DOI: 10.55176/2414-1038-2021-2-139-166
Авторы
Сорокин А.П., Кузина Ю.А., Денисова Н.А.
Организация
АО «Государственный научный центр Российской Федерации – Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского», Обнинск, Россия
Сорокин А.П. – главный научный сотрудник, доктор технических наук, отделение ядерной энергетики. Контакты: 249033, Калужская обл., Обнинск, пл. Бондаренко, 1. Тел.: +7 (484) 399-84-47; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript..
Кузина Ю.А. – заместитель генерального директора – директор отделения ядерной энергетики, кандидат технических наук.
Денисова Н.А. – ведущий инженер, отделение ядерной энергетики.
Аннотация
В статье приведено описание конструктивных, физических и технологических, в том числе, эксплуатационных факторов, имеющих закономерный и стохастический характер, под воздействием которых происходит формирование теплогидравлических характеристик в ТВС активной зоны быстрых реакторов с жидкометаллическим охлаждением. Показано, что к числу важнейших факторов относится сложная многосвязная геометрия, имеющая стохастический характер, подверженная деформации в процессе кампании под воздействием неравномерностей температуры и радиационных эффектов в процессе кампании. Представлены и анализируются результаты экспериментальных и расчетных исследований полей скорости и касательных напряжений, микроструктуры турбулентности, продольного, радиального и азимутального переноса импульса в центральной и периферийной областях ТВС без вытеснителей и с вытеснителями, а также при деформации решетки стержней. Демонстрируется интенсификация турбулентного переноса импульса в каналах в азимутальном направлении в области зазоров между стержнями. Коэффициент анизотропии турбулентного переноса импульса достигает значения 30–40 единиц. Проведенный анализ указал на значительное различие в расчетных в рамках полуэмпирических моделей турбулентного переноса импульса и экспериментальных зависимостей коэффициентов турбулентного переноса импульса в радиальном и азимутальном направлениях и коэффициентов анизотропии турбулентного переноса импульса в пучках стержней. Результаты проведенного открытого бенчмарка по теплогидравлике ТВС показали, что распространенные коммерческие расчетные коды лишь приближенно описывают экспериментальные данные. Показано, что интенсификация турбулентного переноса импульса в каналах сборок стержней обусловлена возникновением крупномасштабного турбулентного переноса импульса (вторичных токов). Рассчитан вклад крупномасштабного турбулентного переноса импульса в кинетическую энергию турбулентных пульсаций, азимутальные турбулентные касательные напряжения и коэффициенты турбулентного переноса импульса в сборках стержней. Получена эмпирическая зависимость коэффициента межканального турбулентного обмена импульсом в пучках гладких стержней, на основе развитой полуэмпирической модели выполнено обобщение экспериментальных и расчетных данных по межканальному турбулентному обмену импульсом в сборках гладких стержней, объяснена интенсификация межканального турбулентного обмена в тесных решетках стержней. Анализируются данные по гидравлическому сопротивлению в пучках гладких стержней. Обсуждаются задачи дальнейших исследований.
Ключевые слова
реакторная установка, тяжелый жидкометаллический теплоноситель, подготовка теплоносителя, очистка, поддержание заданного режима, массообменный аппарат, датчик активности кислорода, диспергатор газа, фильтр теплоносителя, аэрозольный фильтр, обоснование характеристик, экспериментальная методика, модель
Полная версия статьи (PDF)
Список литературы
- Субботин В.И., Ибрагимов М.Х., Ушаков П.А. и др. Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках. М.: Атомиздат, 1975. 406 с.
- Жуков А.В., Кириллов П.Л., Матюхин Н.М., Сорокин А.П., Тихомиров Б.Б., Ушаков П.А., Юрьев Ю.С., Мантлик Ф., Гейна Я., Шмид Й., Шульц В., Кретт В. Теплогидравлический расчет ТВС быстрых реакторов с жидкометаллическим охлаждением. М.: Энергоатомиздат, 1985. 157 с.
