для паросодержания – 0,06; для теплового потока – 5 %; для коэффициента теплоотдачи – 6 %; для массовой скорости – 4 %.

В пятой главе приведены результаты экспериментального исследования кризиса кипения и закризисного теплообмена в круглых трубах, послужившие основой для уточнения базовой методики расчета ЗТО и границ её применимости, а также результаты верификации последней с использованием экспериментальных данных.

Сопоставление полученных для равномерно обогреваемых труб данных с расчетами по методике подтвердило правильность оценки величины константы С в уравнении (7) и позволило разработать простой алгоритм учета влияния теплового потока на теплоотдачу к перегретому пару. Пример сопоставления расчетных и экспериментальных данных для трубы диаметром 10 мм дан на рис.10, где для сравнения показаны и результаты расчетов по кодам RELAP5 и КОРСАР. Верификация базовой методики проводилась с использованием данных Отраслевого центра теплофизических данных. Рисунок 11 демонстрирует её результаты для труб диаметром 10 мм в следующем диапазоне режимных параметров: Р = 6,86…19,6 МПа; W = 350…1250 кг/(м2с); q = 114…686 кВт/м2.

Для расширения диапазона верификации помимо данных ФЭИ были привлечены данные по температурному режиму круглых труб, доступные из литературных источников.

КОРСАР

Рис.10. Сравнение расчетных значений температуры стенки с опытными данными.

Рис.11. Сопоставление расчетных и опытных значений Общее число точек - 141, среднее отклонение - 1оС, среднеквадратичное – 20оС.

Для проверки применимости предлагаемой методики расчета ЗТО к случаю неравномерного тепловыделения использовались имеющиеся в банке данных ФЭИ опытные данные В.А. Воробьева для трубы с косинусоидальным распределением теплового потока по длине в следующем диапазоне параметров:

давление – от 6,86 до 17,65 МПа; массовая скорость – от 500 до 2000 кг/(м2с);

средняя плотность теплового потока – от 80 до 615 кВт/м2. Результаты верификации иллюстрируют рисунки 12 и 13.

Рис.12. Сравнение расчетных значений температуры стенки с опытными данными Жирная линия – настоящая методика, тонкая – RELAP, пунктир – КОРСАР.

Рис.13. Сопоставление расчетных и опытных значений Общее число точек - 39, среднее отклонение – 0,15оС, среднеквадратичное – 27оС.

В этой же главе описаны результаты исследования теплообмена в трубе с независимым обогревом нижней и верхней секций, целью которого было изучение влияния теплового потока в до- и закризисной зоне на ЗТО применительно к проблеме ухудшения теплообмена в парогенераторах «натрий-вода» реакторных установок типа БН. Опыты проводились при давлениях 9,8…17,7 МПа и массовых скоростях 330…1000 кг/(м2с). Они выявили наличие повторного смачивания теплоотдающей поверхности в закризисной зоне, обусловленное оттоком тепла по промежуточному токоподводу. Протяжённость зоны повторного смачивания зависит от режимных параметров и условий на верхней и нижней секциях рабочего участка. В частности, длина этой зоны, при прочих равных условиях, возрастает с увеличением массовой скорости. При неизменных условиях на нижней секции длина зоны повторного смачивания уменьшается с увеличением теплового потока на верхней секции таким образом, что повторный кризис теплоотдачи возникает при одном и том же значении паросодержания. Показано, что тепловой поток в докризисной зоне влияет на ЗТО в основном через изменение величины критического паросодержания. Обнаруженное немонотонное влияние теплового потока в закризисной зоне на ЗТО хорошо воспроизводится расчетной методикой.

Шестая глава посвящена исследованию закризисного теплообмена в каналах сложной геометрии. В ней приведены результаты экспериментального исследования ухудшения теплообмена при кипении воды в кольцевых каналах с одно- и двухсторонним обогревом при давлениях 6,9…19,6 МПа и массовых скоростях 100…1000 кг/(м2с). Показано, что стационарные поля температуры парогенерирующих поверхностей в закризисной зоне кольцевых каналов характеризуются сильной осевой и азимутальной неравномерностью, обусловленной наличием дистанционирующих элементов и неконтролируемого эксцентриситета. Выявлено и объяснено с позиций термомеханики наличие колебаний температуры стенки обогреваемой трубки в кольцевых каналах с внутренним обогревом при стабильных режимных параметрах. Приведена расчетная оценка периода этих колебаний, совпадающая с экспериментальной, и объяснена линейная зависимость их амплитуды от теплового потока. Подтверждена и объяснена зависимость критического паросодержания от соотношения тепловых нагрузок на наружной и внутренней трубках кольцевых каналов с двухсторонним обогревом. Получены и обобщены данные по граничным паросодержаниям (рис.14).

