Сорокин А.П.1, Кузина Ю.А.1, Сорокин Г.А.2, Денисова Н.А.1
– главный научный сотрудник, доктор технических наук. Контакты: 249033, Калужская обл., Обнинск, пл. Бондаренко 1. Тел.: +7 (484) 399-84-47; e-mail:
– заместитель генерального директора – директор отделения ядерной энергетики, кандидат технических наук.
– доцент кафедры корпоративных информационных систем, кандидат технических наук.
Представлены, анализируются и обобщены результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований поперечного межканального молекулярно-турбулентного и конвективного обмена массой, импульсом и энергией в рамках поканальной модели теплогидравлического расчета тепловыделяющих сборок твэлов активной зоны быстрых реакторов с жидкометаллическими теплоносителями для номинальных, неноминальных и аварийных режимов. Получена полная система коэффициентов межканального обмена для замыкания системы уравнений макропереноса в широком диапазоне параметров с учетом деформации ТВС. Показано, что поперечный конвективный обмен в ТВС с дистанционированием проволочной навивкой обусловлен дефицитом статического давления в области за навивкой у поверхности стержня, а высокая интенсивность молекулярно-турбулентного обмена в тесных пучках объясняется возникновением вторичных течений в ячейках. Обмен теплом между ячейками за счет теплопроводности твэлов определяется параметром теплового моделирования твэлов для первой гармоники. Воздействие проволочной навивки на поток может моделироваться периодически изменяющимся гидравлическим сопротивлением поперечному потоку теплоносителя. Обоснована интегральная модель конвективного межканального обмена в ТВС с дистанционирующей проволочной навивкой. Учет центробежного эффекта и расчет коэффициентов межканального обмена с учетом локального распределения параметров позволяет уточнить теплогидравлические характеристики в формоизмененных пучках. Для характерных параметров ТВС быстрых реакторов (Pe ≥ 50; S/d ≥ 1,1; h/d ≤ 30; ε1 < 1) преобладающим является конвективный межканальный обмен вследствие дистанционирования твэлов проволочной навивкой. Для высокотеплопроводных композиций топлива существенный вклад в межканальный обмен теплом может вносить обмен за счет теплопроводности твэлов. При малом расходе теплоносителя (Ре < 50) увеличивается вклад молекулярно-турбулентного обмена и обмена теплом за счет теплопроводности твэлов.
1. Жуков А.В., Мужанов А.Б., Сорокин А.П. и др. Межканальное взаимодействие теплоносителя в решетках цилиндрических стержней. Препринт ФЭИ-413. Обнинск, 1973.
2. Rogers J.Т., Todreas N.E. Coolant Interchannel Mixing in Reactor Fuel Rod Bundles Single Phase Coolants. Heat Transfer in Rod Bundles. ASME, 1968.
3. Жуков А.В., Сорокин А.П., Ушаков П.А. и др. Теплофизическое обоснование температурных режимов ТВС быстрых реакторов с учетом факторов перегрева. Гидродинамические характеристики в ТВС быстрых реакторов. Препринт ФЭИ-1816. Обнинск, 1986.
4. Rowe D.S., Johson B.M., Knudsen I.G. Implication Concerning Rod Bundle Mixing Based on Measurements of Turbo-Flow Structure. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1974, vol. 17, no. 3, pp. 407–419.
5. Roidt R.M., Carelli M.D., Markley R.A. Experimental Investigations of the Hydraulic Field in WireWrapped LMFBR Core Assemblies. Nuclear Engineering and Design, 1980, vol. 62, no. 3, pp. 295–321.
6. Belle L., Thorne W.L. Experimental Determination of the Local Transverse Mixing in a Rod Bundle with Helical Wire Spacers. Report on the International Meeting on Reactor Heat Transfer. Karlsruhe, 1973.
7. Жуков А.В., Свириденко Е.Я., Матюхин Н.М. Измерение локальных гидродинамических характеристик межканального взаимодействия в кассетах твэлов быстрых реакторов. Препринт ФЭИ-665. Обнинск, 1976.
8. Габрианович Б.Н., Рухадзе В.К. Исследование межканального перемешивания теплоносителя в пучках гладких стержней с помощью фреонового метода. Теплофизические исследования. М.: ВИМИ, 1977. С.&NBSP;23–33.
