Современное состояние атомной энергетики характеризуется качественным повышением безопасности и надежности как основного оборудования, так и ядерных энергетических установдк (ЯЭУ) в целом.
Требования высокой эффективности и, вместе с тем, высокой надежности активных зон ядерных реакторов сделали актуальным решение широкого класса задач теплофизического обоснования их работоспособности при различных режимах работы.
Стремление получить максимальную удельную мощность активных зон привело к необходимости использования тепловыделяющих элементов крестообразного профиля с закруткой их вдоль продольной оси [1].
При этом увеличение теплопереноса обусловлено не только увеличением площади теплопередающей поверхности, но и воздействием поля центробежных массовых сил на микроструктуру пристенного течения, создающего основное термическое сопротивление передаваемому тепловому потоку. .
Гидродинамика и массообмен в стержневых тепловыделяющих сборках (ТВС) активных зон ядерных реакторов интенсивно исследовались в последние годы как в нашей стране, так и за рубежом'. При этом обширный экспериментальный материал получен преимущественно для сборок гладких и оребренных стержней в форме круглого цилиндра (с различным типом их дистанционирования), а также для сборок гладких стержней с навивкой дистанционирующих проволок на их поверхность.
Исследований гидродинамики однофазного и двухфазного потоков в пучках крестообразных твэлов, включая локальные характеристики межячеечного массообмена, до настоящего времени не проводилось.
Однако структура, потока 'теплоносителя в активных зонах ядерных реакторов с крестообразными твэлами имеет существенные особенности по сравнению с гладкими или оребренными твэлами.
Сложное течение теплоносителя с изменением толщины пристенного слоя по сечению и длине TBC, локальные флуктуации парообразования в диаметрально противоположных сечениях, делают гидродинамику каналов одним из определяющих факторов, влияющих на теплофизические и физико-химические процессь1 в тепловыделяющих^ сборках с крестообразными твэлами. •.
Существенное влияние гидродинамика и массообмен в ячейках TBC оказывают на критические тепловые потоки на поверхности твэлов.
Эксплутационная надежность активных зон определяется сохранением заданных теплотехнических характеристик в процессе эксплуатации. Снижение этих характеристик связано с процессами отложений примесей теплоносителя и продуктов коррозии на поверхности твэлов. Кроме того, увеличение толщины отложений помимо активизации негативных коррозионных процессов, может привести и к пережогу оболочек твэлов, вследствие резкого увеличения термического сопротивления теплопередачи. / •.
При этом важным фактором, определяющим процесс формирования отложений, является как гидродинамика основного потока теплоносителя, ответственная за доставку примесей к теплообменной поверхности, так и гидродинамическая картина (касательные напряжения) вблизи поверхности твэла, определяющая процессы смыва отложений с поверхности.
В связи с этим экспериментальные исследования закономерностей течения, структуры однои двухфазного потока, касательных напряжений на поверхности твэлов, условий и закономерностей формирования локальных и интегральных характеристик • межканального обмена с получением обобщающих зависимостей является важной задачей, решение которой позволяет обосновать теплотехническую надежность активных зон с крестообразными твэлами. •.
Выполненные исследования проводились в рамках ряда научно-исследовательских работ, проводимых научно-исследовательской лабораторией.
Парогенерирующие системы" кафедры «Атомные и тепловые электростанции и установки» Нижегородского государственного технического университета.
Цель настоящей работы заключалась: в экспериментальном исследовании локальных и осредненных гидродинамических характеристик и структуры однои двухфазных потоков в пучках крестообразных твэлов и влияния на них режимных и геометрических параметровв экспериментальном исследовании межячеечного массообмена в пучках твэлов крестообразной формыв экспериментальном исследовании локальных пульсационных характеристик двухфазного потока по периметру крестообразных твэлов.
Научная новизна работы состоит в следующем: впервые в достаточно широком диапазоне определяющих параметров проведены исследования полей скоростей и статических давлений потока теплоносителя в пучке крестообразных твэлов и на их поверхностиполучены обобщающие зависимости для расчета касательных напряжений на поверхности твэлов крестообразной формы как локального, так и интегрального характера-. в результатах экспериментального исследования и обобщении характерных особенностей массообмена в пучке крестообразных твэловв результатах экспериментальных исследований структуры и локальных пульсационныххарактеристик двухфазного, потока в пучках крестообразных твэлов в диапазоне режимных параметров характерных для современных ЯЭУ с естественной циркуляцией.
Достоверность основных научных положений и выводов диссертации.