Разработана методика расчета неравновесного закризисного теплообмена в кольцевых каналах, учитывающая наличие пленки жидкости на стенке через изменение величины эмпирической константы С (см. рис.15). Для расчета теплоотдачи к пару в ней использовались соотношения Петухова-Ройзена. Пример расчета приведен на рис.18.

Рис.15. Блок-схема расчета закризисного теплообмена в кольцевых каналах.

Экспериментально изучено влияние дистанционирующих элементов (ДЭ) на ЗТО при подъемном течении пароводяной смеси в трубах диаметром 10 мм, внутри которых были установлены вставки, имитирующие ДЭ. Длина РУ составляла 2 и 5 м, имитаторы располагались с шагом 0,1 и 0,5 м, степень перекрытия ими проходного сечения (F/F) - 0,154 и 0,326. Опыты проведены при давлениях 9,8…17,8 МПа, массовых скоростях 500…1500 кг/(м2с) и плотностях теплового потока 150…1500 кВт/м2. Полученные в опытах распределения температуры стенки (рис.16), показали, что локальные и интегральные эффекты дистационирования возрастают по мере увеличения степени блокировки проходного сечения канала, влагосодержания потока и массовой скорости.

с гладкими каналами испарение влаги и возможное повторное смачивание.

Считается, что дополнительное испарение влаги в результате взаимодействия дисперсного потока с ДЭ пропорционально влагосодержанию потока и степени блокировки проходного сечения:

где G – расход; k –коэффициент взаимодействия (k < 1). Коэффициент k подбирался эмпирически из условия наилучшего описания опытных данных. Для исследованного диапазона режимных и геометрических параметров:

Эту формулу можно использовать для предварительной оценки величины коэффициента эффективности ДЭ при отсутствии более точной эмпирической информации.

Соответствующий дополнительному испарению влаги прирост паросодержания равен:

Длина зоны повторного смачивания (если расчетное паросодержание превышает равновесное значение):

Интенсификация теплоотдачи к пару (формула Яо и др.):

Параметры потока находятся из решения уравнения (7), причем в каждом сечении дистанционирования налагается новое граничное условие в соответствии с формулой (12), после чего через коэффициент теплоотдачи к пару рассчитывается температура стенки.

Пример расчета по изложенной методике для трубы с имитаторами ДЭ приведен на рис.17. При расчете закризисного теплообмена в цилиндрических каналах другой конфигурации достаточно заменить в вышеописанной методике соотношение для расчета теплоотдачи к пару. Подтверждением этому служат рисунки 18-19, демонстрирующие применимость данного подхода для кольцевых каналов и реальных стержневых сборок (теплоотдача к пару в последнем случае рассчитывалась по формуле П.А. Ушакова и др.).

tw,oC В седьмой главе приведены результаты экспериментального исследования теплообмена в условиях, характерных для аварийных ситуаций на ЯЭУ. Экспериментально исследован кризис кипения при подъемном течении воды в вертикальной трубе диаметром 11 мм и длиной 3 м при давлении на выходе 0,1...1,1 МПа, массовой скорости 25...500 кг/(м2с), температуре воды на входе 9…50°С, входном дросселировании до 5 МПа. Изучено влияние входного дросселирования и гидравлического сопротивления на выходе из рабочего участка на гидравлическую устойчивость и критические тепловые потоки (КТП).

Показано, что при отсутствии дросселирования потока непосредственно на входе в рабочий участок в контуре (в режимах с генерацией пара) возникают колебания расхода, приводящие к возникновению кризиса теплоотдачи. Наличие входного дросселирования позволяет увеличить «жесткость» контура и избавиться от гидравлической неустойчивости. КТП в этом случае растут с возрастанием массовой скорости и лежат гораздо выше величин, полученных в «мягких» стендовых условиях. Увеличение гидравлического сопротивления выходного тракта ведет к возрастанию давления на выходном конце рабочего участка, что, с одной стороны, снижает гидравлическую устойчивость контура, а с другой, в гидравлически устойчивых режимах повышает значения КТП. Показано также, что в гидравлически устойчивых режимах кризис теплоотдачи обусловлен, в основном, доупариванием пристенной пленки жидкости, а экспериментальные данные о КТП с точностью не хуже 10 % описываются соотношением (4). С позиций сжимаемости и критического истечения двухфазной смеси дана трактовка наблюдавшихся в опытах явлений. Прямыми измерениями статического давления вблизи выходного конца рабочего участка подтверждена гипотеза о связи кризиса кипения с «запиранием» канала.