- Казачковский О.Д., Жуков А.В., Сорокин А.П., Матюхин Н.М. Температурные поля в формоизмененных ТВС быстрых реакторов. Атомная энергия, 1988, т. 65, вып. 2, с. 89–97.
- Жуков А.В., Сорокин А.П., Кириллов П.Л., Ушаков П.А., Кирюшин А.И., Кузавков Н.Г. и др. Методические указания и рекомендации по теплогидравлическому расчету активных зон быстрых реакторов. Обнинск, ФЭИ, 1988.
- Bogoslovkaya G.P., Cevolani S., Ninokata H., Rinejski A.A., Sorokin A.P., Zhukov A.V. LMFR Core and Heat Exchanger Thermohydraulic Design: Former USSR and Present Russia Approaches. IAEA-TECDOC-1060. Vienna: IAEA, 1999.
- Sorokin A.P., Efanov A.D., Zhukov A.V. Problems of Fast Reactors Thermohydraulics with Liquid Metal Cooling. Proc. of the International Conference ICONE-11-36131. Tokyo, Japan, 2003.
- Kjellstrom В. Studies of Turbulent Plow Parallel to Rod Bundles of Triangular Array. Report AE-987. Aktiebolaget Atomenergi, 1974.
- Trupp A.C., Azad R.S. The Structure of Turbulent Plow in Triangular Array Rod Bundles. Nuclear Engineering and Design, 1975, vol. 32, no. 1, pp. 47–84.
- Carajilesov P., Todreas N.E. Experimental and Analytical Study of Axial Turbulent Flows in an Internal Sub-channel of a Bare Rod Bundle. Journal of Heat Transfer, 1976, vol. 98, no. 2, pp. 262–268.
- Kelly J.H., Todreas N.E. Turbulent Interchange in a Triangular Array Bare Rod Bundles. Proc. Sixth International Heat Transfer Conference. Toronto, 1978, vol. 5, pp. 11–16.
- Rehme K. The Structure of Turbulent Flow through a Wall Sub-channel of a Rod Bundle. Nuclear Engineering and Design, 1978, vol. 65, no. 3, pp. 311.
- Rehme K. Turbulent Momentum Transport in Rod Bundles, Nuclear Engineering and Design, 1980, vol. 62, no. 2, pp. 137.
- Rehme K. Distribution of Velocity and Turbulence in a Parallel Flow along an Asymmetric Rod Bundles. Nuclear Technology, 1982, vol. 59, no. 2, pp. 148–159.
- Rowe D.S., Johnson B.M., Knudsen J.G. Implications Concerning Rod Bundle Cross Flow Mixing Based on Measurements of Turbulent Flow Structure. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1974, vol. 17, no. 3, pp. 407–419.
- Rowe D.S. Measurement of Turbulent velocity, intensity and Scale in rod bundle flow channels. Dr. Sci. diss. Corvallis, Oregon State University, 1973.
- Мантлик Ф., Гейне Я., Червенка Я. Результаты измерений локальных гидродинамических характеристик в правильной треугольной решетке стержней. Ржеж, ЧСФР, UJV – 3776 P, 1976.
- Rehme К. On the Development of Turbulent Flow in Wall Sub-channels of a Rod Bundle. Nuclear Technology, 1987, vol. 87, no. 3, pp. 331–342.
- Rehme K. The Structure of Turbulent Flow Through Rod Bundles. Nuclear Engineering and Design, 1987, vol. 99, no. 2, pp. 141–154.
- Rehme K. The Structure of Turbulence in Rod Bundles and the Implications on Natural Mixing between the Sub-channels. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1992, vol. 35, no. 2, pp. 567–581.
- Möller S.V. On Phenomena of Turbulent Flow through Rod Bundles. Experimental and Fluid Science, 1991, vol. 1, pp. 25–35.
- Гейна Я., Мантлик Ф., Шмид Й. Экспериментальные исследования локальных гидродинамических характеристик в периферии кассеты быстрого реактора. Турбулентная микроструктура течения в деформированном пучке стержней. Ржеж, ЧСФР, UJV – 8981 T, 1989.