Основные научные положения и выводы по работе хорошо согласуются с современными представлениями о гидродинамических и тепломассообменных процессах в однофазных и двухфазных средах. Предлагаемые рекомендации основаны на результатах исследований нескольких моделей TBC с крестообразными твэлами с обоснованием представительности конструктивных отличий испытуемых моделей от штатных изделий и расчетом погрешности измеряемых величин.
Теплофизические ¦¦• стенды, измерительно-вычислительный комплекс, средства измерения прошли аттестацию Госповерителем. При анализе пульсационных процессов, использована статистическая обработка опытных данных.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Проведенные исследования гидродинамических характеристик и структуры однои двухфазных потоков в пучках крестообразных твэлов, включая и ее компьютерную анимационную Визуализацию, позволили выявить характерные особенности и гидродинамические механизмы течения теплоносителя, необходимые для качественного понимания процессов массообмена в пучках крестообразных твэлов.
Полученные обобщающие зависимости по локальным и средним коэффициентам межячеечного обмена массой в пучках крестообразных твэлов в широком диапазоне' режимных параметров позволяют уточнить методики теплогидравлического расчета активных зон ядерных реакторов с твэлами крестообразной формы и приняты для практического использования в Опытном конструкторском бюро машиностроения.
Результаты исследований локальных и средних по периметру твэлов касательных напряжений, пульсационных характеристик двухфазных потоков используются при разработке методов расчета процессов осаждения примесей теплоносителя на поверхности крестообразных твэлов. '.
Личный вклад автора.
Автор принимал непосредственное участие в проектировании и монтаже экспериментальных стендов и установок, разработке методик экспериментальных исследований, обработке и анализе их результатов.
В проведении экспериментальных исследований автор принимал непосредственное участие в составе исследовательского коллектива.
Постановка задачи и развитие исходных концепций были сделаны научным руководителем.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы были доложены и получили одобрение на Второй российской национальной конференции по тепломассообмену (г.Москва, 1998 г.), на Третьей конференции молодых ученых и специалистов (г.Н.Новгород, 1998 г.), на Научно-техническом совете Опытного конструкторского бюро машиностроения-(г.Н.Новгород, 1998 г.), на научных семинарах" кафедры «Атомные и тецловые электростанции и установки» (1996;1998 г-г.).
Основные научные, результаты опубликованы в шести печатных работах. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. ¦. — ¦
176 '.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Спроектированы и изготовлены экспериментальные стенды, разработаны методики исследований гидродинамических характеристик и межячеечного перемешивания однои двухфазных потоков теплоносителей в пучке крестообразных твэлов.
2. Проведены исследования и получены экспериментальные данные по полям статического давления и составляющим абсолютной скорости потока в пучке крестообразных твэлов и на их поверхности в широком диапазоне режимных параметров.
3. Экспериментально исследовано распределение, локальных и осредненных касательных напряжений по периметру поверхности твэла в зависимости от угла ориентации его в пучке при различных числах Яе. Показано, что влияние угла ориентации твэла. в пучке на среднюю величину касательных напряжений незначительно'. Результаты исследований доведены до обобщающих зависимостей и используются при разработке методов расчета процессов осаждения примесей теплоносителя на поверхности крестообразных твэлов. '•.
4. Проведены исследования, получены и обобщены экспериментальные данные по межячеечному массообмену потока теплоносителя в пучках твэлов крестообразной формы. Полученные ' зависимости позволяют уточнить результаты теплогидравлического расчета активных зон ядерных реакторов с крестообразными твэлами.
5. Экспериментально исследованы структура и пульсационные характеристики двухфазного потока в пучках твэлов крестообразной формы в диапазоне режимных параметров, характерных для современных ЯЭУ с естественной циркуляцией. /.
6. Проведенные исследования структуры однодвухфазных потоков в пучках крестообразных твэлов, включая ее компьютерную анимационную визуализацию, позволили выявить характерные особенности и гидродинамические механизмы течения теплоносителя, необходимые для качественного понимания процессов массообмена в пучках твэлов крестообразной формы. '.
1. Самойлов А. Г. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М.:Энергоатомиздат, 1985 г.
2. Левченко Ю. Д., Субботин В. И., Ушаков П. А. Распределение скоростей теплоносителя и напряжений на стенке плотно упакованных стержней. «Атомная энергия» т.22 Вып. З 1967 г.
3. Бибиков Л. И., Левченко Ю. Д. и др. Профили скорости жидкости на входном участке полотно упакованных пучков стержней. «Атомная энергия» т.35 Вып.1 1973г.
4. Субботин В. И., Левченко Ю. Д., Ушаков П. А. Эксперементальные исследования осредненых характеристик турбулентного потока в ячейках пучков стержней. «Атомная энергия» т. ЗЗ Вып.5 1973г.