В этой же главе приведены результаты параметрического исследования нестационарного теплообмена при кратковременном осушении охлаждаемого водой имитатора твэл, вызванном прерыванием расхода и всплеском тепловыделения.

Опыты проведены на трубе длиной 3 м из нержавеющей стали с внутренним диаметром 11 мм и толщиной стенки 1 мм, оснащённой приваренными к наружной адиабатной поверхности хромель-алюмелевыми термопарами и обогреваемой прямым пропусканием переменного электрического тока.

Методика проведения опытов заключалась в прекращении с помощью быстродействующего клапана циркуляции воды через рабочий участок после установления требуемых режимных параметров. После испарения оставшейся в рабочем участке воды и разогрева трубы до заданной температуры циркуляция воды возобновлялась. Изменение во времени всех режимных параметров и температуры стенки рабочего участка регистрировалось быстродействующей измерительной системой.

Опыты проведены при давлениях 1…16,7 МПа, массовых скоростях 100…3200 кг/(м2с) и недогревах воды на входе 5…20 оС.

Температуру и тепловой поток на теплоотдающей поверхности определяли по измеренной температуре адиабатной поверхности и мощности внутренних источников тепла из решения обратной задачи теплопроводности по методу неопределённых коэффициентов, причём исходные данные предварительно сглаживались с помощью регуляризованных базисных сплайнов. При обработке первичных данных учитывалась инерционность датчиков и вторичной аппаратуры.

За температуру фронта охлаждения принималась температура теплоотдающей поверхности в момент времени (время прихода фронта в сечение приварки термопар), когда вторая производная температуры по времени минимальна, поскольку этот момент времени характеризует точку начала резкого возрастания теплового потока к теплоносителю, т.е. смену режима теплосъёма.

Анализ опытных данных показал, что при отсутствии тепловыделения в стенке трубы температура фронта охлаждения зависит, в основном, от давления, и при высоких значениях последнего может существенно (почти на 100оС) превышать критическую. При давлениях свыше 3 МПа наблюдается заметное, почти линейное, снижение температуры фронта с ростом расхода охлаждающей воды. Если пренебречь, в первом приближении, влиянием расхода, то полученные опытные данные по температуре фронта при отсутствии тепловыделения и минимальной массовой скорости описываются, как это показано на рис. 20, простой интерполяционной формулой:

Рис. 20. Температура фронта охлаждения при отсутствии тепловыделения.

Данные настоящей работы для W: - 100; - 250; - 500; + - 1000 кг/(м2с).

Данные других работ: - данные Хейна и др.; - Яо и Генри; - Ли и Шеня.

Расчет: 1 – по формуле Беренсона; 2 - по формуле Греневельда-Стюарта;

Эта формула обобщает также данные Хейна и др., полученные при расхолаживании нержавеющей трубы недогретой водой при давлениях 1…21 МПа и скоростях заливки до 10 м/с.

Наличие тепловыделения в стенке трубы приводило к значительному (на десятки градусов) повышению температуры фронта охлаждения и снижению (примерно на порядок) скорости движения последнего, приближая процесс расхолаживания рабочего участка к квазистационарному и делая оценку коэффициентов теплоотдачи в несмоченной зоне достаточно надежной. Более детальный анализ экспериментальных данных показал, что температура фронта охлаждения определяется уровнем теплового потока к теплоносителю и коэффициентом теплоотдачи в несмоченной зоне.

Данные по коэффициентам теплоотдачи настоящей работы хорошо согласуются с данными, полученными с использованием метода "горячего пятна". Из анализа данных следует, что коэффициенты теплоотдачи в несмоченной зоне возрастают с ростом давления и расхода и практически не зависят от уровня тепловыделения.

Восьмая глава, посвященная теплообмену в активной зоне водоохлаждаемых реакторов при аварии с потерей теплоносителя, содержит сведения об основных теплогидравлических явлениях, сопровождающих фазу повторного залива осушенной активной зоны водой из системы аварийного охлаждения.

Во вводной части главы рассмотрены феноменологические аспекты нижнего и комбинированного повторного залива АЗ водоохлаждаемых ядерных реакторов.

Во второй части главы приведены результаты анализа экспериментов ГНЦ РФ-ФЭИ по расхолаживанию моделей ТВС ВВЭР и PWR в условиях повторного залива снизу.

