Численное исследование теплообмена и гидродинамики в модельной активной зоне насыпного типа высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов в условиях нестационарности

На основе предложенной математической модели теплообмена и гидродинамики проведено численное исследование характеристик потока теплоносителя в модели активной зоны насыпного типа в условиях нестационарности....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автор:	Дмитренко, Н.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2012
Назва видання:	Промышленная теплотехника
Теми:	Тепло- и массообменные процессы
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59054
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Численное исследование теплообмена и гидродинамики в модельной активной зоне насыпного типа высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов в условиях нестационарности / Н.П. Дмитренко // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 1. — С. 54-58. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-59054
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-590542025-02-09T16:42:03Z Численное исследование теплообмена и гидродинамики в модельной активной зоне насыпного типа высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов в условиях нестационарности Numerical investigation heat exchnge and hydrodinamics in lodel of pebble bed active zone of hight temperature reactors in nonstationary condition Дмитренко, Н.П. Тепло- и массообменные процессы На основе предложенной математической модели теплообмена и гидродинамики проведено численное исследование характеристик потока теплоносителя в модели активной зоны насыпного типа в условиях нестационарности. На основі запропонованої математичної моделі теплообміну та гідродинаміки проведено чисельне дослідження характеристик потоку теплоносія в моделі активної зони насипного типу в нестаціонарних умовах. On the basis of proposed mathematic model of heat exchange and hydrodynamics the numerical investigation of heat carrier flow characteristics in model active zone pebble bed design in non stationary conditions is made. 2012 Article Численное исследование теплообмена и гидродинамики в модельной активной зоне насыпного типа высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов в условиях нестационарности / Н.П. Дмитренко // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 1. — С. 54-58. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59054 621.186.1 ru Промышленная теплотехника application/pdf Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы
spellingShingle	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы Дмитренко, Н.П. Численное исследование теплообмена и гидродинамики в модельной активной зоне насыпного типа высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов в условиях нестационарности Промышленная теплотехника
description	На основе предложенной математической модели теплообмена и гидродинамики проведено численное исследование характеристик потока теплоносителя в модели активной зоны насыпного типа в условиях нестационарности.
format	Article
author	Дмитренко, Н.П.
author_facet	Дмитренко, Н.П.
author_sort	Дмитренко, Н.П.
title	Численное исследование теплообмена и гидродинамики в модельной активной зоне насыпного типа высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов в условиях нестационарности
title_short	Численное исследование теплообмена и гидродинамики в модельной активной зоне насыпного типа высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов в условиях нестационарности
title_full	Численное исследование теплообмена и гидродинамики в модельной активной зоне насыпного типа высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов в условиях нестационарности
title_fullStr	Численное исследование теплообмена и гидродинамики в модельной активной зоне насыпного типа высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов в условиях нестационарности
title_full_unstemmed	Численное исследование теплообмена и гидродинамики в модельной активной зоне насыпного типа высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов в условиях нестационарности
title_sort	численное исследование теплообмена и гидродинамики в модельной активной зоне насыпного типа высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов в условиях нестационарности
