Вычислительная программа темпа-дфс

Вычислительная программа ТЕМПА-ДФС…
А.Н. ЧУРКИН1, В.А. МОХОВ1, В.С. ХАРИТОНОВ, И.Н. ВАСИЛЬЧЕНКО1, И.Г. ЩЕКИН1, И.Д. РЯБОВ
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
1
ОАО Опытное конструкторское бюро «ГИДРОПРЕСС», Подольск
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ТЕМПА-ДФС:
ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА
Представлено краткое описание расчетной методики и результаты ее предварительной верификации. В
основе данной методики расчета лежит поканальная методика, где уравнение переноса поперечной составляющей импульса включает как слагаемые сил давления и сопротивления, так и слагаемые конвективного
переноса в продольном и поперечном направлениях.
Представленная в докладе методика расчета локальных параметров теплоносителя в ТВС
основана на поканальной (поячейковой) методике, которая широко распространена в среде инженерных расчетов, поэтому программ, базирующихся на ее основе, достаточно много. Они отличаются областью применимости, в частности, типом теплоносителя (вода, жидкий метал, газ), возможностью решения динамических задач, детальностью описания теплогидравлических процессов, гибкостью к изменению расчетной схемы, методами решения уравнений.
Поканальная методика расчета ориентирована на теплогидравлические системы, которые
можно разбить на систему параллельных каналов. В описываемой методике принято, что при записи уравнений сохранения массы, энтальпии и продольной составляющей импульса используется
один способ разбиения системы на каналы, а при записи уравнений сохранения поперечной составляющей импульса – другой способ. Каналы, полученные первым способом, будем называть
основными каналами, а каналы, полученные вторым способом – каналами связи. Канал связи расположен между двумя основными каналами и предназначен для расчета поперечного течения теплоносителя между ними.
В продольном направлении система, в свою очередь, разбивается на слои. Причем для уравнений сохранения массы, энтальпии и поперечной составляющей импульса используется один
способ разбиения системы на слои (основной способ), а для уравнения сохранения продольной
составляющей импульса – другой способ, в котором граница слоя проходит через центральную
линию основного слоя.
Пересечения каналов и слоев образуют наборы контрольных объемов. Таким образом, для
записи уравнений сохранения расчетная область разбивается на смещенные друг относительно
друга наборы неподвижных в пространстве контрольных объемов (рис. 1).
 – центр контрольного объема для уравнения сохранения массы и энтальпии;
 – центр контрольного объема для уравнения сохранения продольной составляющей импульса;
о – центр контрольного объема для уравнения сохранения поперечной составляющей импульса
Рис. 1
Уравнения сохранения. Для заданных наборов контрольных объемов уравнения сохранения
массы, энтальпии и импульса паро-водяной смеси записываются, соответственно, следующим образом:
Вычислительная программа ТЕМПА-ДФС…
  (1 
)ж  ж m dSm =  M ж ik  Γik ,
(1)
п п m dSm =  M п ik + Γik ,
(2)
Sik

Sik
 mh dSm =  qm dSm + Hik
Sik
  z mdSm =  f z dV  
Vik
Sik

f x dV 
  y m dSm = ˆ
f y dV 
Vˆijk
Sˆijk
(3)
Vijk
 zm dSm + Fzik ,
p dS z +
Sik

 x  m dSm =
Sˆijk
,
Sik

p dS x +

p dS y +
Sˆijk
Sˆijk
(4)
Sik

 xm dS m + Fxijk ,
(5)