Модель ТВС ВВЭР-1000 представляла собой семистержневую сборку имитаторов твэл косвенного нагрева в круглом корпусе внутренним диаметром 38,5 мм. Имитаторы твэл диаметром 9,15 мм с оболочкой из нержавеющей стали толщиной 0,6 мм обогревались на длине 3530 мм пропусканием электрического тока по нихромовому стержню переменного сечения, изолированному от оболочки уплотненной окисью магния. Модель ТВС PWR представляла собой квадратную сборку из 9 имитаторов твэл косвенного нагрева диаметром 9,5 мм с длиной обогреваемой части - 3568 мм, установленную в квадратном корпусе размером 4040 мм. Конструкция и технология изготовления имитаторов аналогичны тем, что были использованы при изготовлении имитаторов для модели ТВС ВВЭР.

Режим повторного залива моделировался путем подачи воды в рабочий участок после предварительного осушения и прогрева модели и петли сухим насыщенным паром рабочего давления, стабилизации заданных режимных параметров и стартовой мощности на рабочем участке. Сигналом для пуска воды и снижения мощности по заданному закону служило повышение температуры оболочек имитаторов твэл до заданного стартового значения.

В опытах измерялись и регистрировались следующие параметры: давление в верхней и нижней камерах рабочего участка, расходы воды и пара, температура воды на входе и пара на выходе из модели, температура оболочек имитаторов, мощность, подводимая к пучку стержней, перепады давления на обогреваемой части пучка и сосуде сбора унесенной влаги.

Эксперименты выполнялись на одном и том же оборудовании, с использованием идентичных методик проведения и обработки опытов и рабочих участков схожей конструкции. В значительной мере совпадали и матрицы основных серий опытов. Идентичность методик и условий проведения опытов на моделях ТВС ВВЭР и PWR позволила провести прямое сопоставление таких интегральных характеристик процесса повторного залива, как расходы пара и выносимой влаги, расходное массовое паросодержание на выходе из сборки, положение весового уровня и координаты фронта смачивания. При этом ввиду различия расходов теплоносителя через модели при одинаковых скоростях залива, данные по расходам пара и выносимой влаги сопоставлялись в относительных единицах, т.е. приводились к расходу охлаждающей воды. Результаты такого сопоставления показали, что при идентичных режимных параметрах все вышеперечисленные составляющие процесса повторного залива для моделей ТВС ВВЭР и PWR и качественно, и количественно согласуются между собой.

Анализ экспериментов показал, что при нижнем заливе экспериментальные данные по кинематике восходящего фронта смачивания обобщаются простым интегральным соотношением, справедливым, прежде всего, для диапазона параметров повторного залива АЗ ВВЭР:

где фр - время прихода фронта в рассматриваемое сечение zфр, эмпирическая константа 0,7 имеет размерность сек-1, а безразмерный теплоподвод к теплоносителю на смоченном участке твэла Qфр определяется выражением:

Здесь f() - временной закон спада энерговыделения, kz и k max - характеристики осевого распределения тепловыделения, q0 - стартовое значение линейной плотности теплового потока в максимуме тепловыделения, V0- скорость залива, f - площадь проходного сечения сборки, приходящаяся на один твэл, r - удельная теплота парообразования, - плотность насыщенного водяного пара.

Если распределение энерговыделения по высоте ТВС и временной закон его изменения известны, то, пользуясь соотношением (16) легко предсказать положение фронта смачивания в любой момент времени и, соответственно, оценить время расхолаживания сборки. Пример расчетов по уравнению (16) дан на рисунке 21.

Рис. 21. Сопоставление данных (точки) по кинематике фронта смачивания На примере 161-стержневой сборки PWR продемонстрирована возможность использования соотношения (16) для оценки времени расхолаживания крупномасштабных сборок твэл. Показано также, что соотношение (16) правильно отражает влияние на скорость расхолаживания ТВС не только основных режимных параметров, но и такого, например, фактора, как наличие в сборке необогреваемых стержней. В частности, из него следует, что при неизменной мощности сборки увеличение удельной тепловой нагрузки на твэлы при отключении части имитаторов компенсируется соответствующим возрастанием площади проходного сечения, приходящейся на один твэл. В результате чего временной закон изменения положения фронта смачивания остается тем же самым, что и при отсутствии необогреваемых стержней.

Заключительная часть главы посвящена верификации моделей повторного залива теплогидравлических расчетных кодов в рамках выполнения стандартных задач на базе экспериментов ГНЦ РФ-ФЭИ по расхолаживанию полномасштабной по высоте, электрообогреваемой 37-стержневой модели ТВС ВВЭР-1000 в условиях нижнего (СП-1), верхнего (СП-2) и комбинированного (СП-3) повторного залива.