5. Престон. М. Механика (сборник переводов иностр. период, литературы.) Издат. иностр. лит. 1955 г. стр 64.
6. Жуков A.B., Сорокин А. П., Матюхин Н. М. Межканальный обмен в TBC быстрых реакторов. М. Энергоиздат 1991 г.
7. Жуков A.B., Свириденко Е. Я., Матюхин Н. М. Исследование гидродинамики сложного течения в сборках стержней с дистанционирующей проволочной навивкой. ПрепринтФЭИ-665.
8. Жуков A.B., Сорокин А. П. и д.р. Анализ данных по межканальному обмену в TBC с винтовым оребрением. Препринт ФЭИ-1574.
9. Жуков A.B., Свириденко Е. Я. и др. Измерение локальных гидродинамических характеристик межканального взаимодействия в кассетах твэлов Б.Р. 1976 г.
10. Жуков A.B., Сорокин А. П., Матюхин Н. М. Межканальный обмен в TBC быстрых реакторов: Теоретические основы и физика процесса. — М., Энергоатомиздат, 1989.
11. Жуков A.B., Котовский H.A., Кудрявцева Л. К. и др. Экспериментальное и теоретическое исследование межканального взаимодействия теплоносителя в решетках твэлов с дистанционирующими спиральными ребрами. //Вопросы атомной науки и техники, сер. Реакторостроение. Обнинск: ОНТИ ФЭИ, 1977.
12. Жуков A.B., Матюхин Н. М., Свириденко Е. Я. и др. Исследование межканального перемешивания в решетках стержней с малыми относительными шагами обобщение фактического материала систем с дистанционирующимися проволочными навивками. / / Препринт ФЭИ-799. Обнинск: ОНТИ ФЭИ, 1977.
13. Жуков A.B., Матюхин Н. М., Свириденко Е. Я. и др. Исследование гидродинамики сложного течения в сборках стержней с дистанционирующей проволочной навивкой (электромагнитный метод измерения) / / Препринт ФЭИ-867. Обнинск: ОНТИ ФЭИ, 1979.
14. Baumann W., Hoffmann Н. Coolant Cross-Mixing of Sodium Flowing in Line Through Multirod Bundles with Different Spacer Arrangements // Internat. Heat Transfer Seminar, Trogin Yugoslavia, 1971.
15. Hoffmann M., Baumgartner E. Experimental Investigation of the Thermodynamic Behaviour of Fast Breeder Reactor Fuel Elements with Different Spacer Types // Fuel and Elements for Fast-Reactor. Vienna: IAEA, 1974. Vol.1.
16. Baumann W., Moller R. Experimental Study of Coolant Cross-Mixing in Multirod Bundles, Consisting of Unfinned, One-, Threeand Six-Fin Fuel Rods //Atomkernergie. 1969. Vol. 14 № 3.
17. Skok J. Mixing of the Fluid Due to the Gelicoidal Wire of Fuel Pins in a Trangular Array //Paper Presented at Internat. Heat Trasfer Seminar. Trogin, Yugoslavia, 1971.
18. Okamoto Y., Hishida M., Akino N. Hydraulic Performance in Rod-BundLes of Fast Reactor Fuel-Pressure Drop, Vibration and Coefficient// Progress in Sodium Cooled Fast Reactor Engig Monako, IAEA/ SM-130/5,1970.
19. Collingham R.E., Thorne W.L., McCornack J.D. Coolant Mixing in a Fuel Pins Assembly Utilizing Helical Wire-Wrap Spasers// Nuclear Engng. Design. 1973. Vol. 24, № 3.
20. Bump T.R. Coolant Mixing in Fuel Subassemblies// Transactions Amer. Nucl. Soc. 1966. Vol.9, P.285.
21. Marian V.R., Hines D.P. Transfer of Coolant Between Ajacent Subchannels in Wire-Wrap and Grid Spacer Rod Bundles// Transactions Amer. Nucl. Soc. 1970. Vol.13, № 2.
22. Cushman R.A. Subchanel Coolant Mixing and Temperature Analysis in EBRII Instrumented Subassembly XX01// Transactions Amer. Nucl. Soc. 1971. Vol. 14, № 1.
23. Millholen M.K., Sutey A.M. PNL-17. EBR II. Instrumented Subassembly Test Interim Report// BNWL-1424. Battelle-Northwest Laboratories. 1970.
24. Waters E.D. Fluid Mixing Exsperiments with a Wire Wrapped 7-Rod Bundle Fuel Assembly// HW-70 178. Handford Laboratories, 1963.
25. Shimazaki T.T., Freede W.J. Heat Transfer and Hydraulic Characteristics of the SRE Fuel Element// Reactor Heat Transfer Conf. 1956. TID-7529. US Atomic Energy Comission, 1957.