9. Жуков А.В., Котовский Н.А., Матюхин Н.М. и др. Экспериментальное исследование межканального взаимодействия теплоносителя в решетках стержней с дистанционирующей проволочной навивкой. Препринт ФЭИ–556. Обнинск, 1975.
10. Жуков А.В., Сорокин А.П., Ушаков П.А. и др. Методы и программы теплогидравлического расчета сборок твэлов быстрых реакторов. Прага: Центр Ядерных Исследований, 1987.
11. Сорокин Г.А., Жуков А.В., Авдеев Е.Ф., Сорокин А.П. Моделирование теплогидравлических процессов в тепловыделяющих сборках быстрых реакторов с учетом влияния кипения, деформации и других факторов. Препринт ФЭИ-2749. Обнинск, 1998.
12. Rowe D.S., Angel C.W. Experimental Study of Mixing Between Rod Bundle Fuel Element Flow Channel During Boiling. Transactions of the American Nuclear Society, 1967, vol. 10, no. 2, pp. 655.
13. Полянин Л.Н. Тепло- и массообмен в пучках стержней при обтекании турбулентным потоком жидкости. Атомная Энергия, 1969, т. 26, № 3, с. 279–285.
14. Nijsing R., Eifler W. A Computation Method for the Steady State Thermohydraulic Analysis of Fuel Rod Bundles with Single Cooling. Nuclear Engineering and Design, 1974, vol. 30, no. 2, pp. 145–185.
15. Ройдт Р., Печерски К., Маркин Л. и др. Определение коэффициента турбулентного обмена в сборке тепловыделяющих элементов. Теплопередача, 1972, т. 96, № 2, с. 61–68.
16. Markoczy G., Huggenberger М. Verification of Subchannel Analysis Computer Codes by a Pull-Scale Experiment. Transactions of the American Nuclear Society, 1975, vol. 20, no. 1, pp. 758–761.
17. Ingesson L., Hedberg S. Heat Transfer Between Subchannels in a Rod Bundles. Heat Transfer. Amsterdam, 1970, vol. 3, p. FC7, 11.1–11.
18. Seale W.J. The Effect of Subchannel Shape on Heat Transfer in a Rod Bundles with Axial Plow. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1981, vol. 24, no. 4, pp. 768–770.
19. Baumann W. Cross Mixing by Natural Turbulence in Fuel Element Bundles. Atomkernenergie, 1969, vol. 14, no. 2, pp. 107–111.
20. Левченко Ю.Д. Исследование полей скорости турбулентного потока теплоносителя при продольном обтекании пучков стержней. Дисс. канд. техн. наук. Обнинск, 1970.
21. Nijsing R., Eifler P. Temperature Fields in Liquid-Metal Cooled Rod Assemblies. Report on the International Heat Transfer Seminar. Trogir. Yugoslavia. EU/C–1C791/71. 1971.
22. Rowe D.S. A Mechanism for Turbulent Mixing Between Rod Bundle Subchannels. Transactions of the Nuclear American Society, 1969, vol. 12, no. 2, pp. 805.
23. Ramm H., Johansen K., Todreas N. Single Phase Transport within Bare Rod Arrays at Laminar Transition and Turbulent Plow Conditions. Nuclear Engineering and Design, 1974, vol. 30, no. 2, pp. 186–204.
24. Жуков А.В., Сорокин А.П., Ушаков П.А. и др. Теплофизическое обоснование температурных режимов ТВС быстрых реакторов с учетом факторов перегрева. Гидродинамические характеристики в ТВС быстрых реакторов. Препринт ФЭИ–1816. Обнинск, 1986.
25. Rudzinski K.F., Signg K., St. Pierre C.C. Turbulent Mixing for Air-Water Plows in Simulated Rod Bundle Geometries. Canadian Journal of Chemical Engineering, 1972, vol. 50, no. 2, pp. 297–309.
26. Бобков В.П., Ибрагимов М.Х., Субботин В.И. Метод расчета коэффициента турбулентного переноса тепла в каналах сложной формы. Моделирование термодинамических явлений в активной зоне быстрых реакторов. Збраслав: ОНТИ ЧСКАЭ, 1971. C. 8–17.
27. Жуков А.В. и др. Межканальное тепловое взаимодействие в пучках гладких стержней, обтекаемых жидкими металлами. Препринт ФЭИ–757. Обнинск, 1977.
28. Субботин В.И., Ибрагимов М.Х., Ушаков П.А. и др. Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках (основы расчета). М.: Атомиздат, 1975.