В расчетном анализе экспериментов приняли участие представители 8-ми организаций, выполнившие пре- и посттестовые расчеты по различным кодам:

В диссертации приведено краткое описание экспериментальной установки и модели ТВС, сценариев и условий проведения опытов, а также представлены основные результаты расчетного анализа экспериментов.

Опыты проводились на петле повторного залива стенда СВД-1. Модель ТВС ВВЭР-1000 представляла собой сборку имитаторов твэл в шестигранном стальном корпусе. Стержни располагались по треугольной решетке с шагом 12,75 мм и дистанционировались решетками штатной конфигурации с шагом 255 мм. Осевой профиль энерговыделения моделировался пятью ступенями с коэффициентом неравномерности - 1,62.

Анализ экспериментальных данных выявил существенно неодномерный характер процесса расхолаживания и повторного смачивания имитаторов твэл в модельной сборке. Особенно характерно это для верхнего и комбинированного залива (см. рис. 22), когда часть подаваемой в верхнюю камеру воды проникает по периферии сборки в её нижнюю часть, охлаждая попутно необогреваемый корпус модели и примыкающие к нему стержни. При этом в центральной части сборки фронт повторного смачивания стержней продвигается снизу вверх независимо от способа подачи охлаждающей воды в модель, поскольку проникновению воды сверху мешает встречный поток генерируемого пара. В итоге, время полного расхолаживания определяется расходом воды, попадающей в нижнюю часть модели ТВС.

Рис. 22. СП-3: экспериментальные данные о повторном смачивании имитаторов.

- центральные стержни; - периферийные стержни; - центральный стержень.

КОРСАР/В (НИКИЭТ) Сопоставление результатов расчетов по кодам с экспериментальными данными, примеры которых приведены в таблице 2 и на рис. 23, показало, что максимальная температура стержней и время расхолаживания сборки предсказываются большинством кодов удовлетворительно.

Рис. 23. СП-3: сравнение экспериментальных данных о максимальной температуре Характер и темп продвижения фронтов смачивания в нижней половине сборки удовлетворительно предсказываются практически всеми кодами. Расхождения в расчетных и экспериментальных результатах для верхней половины сборки связаны с трудностями расчетного моделирования многомерных эффектов одномерными кодами. В этом плане некоторыми преимуществами обладает квазидвумерный (ячейковый) код COBRA-TF. Однако в любом случае, результаты расчета в значительной мере определяются искусством и опытом пользователя.

В целом, по совокупности параметров наиболее близкие к экспериментальным результаты получены в ОКБ «Гидропресс» (программный комплекс ТРАП), НИТИ (код КОРСАР/В1.1) и ОКБМ (код RELAP5/Mod3.2).

Результаты выполнения вышеупомянутых стандартных задач повторного залива получили положительную оценку НТЦ ЯРБ РФ и используются в процедурах верификации и аттестации отечественных и зарубежных кодов, используемых при анализе и обосновании безопасности АЭС с ВВЭР. В частности, они были использованы при аттестации кодов ТРАП, КОРСАР/В1.1 и RELAP5/Mod3.2.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложенная в работе модель генерации пара в термически неравновесном дисперсном потоке позволяет рассчитать изменение паросодержания и температуры перегретого пара в закризисной зоне каналов произвольной формы.

2. В единых критериях обобщены опытные данные о расходе жидкости в плёнке и размере капель, а также о критическом и граничном паросодержании при кризисе кипения, обусловленном истощением пристенной плёнки жидкости.

Предложенные соотношения применимы в широком диапазоне изменения параметров для разных жидкостей и каналов различной формы. Они включены в отраслевые РТМ, справочник по теплогидравлическим расчетам, проект «Руководства по безопасности» Ростехнадзора для водоохлаждаемых ЯЭУ, использованы в расчетных программах ОКБ "Гидропресс" и ряде учебных пособий.

3. На основе предложенной модели генерации пара впервые разработана единая для каналов различного сечения методика расчета ЗТО. Она позволяет учесть неравномерность распределения теплового потока в парогенераторах и активной зоне реакторных установок, излучение, эффекты дистанционирования, повторное смачивание. Результаты верификации методики показали её надежность и применимость в широком диапазоне параметров.

4. Получены данные об условиях возникновения кризиса теплоотдачи и теплообмене в закризисной зоне обогреваемых круглых труб при параметрах, характерных для ЯЭУ. Часть этих данных включена в базу данных Отраслевого центра теплофизических данных и используется для верификации и уточнения расчетных рекомендаций и кодов. В частности, они использовались при верификации кодов ТРАП (ОКБ "Гидропресс") и КОРСАР (НИТИ).