- Жуков А.В., Сорокин А.П., Ушаков П.А., Матюхин Н.М., Тихомиров Б.Б., Титов П.А., Михин В.И., Мантлик Ф., Гейна Я., Восагло Л., Червенка Я. Гидродинамические характеристики в ТВС быстрых реакторов. Препринт ФЭИ-1816, Обнинск, 1986. 68 с.
- Гордеев С.С., Сорокин А.П. Теплогидравлический расчет активной зоны реакторов на быстрых нейтронах с учетом влияния различных факторов. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы, 2016, выпуск 4, с. 215–237. Доступно на: https://vant.ippe.ru/images/pdf/2016/4-23.pdf (дата обращения 26.04.2021).
- Богословская Г.П., Жуков А.В., Поплавский В.М. и др. Метод расчета температурного поля в кассете твэлов быстрого реактора при случайном распределении параметров по методу Монте-Карло. Препринт ФЭИ-1340. Обнинск, 1982.
- Тихомиров Б.Б., Савицкая Л.В., Поплавский В.М., Сорокин А.П. Модели статистического учета радиационного формоизменения конструкционных материалов в расчете температурного режима ТВС быстрых реакторов. Труды французско-советского семинара «Вопросы теплогидравлики активной зоны быстрых реакторов». Франция, Кадараш, 1986.
- Marbach J. Comportement d'un Faisceau d'aigulles Phenix sour irradiation. Irradiation Behaviour of Mettallic Materials for Fast Reactor Core Components. CEA-DMECH-B.P. N°2-91190 GIF-Sur-YUETTE. France, 1979, pp. 297–301.
- Кравченко И.Н., Багдасаров Ю.Е., Лихачев Ю.И. Расчет на прочность твэлов и шестигранного чехла ТВС с учетом совместного деформирования пучка твэлов и чехла ТВС в процессе облучения в активной зоне быстрого реактора. Препринт ФЭИ-1840. Обнинск, 1987.
- Erbacher P.J. Cladding Tube Deformation and Core Emergency Cooling in a Loss of Coolant Accident of a Pressurized Water Reactor. Nuclear Engineering and Design, 1987, vol. 103, no. 1, pp. 55–64.
- Сорокин А.П., Кузина Ю.А. Физическое моделирование процессов гидродинамики и теплообмена в ЯЭУ с жидкометаллическими теплоносителями. Теплоэнергетика, 2019, № 8, с. 1–9.
- Конаков П.К. Коэффициент скольжения для гладких труб. Известия АН СССР, 1948, № 7, с. 1029.
- Канаев А.А. Теплообмен и гидравлическое сопротивление при течении ртути в трубах. Котлотурбостроение, 1953, № 2, с. 18.
- Ефанов А.Д. Гидродинамика и безопасность ЯЭУ. Сборник трудов ГНЦ РФ – ФЭИ. Обнинск, ГНЦ РФ – ФЭИ, 1999.
- Брайтон Дж. Полностью развитый турбулентный поток в канале кольцевого сечения. Теоретические основы инженерных расчетов, 1964, № 4, с. 240–252.
- Ушаков П.А. Проблемы гидродинамики и теплообмена в активных зонах быстрых реакторов. Теплообмен и гидродинамика однофазного потока в пучках стержней. Л.: Наука. 1979. С. 3.
- Ушаков П.А. Расчет гидродинамических характеристик при продольном обтекании жидкостью правильных решеток стержневых твэлов. Теплофизика высоких температур, 1974, т. 12, № 1, с. 103–110.
- Laufer J. The Structure of Turbulence in Fully Developed Pipe Flow. NACA TN 2954, 1953.
- Жуков А.В., Свириденко Е.Я., Матюхин Н.М. и др. Поля скоростей в твэльных сборках быстрых реакторов при изменении геометрии периферийных зон. М.: Изд-во ВИМИ, 1977. С. 17–22.
- Субботин В.И., Жуков А.В., Ушаков П.А. и др. Распределение скоростей жидкометаллических теплоносителей в моделях кассет быстрых реакторов. Труды II симпозиума стран – членов СЭВ «Состояние и перспективы работ по созданию АЭС с реакторами на быстрых нейтронах». Обнинск, 1975, т. 2, с. 100–127.