29. Rowe D.S., Chapman С.С.&NBSP;Measurement of Turbulent Velocity, Intensity and Scale in Rod Bundle Plow Channels Containing a Grid Spacer. BNWL–1737. Washington, 1973.
30. Bowring R.W. HAMBO – A Computer Programme for Subchannel Analysis of the Hydraulic and Burnout Characteristics of Rod Bundles (Part 1). General Description. AEEW–R524. London, 1967.
31. Patch L., Roidt R.M., Carelli M.D., Markley R.A. Experimental Studies of Plow Distribution in a Wire Wrapped LMFBR Blanket Assembly. Report on the International Meeting on Reactor Heat Transfer. Karlsruhe, 1979.
32. Левченко Ю.Д., Субботин В.И., Ушаков П.А. Экспериментальные исследования осредненных характеристик турбулентного потока в ячейках пучка стержней. Атомная Энергия, 1972, т. 33, вып. 5, с. 893–899.
33. Ушаков П.А. Расчет гидродинамических характеристик при продольном обтекании жидкостью правильных решеток стержневых твэлов. Теплофизика высоких температур, 1974, т. 12, № 1, с. 103–110.
34. Fenech H., Bennett F.O. Axial Static Pressure Variations in Inner and Side Subchannels of a 61-Tube Wire-Wrap Bundle. Nuclear Engineering and Design, 1987, vol. 104, no. 1, pp. 83–92.
35. Morris H.M. Applied Hydraulics in Engineering. The Ronald Press Company. New York, 1963.
36. Vong C.C., Todreas N.E. Wire-Wrapped Rod Bundle Heat Transfer Analysis for LMFBR. Transactions of the American Nuclear Society, 1980, vol. 35, pp. 823–825.
37. Markley R.A. Status of Core Thermal-Hydraulic Development in the USA. Thermodynamics of FBR Subassemblies Under Nominal and Non-Nominal Operating Conditions. IWGFR/29, 1979, pp. 76–81.
38. Ginsberg T. Forced-Flow Interchannel Mixing Model for Fuel Rod Assemblies Utilizing a Helical WireWrap Spacer System. Nuclear Engineering and Design, 1972, vol. 22, no. 1, pp. 28–42.
39. Юрьев Ю.С., Кащеев В.М., Ибрагимова Г.Г. Теоретическая модель общей циркуляции жидкости в кассете оребренных стержней. Препринт ФЭИ–709. Обнинск, 1976.
40. Булеев Н.И. Теоретическая модель турбулентного обмена в турбулентном потоке жидкости. Proc. Third Int. Conf. on Peaceful Uses of Atomic Energy. New York, 1965, vol. 8, pp. 305–315.
41. Лоран П.Ж. Аппроксимация и оптимизация. М.: Мир, 1975. 162 с.
42. Жуков А.В., Сорокин А.П., Титов П.А., Ушаков П.А. Метод расчета влияния межканального перемешивания на температурное поле теплоносителя в кассетах твэлов с дистанционирующей проволочной навивкой. Препринт ФЭИ–512. Обнинск, 1974.
43. Roidt R., Carelli M., Markley R. Experimental Investigations of the Hydraulic Field in Wire-Wrapped LMFBR Core Assemblies. Nuclear Engineering and Design, 1980, vol. 62, no. 1–3, pp. 295–321.
44. Bishop A.A. et al. Coolant Mixing on a Nineteen-Rod Fuel Assembly. Transactions of the American Nuclear Society, 1961, vol. 4, no. 1.
45. Субботин В.И., Ушаков П.А., Жуков А.В., Таланов В.Д. Температурные поля твэлов с жидкометаллическим охлаждением. Атомная Энергия, 1967, т. 22, вып. 5, с. 372–376.
46. Lane A.D. et al. The Thermal and Hydraulic Charac teristics of Power Reactor Fuel Bundle Design. Canadian Journal of Chemical Engineering, 1963, vol. 41, no. 5.
47. Skok J. Mixing of the Fluid due to Helicaidal Wire on Fuel Pins in a Triangular Arrays. Progress in Heat and Mass Transfer. New York, 1973, vol. 7, pp. 251–262.
48. Okamoto Y., et. al. Hydraulic Performance in Rod Bundles of Past Reactor Fuel Pressure Drop Vibration and Mixing Coefficient. Proc. symposium “Progress in Sodium Cooled Past Reactor Engineering”. Monako, 1970.