5. Применительно к парогенераторам ЯЭУ с реакторами на быстрых нейтронах исследован ЗТО в вертикальной трубе с независимым обогревом нижней и верхней секций. Экспериментально выявлен предсказываемый расчетами по предложенной методике немонотонный характер влияния теплового потока на теплообмен в закризисной зоне. Показано, что величина теплового потока в докризисной зоне влияет на ЗТО в основном через изменение критического паросодержания.

6. Экспериментально исследован кризис кипения при характерных для аварийных режимов ЯЭУ низких давлениях и массовых скоростях. Изучено влияние гидравлического сопротивления выходного тракта на условия возникновения кризиса теплоотдачи и дана трактовка наблюдавшихся в опытах явлений с учетом сжимаемости и критического истечения двухфазной смеси. Прямыми измерениями статического давления подтверждена гипотеза о связи кризиса кипения с «запиранием» канала.

7. Исследовано ухудшение теплообмена в кольцевых каналах с одно- и двухсторонним обогревом при подъемном течении пароводяной смеси. С учетом полученных данных обобщены сведения о граничных паросодержаниях в кольцевых каналах, что позволило объяснить зависимость критического паросодержания от соотношения тепловых нагрузок на наружной и внутренней трубках.

Впервые разработана методика расчета ЗТО в кольцевых каналах, учитывающая наличие пленки жидкости на стенке. Показана её применимость для каналов с одно- и двухсторонним обогревом.

8. Экспериментально показано, что локальные и интегральные эффекты влияния дистанционирующих элементов на закризисный теплообмен возрастают с увеличением степени блокировки проходного сечения канала, влагосодержания потока и массовой скорости. Разработана методика расчета температурного режима каналов с дистанционирующими элементами, учитывающая интенсификацию однофазного теплообмена, дополнительное испарение влаги и повторное смачивание теплоотдающей поверхности. Продемонстрирована её применимость для кольцевых каналов и пучков твэл.

9. Разработанные расчетные соотношения и методики базируются на физически обоснованных критериях подобия и фундаментальных законах сохранения, а также на использовании апробированных эмпирических зависимостей. Они проверены на большом массиве экспериментальных данных, легко встраиваются в расчетные программы, удобны и эффективны для расчетов процессов со скользящими параметрами. Все это позволяет рекомендовать их для использования в современных расчетных кодах, применяемых для анализа состояния и безопасности ЯЭУ в стационарных, переходных и аварийных режимах.

10. В результате экспериментального исследования нестационарного теплообмена при кратковременном осушении охлаждаемого водой трубчатого имитатора твэл в условиях, характерных для аварийных ситуаций на ЯЭУ, выявлены зависимости температуры фронта охлаждения, скорости его продвижения и теплоотдачи в несмоченной зоне от режимных параметров. Предложена интерполяционная формула, обобщающая данные о температуре повторного смачивания во всем диапазоне давлений, вплоть до критического.

11. На основе выполненного анализа экспериментов по расхолаживанию моделей ТВС показано, что в идентичных условиях нижнего повторного залива приведенные расходы пара и выносимой влаги, паросодержание на выходе, положение весового уровня и координаты фронта смачивания для моделей ТВС ВВЭР и PWR количественно и качественно согласуются между собой. Предложено простое интегральное соотношение, обобщающее экспериментальные данные по кинематике восходящего фронта смачивания при нижнем заливе и позволяющее производить экспресс-оценку положения фронта смачивания, темпа и времени расхолаживания ТВС ВВЭР.

12. С использованием разработанной методологии проанализированы результаты верификации ряда отечественных и зарубежных теплогидравлических расчетных кодов на стандартных задачах нижнего, верхнего и комбинированного повторного залива 37-стержневой модели ТВС ВВЭР-1000. Показано, что наиболее близкие к экспериментальным результаты дают расчеты по кодам ТРАП (ОКБ «Гидропресс»), КОРСАР/В1.1 (НИТИ) и RELAP5/Mod3.2. Результаты выполнения вышеупомянутых стандартных задач получили положительную оценку НТЦ ЯРБ и используются в процедурах верификации и аттестации отечественных и зарубежных кодов, используемых при анализе и обосновании безопасности АЭС с ВВЭР.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Кокорев Б.В., Лощинин В.М., Сергеев В.В. Методика расчета теплообмена в закризисной области: Препринт ФЭИ-795. Обнинск. 1978.

2. Сергеев В.В. О расчете теплоотдачи в закризисной зоне // Теплообмен и гидродинамика при кипении и конденсации. Новосибирск: ИТФ СО АН СССР.

1979. С. 270-271.