- Boussinesq I.V. Theorie de L’ecoulement turbulent. Paris, Mat. Pres. Acad. Sci., 1877, XXIII.
- Прандтль Л. Результаты работ последнего времени по изучению турбулентности. Проблемы турбулентности. М.-Л.: ОНТИ, 1936.
- Карман Т. Некоторые вопросы теории турбулентности. Проблемы турбулентности. М.-Л.: ОНТИ, 1936.
- Тейлор К. О переносе вихрей и тепла при турбулентном движении жидкости. Проблемы турбулентности. М.-Л.: ОНТИ, 1936.
- Обухов A.M. О распределении масштаба турбулентности в трубах при произвольном сечении. Прикладная математика и механика, 1942, т. 6, с. 1959.
- Булеев Н.И. Пространственная модель турбулентного обмена. М.: Наука, 1989. 344 с.
- Булеев Н.И., Зинина Г.А. Корректировка исходных гипотез трехмерной модели турбулентного обмена. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика и техника ядерных реакторов, 1981, вып. 2(24), с. 26–35.
- Миллионщиков М.Д. Основные закономерности турбулентного течения в пристеночных слоях. Атомная энергия, 1970, т. 28, вып. 4, с. 317.
- Иевлев В.М. Численное моделирование турбулентных течений. М.: Наука, 1990. 216 c.
- Shimizu Т., Hinokata Н., Shishido Н. Distributed Parameter Analysis for the Prediction on the Pine structure of Flow and Temperature Fields in Wire-Wrapped Fuel Pin Bundle Geometrics. Nuclear Engineering and Design, 1990, vol. 120, no. 3, pp. 369–383.
- Launder B.E., Spalding D.B. The Numerical Computation оf Turbulent Flows. Computation Methods App. Mech. Eng., 1974, vol. 3, issue 2, pp. 269–289
- Laufer B.E., Spalding D.B. Mathematical Models of Turbulence. London, New York, Academic Press, 1972.
- Ибрагимов М.Х., Субботин B.И., Бобков В.П. и др. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах. М.: Атомиздат, 1978. 296 c.
- Nijsing R., Eifler W. Temperature Fields in Liquid-Metal-Cooled Rod Assemblies. Progress in Heat and Mass Transfer, 1971, vol. 7, pp. 115–149.
- Mühlbauer P. et al. Finite Element Analysis of Turbulent Flow on Infinite Rod Bundles. Proc. Fourth Int. Top. Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics, Nureth-4. Karlsruhe, 1989, vol. 2, pp. 1307–1312.
- Ян A., Цзян С. Турбулентный перенос тепла и количества движения в бесконечной решетке стержней. Теплопередача, 1988, № 2, c. 36–43.
- Neelen N. Modeling of Transport of Momentum in Parallel Turbulent Flow through a Rod Bundle. Cand. Sci. diss. Germany, TU Braunschweig, 1986.
- Reichardt H. Vollständige Darstellung der Turbulenten Geschwindigkeitsvertelung in Glatten Leitungen. Z. Hath. and Mech, 1951, vol. 3, pp. 208.
- Ramm H., Johannsen K. Prediction of Local and Integral Turbulent Transport Properties for Liquid-Metal Heat Transfer in Equilateral Triangular Rod Arrays. Journal of Heat Transfer, 1975, vol. 97, ser. C, no. 2, pp. 238–245.
- Seale W.J. Turbulent Diffusion of Heat between Connected Flow Passages. Part II: Predictions Using the k-ε Turbulent Model. Nuclear Engineering and Design, 1979, vol. 54, pp. 197–209.
- Slagter W. Finite Element Solution of Axial Turbulent Flow in a Bare Rod Bundle Using a One-Equation Turbulence Model. Nuclear Science and Engineering, 1982, vol. 82, no. 3, pp. 243–259.
- Хинце И.О. Турбулентность, её механизм и теория. М.: Физматгиз, 1963. 680 c.