49. Baumann W. et al. Experimental Studt of Coolant Cross-Mixing in Multirod Bundles, Consisting of Unfinned, One-, Three- and Six- Pin Fuel Rods. Atomkernenergie, 1969, vol. 14, pp. 298–304.
50. Baumann W. et al. Coolant Cross-Mixing of Sodium Flowing in Line throgh Multirod Bundles with Different Spacers Arrangements. Report on International Heat Transfer Seminar. Trogir, Yugoslavia, 1971.
51. Collingham R.E. et al. Coolant Mixing in a Fuel Pins Assembly Utilizing Helical Wire-Wrap Spacers. Nuclear Engineering and Design, 1973, vol. 24, no. 3, pp. 393–400.
52. Fontana M.N. et al. Edge-Channel Flow in a 19-Rod LMFBR Fuel Assembly. Transactions of the American Nuclear Society, 1972, vol. 15, no. 2, p. 855.
53. Грязев B.M. и др. Расчетно-экспериментальные исследования теплофизики и гидродинамики пакетов активной зоны и парогенераторов для быстрых реакторов. Теплофизика и гидродинамика активной зоны и парогенераторов для быстрых реакторов. Прага: ЧСКАЭ, 1978, т. 1, с. 182–209.
54. Waters E.D. Fluid Mixing Experiments with a Wire-Wrapped 7-Rod Bundle Fuel Assembly. HW-70178/rev. Hanford Laboratories. 1963.
55. Miyaguchi K. et al. Thermal-Hydraulic Experiments with Simulated LMFBR Subassemblies Under Nominal and Non-nominal Operating Conditions. IWGFR/29. 1979, pp. 58–75.
56. Жуков А.В. и др. Исследование межканального перемешивания в решетках стержней с малыми относительными шагами и обобщение фактического материала для систем с дистанционирующими проволочными навивками. Препринт ФЭИ-799. Обнинск, 1977.
57. Жуков А.В. и др. Исследование гидродинамики сложного течения в сборке стержней с дистанционирующей проволочной навивкой. Препринт ФЭИ-867. Обнинск, 1978.
58. Chiu C. et al. Turbulent Mixing Model and Supporting Experiments for LMFBR Wire Wrapped Assemblies. Report on the International Meeting on Reactor Heat Transfer. Karlsruhe, 1979.
59. Khan E.U. et al. A Porous Body Model gor Predicting Temperature Distribution in Wire-Wrapped Fuel Rod Assemblies. Nuclear Engineering and Design, 1975, vol .35, no. 1, pp. 1–12.
60. Chiu C. et al. Turbulent Mixing Model and Supporting Experiments for LMFBR Wire-Wrapped Assemblies. Transactions of the American Nuclear Society, 1978, vol. 30, pp. 547–548.
61. Дзюбенко Б.В. К вопросу о межканальном перемешивании теплоносителя в пучках оребренных стержней. Инженерно-физический журнал, 1979, № 5, с. 777–783.
62. Жуков А.В., Свириденко Е.Я., Матюхин Н.М., Рымкевич К.С.&NBSP;Исследование локальных гидродинамических характеристик и коэффициентов межканального перемешивания в сборках стержней с дистанционирующим винтовым оребрением (касание стержней «ребро по ребру»). Препринт ФЭИ-908. Обнинск, 1979.
63. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973.
64. Жуков А.В., Матюхин Н.М., Сорокин А.П., Рымкевич К.С., Мильбауэр П. Экспериментальное и расчетное исследование формирования температурных полей в формоизмененных ТВС быстрых реакторов. Препринт ФЭИ–1964. Обнинск, 1989.
65. Казачковский О.Д., Сорокин А.П., Жуков А.В. и др. Стохастические неравномерности температурных полей в формоизмененных ТВС быстрых реакторов. Препринт ФЭИ–1678. Обнинск, 1985.
66. Ибрагимова Г.Г., Юрьев Ю.С.&NBSP;Определение случайной составляющей коэффициента перемешивания в каналах пучка стержней. Препринт ФЭИ-482. Обнинск, 1973.
67. Жуков А.В., Сорокин А.П., Титов П.А. и др. Анализ данных по межканальному обмену в ТВС с винтовым оребрением твэлов (Часть II. Периферийная зона). Препринт ФЭИ–1573. Обнинск, 1984.