3. Гальченко Э.Ф., Ремизов О.В., Сергеев В.В., Юрков Ю.И. Ухудшение теплоотдачи при течении пароводяной смеси с низкими массовыми скоростями в кольцевом канале с наружным обогревом: Препринт ФЭИ-1151. Обнинск.

4. Воробьев В.А., Лощинин В.М., Ремизов О.В., Сергеев В.В. Обобщение опытных данных по закризисной теплоотдаче на основе неравновесной модели // Теплообмен, температурный режим и гидродинамика при генерации пара.

Л.: Наука. 1981. С. 181-187.

5. Теплообмен и закризисной зоне кольцевых: каналов: Препринт ФЭИ-1232.

Обнинск. 1981. Авт.: Э.Ф.Гальченко, Г.А.Капинос, О.В.Ремизов, В.В.Сергеев, Ю.И.Юрков.

6. Kirillov P.L., Kokorev B.V., Remizov O.V., Sergeyev V.V. Post-dryout heat transfer (Кириллов П.Л., Кокорев Б.В., Ремизов О.В., Сергеев В.В. Закризисный теплообмен) // Heat Transfer, 1982: Proc. 7th Int. Heat Transfer Conf. Mnchen, Sept. 6-10, 1982. Vol. 5. Washington e.a., 1982. P. 487-492.

7. Ремизов О.В., Сергеев В.В., Юрков Ю.И. Критические паросодержания и закризисный теплообмен в кольцевых каналах // Опыт разработки и эксплуатации парогенераторов быстрых реакторов. Димитровград: НИИАР. 1982.

С. 433-446.

8. Ремизов О.В., Сергеев В.В., Юрков Ю.И. Ухудшение теплообмена при кипении воды в трубе со ступенчатым распределением теплового потока по длине: Препринт ФЭИ-1363. Обнинск. 1983.

9. Гальченко Э.Ф., Сергеев В.В. К обобщению данных по граничным паросодержаниям // Теплоэнергетика. 1983. № 3. С.58-59.

10. Ремизов О.В., Сергеев В.В., Юрков Ю.И. Экспериментальное исследование ухудшения теплоотдачи при подъемном и опускном течении воды в трубе // Теплоэнергетика. 1983, № 9. С. 64-64.

11. Гальченко Э.Ф., Сергеев В.В., Юрков Ю.И., Ремизов О.В. Исследование ухудшения теплообмена в кольцевых каналах // Теплоэнергетика. 1984, № 10.

С. 44-46.

12. Гальченко Э.Ф., Ремизов О.В., Сергеев В.В., Юркин Ю.М. Исследование ухудшения теплоотдачи при подъемном и опускном течении воды в трубе:

Препринт ФЭИ-1539. Обнинск. 1984.

13. Гальченко Э.Ф., Капинос Г.А., Ремизов О.В., Сергеев В.В., Юркин Ю.М.

Кризис теплоотдачи при кипении воды в кольцевом канале с двухсторонним обогревом: Препринт ФЭИ-1550. Обнинск. 1985.

14. Сергеев В.В., Гальченко Э.Ф., Ремизов О.В. Инженерный расчет теплообмена в закризисной зоне кольцевых каналов: Препринт ФЭИ-1649. Обнинск.

15. Сергеев В.В. Динамический унос жидкости с поверхности пристенной пленки: Препринт ФЭИ-1750. Обнинск. 1985.

16. Ремизов О.В., Сергеев В.В., Юрков Ю.И. Закризисный теплообмен в трубе со ступенчатым обогревом по длине. // Теплообмен в энергооборудовании АЭС. Л.: Наука. 1986. С. 173-179.

17. Сергеев В.В., Ремизов О.В., Гальченко Э.Ф. Закризисный теплообмен при кипении воды в кольцевом канале с двухсторонним обогревом // Атомная энергия. 1986. Т. 60, вып. 3. С. 172-176.

18. Сергеев В.В. Расчет теплообмена в закризисной зоне вертикальных цилиндрических каналов: Препринт ФЭИ-1836. Обнинск. 1987.

19. Ремизов О.В., Воробьев В.А., Сергеев В.В. Расчет закризисного теплообмена в круглых трубах // Теплоэнергетика. 1987, № 10. С. 55-56.

20. Гальченко Э.Ф., Ремизов О.В., Сергеев В.В. Исследование влияния направления течения на температурный режим парогенерирующей трубы // Атомная энергия. 1988. Т. 65, вып. 5. С. 364-365.

21. Сергеев В.В., Гонин А.И., Ремизов О.В. Закризисный теплообмен в каналах с дистанционирующими элементами // Атомная энергия. 1990. Т. 68, вып. 6.