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Тепло- и массообменные процессы
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59054
citation_txt	Численное исследование теплообмена и гидродинамики в модельной активной зоне насыпного типа высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов в условиях нестационарности / Н.П. Дмитренко // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 1. — С. 54-58. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT dmitrenkonp čislennoeissledovanieteploobmenaigidrodinamikivmodelʹnojaktivnojzonenasypnogotipavysokotemperaturnyhgazoohlaždaemyhreaktorovvusloviâhnestacionarnosti AT dmitrenkonp numericalinvestigationheatexchngeandhydrodinamicsinlodelofpebblebedactivezoneofhighttemperaturereactorsinnonstationarycondition
first_indexed	2025-11-28T01:50:35Z
last_indexed	2025-11-28T01:50:35Z
_version_	1849997014140452864
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №154 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ нестационарного обтекания кругового цилин- дра с использованием моделей турбулентности Спаларта – Аллмереса и Ментера // Инж. – физ. журнал. – 2005. – Т78, 6.С148–162. 5. Исаев С.А., Баранов П.А., Кудрявцев Н.А., Лысенко Д.А., Усачов А.Е. Комплексный ана- лиз алгоритмов, сеточных структур и моделей турбулентности при расчете циркуляционного течения в каверне с помощью пакетов VP2/3 и FLUENT. Ч. 1. Влияние схемных факторов // Теплофизика и аэромеханика. 2005. Т. 12. № 4.– С. 587–608. 6. Исаев С.А., Баранов П.А., Кудрявцев Н.А., Усачов А.Е. Анализ вихревого теплообмена при поперечном обтекании траншеи на пло- скости с помощью многоблочных вычисли- тельных технологий и различных полуэмпи- рических моделей турбулентности // Инж. – физ. журнал. – 2004. – Т. 77, №. 6. – С. 152–161. Получено 26.10.2011 г. УДК 621.186.1 Дмитренко Н.П. Институт технической теплофизики НАН Украины ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРОДИНАМИКИ В МОДЕЛЬНОЙ АКТИВНОЙ ЗОНЕ НАСЫПНОГО ТИПА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗООХЛАЖДАЕМЫХ РЕАКТОРОВ В УСЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ На основі запропонованої математичної моделі теплообміну та гідродинаміки проведено чи- сельне дослідження характери- стик потоку теплоносія в моделі активної зони насипного типу в нестаціонарних умовах. На основе предложенной мате- матической модели теплообмена и гидродинамики проведено числен- ное исследование характеристик потока теплоносителя в модели ак- тивной зоны насыпного типа в усло- виях нестационарности. On the basis of proposed mathematic model of heat exchange and hydrodynamics the numerical investigation of heat carrier flow characteristics in model active zone pebble bed design in non stationary conditions is made. Ad, Bd, D0, С1, С2 – константы; cF – коэффициент Форхаймера; С – изобарная теплоемкость; d − мерность пространства; G – расход; J − отношение вязкостей; K – проницаемость; k – кинетическая энергия; l – длина; q – тепловой поток; r – радиус; t – время; Т – температура; V – вектор скорости; u, w – проекции вектора скорости; ВТГР – высокотемпературный газоохлаждаемый реактор; Pr = (μ·cF)/λ – число Прандтля; ε – скорость диссипации; μ − динамический коэффициент вязкости; ρ – плотность; φ – пористость. Индексы: m, n – проекции на координаты; t – турбулентный параметр; шз − шаровая засыпка; ν – внутренний источник энергии. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №1 55 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Введение Обеспечение безопасной эксплуатации су- ществующих атомных электростанций и тех, которые будут вводить в эксплуатацию в пер- спективе, является одной из основных проб- лем современной энергетики. Вопросам рас- чета теплообмена и гидродинамики в энерге- тическом оборудовании отводится ключевая роль. Важнейшей задачей при создании ядер- ного реактора является достоверное прогно- зирование изменения основных параметров теплоносителя в элементах оборудования для всех возможных аварий и формулирование основных требований к системе безопаснос- ти. Решение этой задачи требует описания нестационарных теплогидравлических процес- сов в аварийных режимах. Одним из возмож- ных средств анализа теплогидравлических процессов в элементах энергетического обо- рудования является расчетный анализ, кото- рый основан на математических