 ym dSm + Fxijk ,
(6)
Sˆijk
Sˆijk
где Sik – поверхность контрольного объема Vik ; S~ik – поверхность контрольного объема Vik ;
Ŝijk – поверхность контрольного объема Vˆijk .
Поверхность каждого контрольного объема разбивается на
элементы, которые граничат либо с другими контрольными
объемами из того же самого набора контрольных объемов, либо со стенками. Например, для типичной геометрии ТВС поверхность Sik основного контрольного объема Vik из канала i в
слое k разбивается, в частности, на элементы, показанные на
рис. 2.
Верификация методики проводилась путем сравнения
результатов расчетов по программе, реализующей представленную методику, с результатами эксперимента [1]. Одновременно проводилась проверка выполнения в расчетах законов
сохранения массы и энергии.
В табл. 1 приводятся результаты экспериментальных исРис. 2
следований истинного объемного паросодержания в области
кипения с недогревом, проведенных на вертикальных каналах с равномерным по длине тепловыделением. Движение среды было восходящим. Истинное объемное паросодержание определялось
с использованием проникающего γ-излучения. Из всей серии экспериментов для проведения сравнительных расчетов были выбраны два, которые наиболее близки по параметрам к условиям ТВС
ВВЭР.
Таблица 1
Основные параметры выбранных экспериментов
Наименование параметра
Давление, МПа
Массовая скорость, кг · (м²  с)–1
Температура на входе, ºС
Плотность теплового потока, МВт · м–²
Значение
Эксперимент № 1.1
14,75
Эксперимент № 1.2
14,70
2123
2014
310
1,13
272
1,72
Поскольку представлены результаты в виде зависимости истинного объемного паросодержания φ от относительной энтальпии воды x, и не указаны конкретные длины рабочих участков в
каждом эксперименте, то в расчетах моделировалась труба длиной 1500 мм для получения максимальных относительных паросодержаний на выходе из трубы.
Вычислительная программа ТЕМПА-ДФС…
Рис. 3
Рис. 4. Распределение по высоте расчетных
значений расхода теплоносителя
Расчетная модель эксперимента представляла
собой один канал диаметром 12 мм, разбитый по
высоте на 100 слоев по 15 мм каждый (рис. 3).
При выполнении расчетов экспериментов
проверялось правильность моделирования следующих явлений (см. табл. 1):
1) сохранение массы и энергии при продольном течении;
2) кипение с недогревом;
3) проскальзывание фаз.
Явление 1 проверялось проверкой балансов расходов теплоносителя на входе и выходе из трубы и на
входе и выходе выбранных каналов. Явление 2 – по
относительной энтальпии потока, при котором
начинается кипение. Явление 3 проверяется по истинному объемному паросодержанию, измеренному
в экспериментах.
Результаты расчетов эксперимента № 1.1
представлены на рис. 4–6. На рис. 7 приведены зависимости истинного объемного паросодержания от
относительной энтальпии потока, полученные в
расчетах и экспериментах.
Рис. 5. Распределение по высоте расчетных значений
произведения массового расхода на удельную
энтальпию теплоносителя (поток энтальпии)
На рис. 4 видно, что расход смеси постоянный (нет источников и стоков массы) и равен
сумме расходов воды и пара. Таким образом, рис. 4, демонстрирует, что в расчете закон сохранения массы при продольном течении теплоносителя выполняется.
На рис. 5 демонстрируется, что поток энтальпии смеси равен сумме потоков энтальпии воды
и пара. Разность потоков энтальпии смеси на входе и выходе из канала равна тепловой мощности,
идущей на нагрев воды. Таким образом, демонстрируется, что закон сохранения энергии при расчете выполняется.
На рис. 6 представлена полученная в расчете зависимость истинного объемного паросодержания от расходного объемного паросодержания. На рисунке приведены также еще две теоретические линии, соответствующие гомогенному течению (течение без проскальзывания) и адиабатному течению паро-газовой смеси в автомодельной области (скорость смеси более 3 м·с–1). Анализируя рисунок можно заключить, что в начале поверхностного кипения пузырьки пара, находясь в
пристенной области, в которой скорость теплоносителя значительно ниже скорости в центре канала, отстает от воды. Начиная с β, примерно равного 0,1, наблюдается заметное влияние на пузырь-
Вычислительная программа ТЕМПА-ДФС…
ки пара сил плавучести. Пар начинает обгонять воду. В случае адиабатного автомодельного течения, газ, стремясь в центральную высокоскоростную область, начинает обгонять жидкость во всем
диапазоне β, причем это не зависит от ориентации трубы.
Из рис. 7 видно, что наибольшие отличия расчетных и экспериментальных данных по истинному объемному паросодержанию наблюдаются в районе начала поверхностного кипения и не
превышают значения 0,02. Данное отклонение лежит внутри абсолютной погрешности экспериментального определения истинного объемного паросодержания, указанной в [1] данных эксперимента, равной ±0,04.
Рис. 6. Зависимость истинного объемного
паро-содержания от расходного объемного
паросодержания
Рис. 7. Сравнение результатов расчетов
и экспериментов
Для завершения верификации методики расчета необходима проверка распределения локальных параметров теплоносителя в пучке в условиях поверхностного кипения. Экспериментов,
направленных на изучение данного явления, не так много, поскольку это связано с трудностями
измерения паросодержания потока. Подобные эксперименты выполнялись в основном для каналов
простой формы, либо для параметров, характерных для кипящих реакторов. Поэтому, для завершения верификации методики расчета требуются эксперименты для параметров, соответствующих нормальной эксплуатации ВВЭР-1200.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
№ 3. С. 20.
Бартоломей Г.Г., Брантов В.Г., Молочников Ю.С. и др. // Теплоэнергетика. 1982.