С. 445-447.

22. Гонин А.И., Сергеев В.В. Закризисный теплообмен при дисперсном режиме течения двухфазного потока в каналах с дистанционирующими элементами // Теплофизические аспекты безопасности ВВЭР. Труды международного семинара «Теплофизика-90». Обнинск: ФЭИ. 1991. Т. 2. С. 348-352.

23. Воробьев В.А., Сергеев В.В. Экспериментальное исследование температуры фронта охлаждения при вынужденном движении воды в трубах // Кипение, кризисы кипения, закризисный теплообмен: Труды 1-ой Российской нац.

конф. по теплообмену. Т. 4.- М.: Изд-во МЭИ. 1994. С. 65-69.

24. Сергеев В.В., Смирнов А.М., Гальченко Э.Ф., Крылов Д.А. Кризис теплоотдачи при низком давлении и расходе // Теплогидравлика-94. Теплофизические аспекты безопасности АЭС с водоохлаждаемыми реакторами.

Обнинск: ФЭИ. 1995. С. 50-60.

25. Сергеев В.В., Смирнов А.М., Гальченко Э.Ф., Крылов Д.А. Кризис теплоотдачи при низком давлении и расходе // Атомная энергия. 1995. Т. 79, вып. 1.

26. Gonin A.I., Sergeev V.V. Dispersed flow film boiling in channels with spacer elements (Гонин А.И., Сергеев В.В. Дисперсный режим пленочного кипения в в каналах с дистанционирующими элементами) // Thermohydraulic relationships for advanced water cooled reactors: Working material. Report IAEA-RCWienna, Austria. 1998. P. 222-228.

27. Сергеев В.В. Кризис кипения при подъемном движении воды в трубах и пучках стержней // Труды 2-ой Российской нац. конф. по теплообмену.

М.: Изд-во МЭИ. 1998. Т. 4. С. 210-213.

28. Сергеев В.В. Обобщение данных по кризису теплообмена при кипении воды в трубах и стержневых сборках // Теплофизика-98: Труды международной конф. «Теплофизические аспекты безопасности ВВЭР». Обнинск: ГНЦ РФФЭИ. 1998. Т.1. С. 330-337.

29. Ефанов А.Д., Ложкин В.В., Лощинин В.М., Сергеев В.В., Судницын О.А., Зайцев С.И. Анализ экспериментов по повторному заливу и верификация расчетных кодов // Теплофизика-98: Труды международной конф. «Теплофизические аспекты безопасности ВВЭР». Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ. 1998. Т.1.

С. 400-410.

30. Виноградов В.Н, Ложкин В.В., Сергеев В.В., Зайцев С.И., Юдов Ю.В. Верификация российских теплогидравлических кодов на стандартных задачах повторного залива ВВЭР // Сб. трудов 2-ой Всеросс. научно-техн. конф. «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». Подольск: ОКБ «Гидропресс». 2001.

Т. 5. С. 48-56.

31. Efanov A.D., Vinogradov V.N., Sergeev V.V.,Sudnitsiyn O.A. The 2-nd Standard Problem of VVER Reflooding: Basic Results ( Ефанов А.Д., Виноградов В.Н., Сергеев В.В., Судницын О.А. 2-я стандартная задача повторного залива ВВЭР: основные результаты) // The 6th Int. Information Exchange Forum “Safety Analysis for Nuclear Power Plants of VVER and RBMK Types", Kyiv, 8-12 Apr.

32. Сергеев В.В. Обобщение данных по кризису кипения при подъемном движении воды в каналах // Теплоэнергетика. 2000, № 3. С. 67-69.

33. Сергеев В.В. Кризис кипения при дисперсно-кольцевом режиме течения воды в каналах // Избранные труды ФЭИ. 1998. Сб. науч. трудов. Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ. 2000. С. 109-113.

34. Сергеев В.В. Верификация модели закризисного теплообмена для дисперсного режима течения // Труды 3-ей Российской нац. конф. по теплообмену.

М.: Изд-во МЭИ. 2002. Т. 4. С. 165-168.

35. Ефанов А.Д., Виноградов В.Н., Гальченко Э.Ф., Сергеев В.В., Судницын О.А. Верификация теплогидравлических кодов на стандартной задаче нижнего повторного залива // Теплоэнергетика. 2003. №11. С. 16-20.

36. Sergeev V.V. One-dimensional model of post-dryout heat transfer (Сергеев В.В.

Одномерная модель закризисного теплообмена) // The 11th Int. Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH 11), October 2-6, 2005, Avignon, France. Paper 196.