- Nijsing R., et al. Temperature Fields in Liquid-Metal Cooled Rod Assemblies. Report on the International Heat Transfer Seminar. Trogir, Yugoslavia, 1971, EU/C-1C791/71.
- Жуков А.В., Сорокин А.П., Титов П.А. и др. Турбулентный и межканальный обмен импульсом в ТВС реакторов. Препринт ФЭИ-2015. Обнинск, 1989.
- Левченко Ю.Д. Исследование полей скорости турбулентного потока теплоносителя при продольном обтекании пучков стержней. Дисс. канд. техн. наук. Обнинск, 1970.
- Ramm Н., Johannsen К., Todreas N. Single Phase Transport within Bare Rod Arrays at Laminar Transition and Turbulent Flow Conditions. Nuclear Engineering and Design, 1974, vol. 30, no. 2, pp. 186–204.
- Ingesson L., et al. Heat Transfer between Sub-channels in a Rod Bundle. Proc. Fourth International Heat Transfer Conference. Paris-Versailles, France, 1970.
- Rogers J.Т., et al. A Generalized Correlation for Natural Turbulent Mixing of Coolant in Fuel Bundles. Transactions of the American Nuclear Society, 1968, vol. 11, no. 1, pp. 346–347.
- Полянин Л.Н. Тепло- и массообмен в пучках стержней при обтекании турбулентным потоком жидкости. Атомная энергия, 1969, т. 26, № 3, с. 279–284.
- Rudzinaki K.F., et al. Turbulent Mixing for Air-Water Flows in Simulated Rod Bundle Geometries. Canadian Journal of Chemical Engineering, 1972, vol. 50, no. 2, p. 297.
- Marcoczy G., et al. Verification of Sub-channel Analysis Computer Codes by a Full-Scale experiment. Transactions of the American Nuclear Society, 1975, vol. 20, no. 1, pp. 758–761.
- Габрианович Б.Н., Рухадзе B.K. Исследование межканального перемешивания теплоносителя в пучках гладких стержней с помощью фреонового метода. Теплофизические исследования. М.: ВИНИ, 1977, c. 23–33.
- Ройдт А. и др. Определение коэффициента турбулентного обмена в сборке тепловыделяющих элементов. Теплопередача, 1972, т. 96, № 2, с. 61–68.
- Nijsing R., et al. A Computer Method for Study State Thermohydrauluc Analysis of Fuel Rod Bundles with Single Phase Cooling. Nuclear engineering and Design, 1974, vol. 30, no. 2, pp. 145–185.
- Rowe D.S., Johnson B.M., Knudsen J.G. Implications Concerning Rod Bundle Cross Flow Mixing Based on Measurements of Turbulent Flow Structure. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1974, vol. 17, no. 3, pp. 407–419.
- Rowe D.S., Chapman С.С. Measurement of Turbulent. Velocity Intensity and Scale in Rod Bundle Flow Channels Containing a Grid Spacer. Richland, Washington, BNWL, Battelle Pacific Northwest Laboratories, 1973.
- Жуков А.В., Кузина Ю.А., Сорокин А.П. Анализ бенчмарк-эксперимента по гидравлике и теплообмену в сборке имитаторов твэлов с жидкометаллическим охлаждением. Атомная Энергия, 2005, т. 99, вып. 5, с. 336–348.
- Afremov D.A., Smirnov V.P., Yashnikov D.A. Calculations using BRS-TVS.R code as a part of the standard problem “Hydraulics and heat exchange in model rod assemblies with liquid-metal cooling” including uncertainty analysis. Proc. of the Meeting of International Working Group on Thermohydraulics of Advanced Nuclear Reactors. Obninsk, 2004.
- Ohshima H., Imai Y. Thermal Hydraulic Analysis of Model Pin Bundle with Liquid Metal Coolant – Simulation Results of Standard Problem. Proc. of the Meeting of International Working Group on Thermohydraulics of Advanced Nuclear Reactors. Obninsk, 2004.