моделях, но- сящих наиболее общий характер и учитываю- щих наибольшее количество параметров. Для исследования теплообмена и гидро- динамики в модели активной зоны насыпного типа предложена модифицированная k-ε RNG модель турбулентности [1, 2]. Математическая модель Математическая модель теплообмена и ги- дродинамики состоит из уравнения движения (1), теплообмена (2), неразрывности (3), ки- нетической энергии турбулентности (4) и ско- рости ее диссипации (5). n m m m u u u t x  ∂ ∂ ρ + + ∂ ∂  ( ) 2/ 3 2 /2 3 03 t n d m md uB t x xA D ∗ ∗ ε ∗ ε +   µ ε ∂∂ ∂   + ρ = ∂ ∂ ∂ ρ    ( ) n t n n m m up J u x x x K  ∂∂ ∂ µ = − + µ +µ ϕ − ∂ ∂ ∂  2 2 2 2 24 ,m nF F n t m u uc c dV u J d d x VK K − ∂ −ϕ + ϕ µ − ∂ (1) 0n n u t x ∂ρ∂ρ + = ∂ ∂ , (2) ( ) 2/3 3 03 n t p n n d n TuT Tc t x t x A D x ∗ε∗  ∂  µ ε∂ ∂ ∂ ∂  ρ + ϕ + =  ∂ ∂ ∂ ∂ ρ ∂     Pr t t T   µ = ∇ λ + ∇      , (3) 2/3 3 03 t n n n d n k k ku t x t x A D x ∗ε∗   µ ε∂ ∂ ∂ ∂ ∂  ρ + + =  ∂ ∂ ∂ ∂ ρ ∂     22 Pr t t nm n k n kS J J x x   µ∂ ∂ = µ − ρε + µ + −  ∂ ∂   22 2 Fck V k K K ϕ − µ − ϕ ρ + 2 2 2 28 ,n m nF t n m u u uc d Jk d d x x VK ∂− ∂ + ϕ µ − ∂ ∂ (4) 2/3 3 03 t n n n d n u t x t x A D x ∗ε∗   µ ε∂ε ∂ε ∂ ∂ ∂ε  ρ + + =  ∂ ∂ ∂ ∂ ρ ∂     2 2 1 22 Pr t t nm n n C S C J J k k x xε ε ε   µε ε ∂ ∂ε = µ − ρ + µ +µ −  ∂ ∂   ( )22 2 nnF m m V uuc K x xK ∂∂ϕ − ρ ε + µϕ − ∂ ∂ 2 2 2 28 .n m nF t m m m u u uc d J d d x x x VK  ∂− ∂ ∂ − µϕ µ  − ∂ ∂ ∂  (5) На основе приведенной математической мо- дели гидродинамики и теплообмена, которая учитывает пористость среды и нестационар- ность процессов, рассмотрим изменение гидро- динамических и теплофизических параметров в модели активной зоны насыпного типа (рис. 1) в случае падения расхода теплоносителя. Геометрическая модель задачи представ- ляет собой кольцевой канал с r = 2,3 м, в цен- тре которого находится шаровая засыпка с rшз = 1,3 м. Шаровая засыпка граничит со сво- бодной средой, которая отделяет ее от внешней стенки канала. Данный объект рассмотрен в цилиндриче- ской системе координат, где ось z направлена по оси канала. Расчет проводился при таких численных значениях параметров: l = 1,4 м, ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №156 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ w = 5 м/с, qν = 2 МВт/м3. Для численного решения поставленной задачи были заданы граничные и начальные условия. На входе в канал профили скорости и температуры задавались как функции попе- речных координат, тут же задавались значения для кинетической энергии турбулентности и скорости диссипации. На твердых поверхностях задается нулевое значение скоростей и кинетической энергии турбулентности. В случае обогреваемой по- верхности задается тепловой поток или тем- пература, а в случае изолированной поверх- ности – нулевой тепловой поток 0T n ∂ = ∂ , (n – нормаль к стенке). Засыпку, состоящую из сферических эле- ментов, мы рассматриваем как макропорис- тую среду. В нашем случае макропористая среда граничит с текучей (чистой) средой и граничные условия в общем виде для осевой составляющей скорости имеют вид: 2 00 pp BJ BJ z Hz H w w w z z zK K → −→ +  α α∂ ∂ ∂ − =   ∂ ∂ ∂   . (6) В нашем случае коэффициент Бивеса-Джо- зефа αBJ = 1,45 [3]. В качестве теплоносителя был выбран гелий. Коэффициент Форхаймера определялся из выражения [3]: 0,55 1 5,5 0,46F d c d   = − =     . (7) Значение проницаемости среды определя- лось по формуле: ( ) 2 3 2180 1 dK ϕ = − ϕ , (8) где d – диаметр сферического топливного эле- мента, значение объемной пористости шаровой засыпки взято φ = 0,25. Выбор модели турбулентного режима дви- жения теплоносителя обусловлен большим значением проницаемости шаровой засыпки (K = 1·10-5...3,3·10-6 м2). Это как раз и приводит к турбулизации движения теплоносителя. Результаты расчета В реакторах типа ВТГР существует воз- можность аварии связанная с нарушением процесса охлаждения активной зоны [4]. Та- кая авария может произойти при отключении принудительной циркуляции (циркуляционной газодувки) теплоносителя из-за нарушений в электрических системах (потеря нагрузки или питания). Изменение расхода газа из-за остановки циркуляционной газодувки происходит таким образом: вначале значение расхода теплоно- сителя максимальное, а затем он плавно умень- шается по приблизительно экспоненциальному закону G = Aexp(-Bt), (9) до тех пор, пока газодувка не выйдет на режим работы с естественной циркуляцией (при t > t0). Когда газодувка выходит на режим с естествен- ной циркуляцией (t0 < t), то закон изменения расхода будет иметь вид: G = const. В выражении (9) G имеет размерность кг/с, а t − с. Рассмотрим случай, когда A = 1,165 и B = 0,02, t0 = 100 с. Задача рассмотрена для значения прони- цаемости шаровой засыпки – K = 5·10-6 м2. ш э Геометрическая модель Рис. 1. Модель активной зоны с шаровой засыпкой. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №1 57 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Результаты расчета динамики изменения профилей скорости показаны на рис. 2 Из рисунка видно, что скорость теплоносителя в начальный момент времени имеет макси- мальное значение в представленных сечениях по высоте активной зоны. Постепенно с умень- шением расхода гелия скорость его падает и в момент времени 100 с от начала аварийного процесса имеет минимальное значение. Мак- симум профилей скорости смещен в сторону шаровой засыпки, так как плотность теплоно- сителя в этой области меньше, чем возле внеш- ней стенки. Такой характер распределения скорости теплоносителя в модельной актив- ной зоне насыпного типа соответствует харак- теру распределения температуры (рис. 3), как и в случае со стационарным режимом. Значи- тельная «градиентность» профиля скорости в области границы разделения сред обусловлена монотонно увеличивающейся зависимостью вязкости теплоносителя от температуры. Представленные временные зависимости распределения температуры теплоносителя от его расхода на рис. 4 показывают, что при падении расхода теплоносителя согласно за- кону (9) происходит прогревание гелия. В на- чальный момент времени, который соответ- ствует стационарному режиму значение тем- пературы наименьшее во всех сечениях по длине активной зоны. За промежуток времени в 100 с температура теплоносителя на выходе из рассматриваемого канала достигает своего максимального значения. Нужно отметить, что для рассмотренного случая (K = 5·10-6 м2) значение температуры теплоносителя на выходе не достигает про- ектного допустимого предела для оболочки то- плива (1200 ºС). Из рисунка 4 видно, что при значении K = 2·10-6 м2 в момент времени 50 с от начала аварийного процесса температура теплоноси- теля достигнет проектного допустимого пре- дела на расстоянии 1,2 м от входа в активную зону. В двух других рассмотренных случаях с большим значением проницаемости темпе- ратура теплоносителя в указанный момент времени соответствует нормальной работе ак- тивной зоны. Выводы Полученные результаты являются основой для оптимизации выбора размера сферическо- го топливного элемента с точки зрения безопас- ной работы активной зоны. Это обусловлено тем, что размер топливного элемента является существенной составляющей при определении проницаемости пористой среды, а проницае- мость в свою очередь влияет на динамику рас- пределения теплогидравлических параметров потока теплоносителя активной зоны. а) б) Рис. 2. Распределение скорости теплоносителя по высоте модели активной зоны: а) – 0,01 м, б) –1,4 м и по ее радиусу в разные моменты времени: 1 – 0 с, 2 – 10 с, 3 – 50 с, 4 –100 с. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №158 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ а) б) Рис. 3. Распределение температуры теплоносителя по высоте активной зоны: а) – 0,01 м, б) –1,4 м и по ее радиусу в разные моменты времени: 1 – 0 с, 2 – 10 с, 3 – 50 с, 4 –100 с. ЛИТЕРАТУРА 1. Avramenko A.A. Renormalization group model of macroscopic turbulence in porous media / A.A. Avramenko, A.V. Kuznetsov // Transport in Porous Media. – 2006. – Vol. 63. – P. 175–193. 2. Авраменко А.А. Ренрмализзационный анализ нестационарной турбулентности в ма- кропористых средах / А.А. Авраменко, Н.П. Дмиренко, Д.Г. Блинов // Пром. теплотехника. – 2010. – Т. 32, № 2. – С. 19–30. 3. Nield D. A, Bejan A. Convection in porous media [3nd ed.]. − New York: Springer, 2006. – 640 p. 4. Высокотемпературные газоохлаждае- мые реакторы за рубежом. / [Гребенник В.Н., Карпов В.А., Климов В.В. и др.]. − Вып. 1 (Ана- литический обзор). − М.: АИНФ, 1974. − 175 с. Получено 20.09.2011 г. Рис. 4. Распределение температуры теплоносителя по длине активной зоны в момент времени 50 с для разных значений К: 1 − К = 5·10-6 м2, 2 − К = 2,8·10-6 м2, 3 − К = 2·10-6 м2.

Репозитарії

Схожі ресурси