- Peña A., Esteban G.A. Benchmark Problem: Hydraulics and Heat Transfer in the Model Pin Bundles with Liquid Metal Coolant. UPV-EHU Calculations. Proc. of the Meeting of International Working Group on Thermohydraulics of Advanced Nuclear Reactors. Obninsk, 2004.
- Carlsson J., Wider H. Results of Calculations of the Standard Problem “Hydrodynamics and Heat Transfer in a Subassembly Model Cooled by Liquid Metal Coolant”. Proc. of the Meeting of International Working Group on Thermohydraulics of Advanced Nuclear Reactors. Obninsk, 2004.
- Son H.M., Suh K.Y. Result of Calculations of the Standard Problem Hydraulics and Heat Transfer in a Subassembly Model Cooled by Liquid Metal Coolant. Proc. of the Meeting of International Working Group on Thermohydraulics of Advanced Nuclear Reactors. Obninsk, 2004.
- Malak J., Hejna J., Schmid J. Pressure losses and heat transfer in non-circular channels with hydraucally smooth walls. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1975, vol. 18, pp. 139–149.
- Левченко Ю.Д., Субботин В.И., Ушаков П.А. Распределение скоростей теплоносителя и напряжений на стенках плотно упакованных стержней. Атомная энергия, 1967, т. 22, вып. 3, с. 218–225.
- Субботин В.И., Ушаков П.А., Левченко Ю.Д., Александров А.М. Поле скоростей турбулентного потока жидкости при продольном обтекании пучков стержней. Зброслав, ЧСКАЭ, 1971. 158 с.
- Ибрагимов М.Х., Исупов И.А., Субботин В.И. Расчет и экспериментальное исследование полей скорости в канале сложной формы. М.: Атомиздат, 1967. C. 234–250.
- Шейнина А.В. Гидравлическое сопротивление пучков стержней в осевом потоке жидкости. М.: Атомиздат, 1967. С. 210–223.
- Субботин В.И., Ушаков П.А. Расчет гидравлических характеристик пучков стержней. Зброслав, ЧСКАЭ, 1971. С. 44–50.
- Жуков А.В., Сорокин А.П., Титов П.А., Ушаков П.А. Гидравлическое сопротивление ТВС быстрых реакторов. Препринт ФЭИ-1707. Обнинск, 1985.
- Жуков А.В., Сорокин А.П., Титов П.А. Анализ гидравлического сопротивления в сборках твэлов быстрых реакторов. Атомная энергия, 1986, т. 60, вып. 3, с. 317–321.
- Rehme К. Pressure Drop Performance of Rod Bundles in Hexagonal Arrangements. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1972, vol.15, no. 12, pp. 2499–2517.
- Presser К. Warmeubergang und Drukverlust an Reaktorbrennelementen in Form Landsdurchstromter Rundstabbiindel. Julich, KFA, 1967. 139 p.
- Rieger M. Experimentelle Untersuchung des Warmeubergangs in Parallel Durchfromten Rohrbundeln bei Konstanter Warmestromdichte im Bereich Mittlerer Prandtl-Zahlen. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1969, vol. 12, no. 11, pp. 1421–1447.
- Eifler W., Nijsing R. Experimental investigation of velocity distribution and flow resistance in a triangular array of parallel rods. Nuclear Engineering and Design, 1967, vol. 5, no. 1, pp. 22–42.
- Graber H. Der Warmeubergang in Glatten Rohreu, Zwachen Parallelen Platten, in Ringspalten und Langes rohrenbundeln bei Exponentieller Warmeflusskerteilung in Errwungener Laminarer oder
Turbulenter Stromung. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1970, vol. 13, no. 11, pp. 1645–1703.
- Ибрагимов М.Х., Исупов И.А., Кобзарь Л.Л., Субботин В.И. Расчет коэффициентов гидравлического сопротивления при турбулентном течении жидкости в каналах некруглого сечения. Атомная энергия, 1967, т. 23, вып. 4, с. 300–305.
УДК 532.5.072.12
Вопросы атомной науки и техники. Cерия: Ядерно-реакторные константы, 2021, выпуск 2, 2:10