26. Bishop A.A., Nelson P.A., To. ng L.S. Coolant Mixing in a Nineteen-Rod Fuel Assembly// Transactions Amer. Nucl. Soc. 1961. Vol.41. № 1.
27. Lane A.D. The Termal and Hydraulic Characteristics of Power Reactor Fuel Bundle Design// Canadian J. Chemical Engng. 1963. Vol.41, № 5.
28. Colins R.D., Trance J. Mixing of Coolant in Channels Between Cloce Packed Fuel Elements// U.K. Atomic Energy Authority. Research and Development Branch. Capenhurst. JGR-TM/CA-847. 1958.
29. Субботин В. И. и др. Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках. М., Атомиздат, 1975 г.
30. Влияние блокировки проходного сечения модельной сборки ТВ С б.р. на распределение скоростей теплоносителя. Препринт ФЭИ-1961.
31. Бобков В. П., Грибанов Ю. И. Статистические измерения в турбулентных потоках. Москва, Энергоатомиздат 1988 г.
32. Поуп А., Гойн К. Аэродинамические трубы больших скоростей. М. Мир 1968 г.
33. Дейч М. Е., Зарянкин А. Е. Гидрогазодинамика. М.:Энерго-атомиздат, 1984 г.
34. Стырикович М. А., Резников М. И. Методы экспериментального изучения процессов генерации пара. М.: Энергия, 1976 г.
35. Мельников В. И., Усынин Г. Б. Акустические методы диагностики двухфазных теплоносителей ЯЭУ. М.: Энергоатомиздат, 1987 г.
36. Невструева Е. И. Тепломассообмен в атомных энергетических установках с водоохлаждаемыми реакторами. Итоги науки и техники. Серия тепломассообмен. Вып. 1 М.: ВИНИТИ, 1978 г.
37. Мельников В. И., Хохлов В. Н. Датчики для диагностики двухфазных потоков акустозондированием. Промышленная теплотехника. 1984 г. т.6 № 3 стр.92−94.
38. Безродный М. К., Хавин С. А. Исследование паросодержаний двухфазного потока в вертикальных кольцевых каналах термосифонного контура. Теплоэнергетика № 5 стр.43−48.
39. Вазингер В. В. Определение паросодержания с помощью расходомерных устройств. Атомная энергия. 1970 г. т.29 № 3 стр.202−203.
40. Боланд Д. Приборы контроля ядерных реакторов. М.: Атомиздат, 1973 г.
41. Гаврилов А. Р. Содержание свободного газа в жидкости и акустические методы его применения. Акустический журнал. 1969 г., т. 15 № 3 стр.321−383.
42. Таранков Г. А., Свистунов Е. П., Голубев Б. П. Исследования гидродинамики парового объема модели парогенератора ПГВ-1000 кондуктометрическими способами.: Теплоэнергетика № 7 1982г. стр.61−64.
43. Субботин Ю. Е., Похвалов JI.E., Михайлов П. К. Резистивный и емкостный методы измерения паросодержания. Теплоэнергетика 1974 г. № 6 стр.63−68.
44. Гартнер Р. Фотографические исследования пузырькового кипения на горизонтальной поверхности. Теплопередача, серия С, 1965 г. т.87 № 1 стр.20−22.
45. Лабуцов Д. А., Кольчугин Б. А., Головин B.C. и др. Исследования механизма пузырькового кипения воды с применением скоростной киносъемки.
46. Смирнов Г. Ф., Бараменко В. И. Экспериментальное исследование механизма теплообмена при кипении с помощью дифракционного интерферометра. Тепломассообмен. Минск, 1972 г. т.2 стр. 141−144.
47. Зысина-Моложен JI.M., Фельберг JI.A. Голографическое исследование дисперсности двухфазной среды. Энергомашиностроение, 1971 г. № 1 стр. 1012.
48. A.C. 792 130 СССР МКИ3 G 01N29/00. Способ измерения среднего паросодержания.
49. Штоппель Л. К. Акустозондовые системы диагностики двухфазных потоков на базе персонального компьютера. Тезисы докладов региональной научно-технической конференции «Методы и средства измерения физических величин», Н. Новгород, 1996, стр. 47.
50. Дмитриев С. М., Абрамов А. А, Мельников В. И. Статистический анализ сигналов акустозондового датчика при диагностике двухфазных потоков. «Техническая диагностика и эксплутационный контроль на АЭС», М.: 1991.
51. Белова A.B., Буравцев А. И., Ковалев М. А., Матвеев С. К. Лабораторный практикум по аэрогазодинамике: Учеб. пособие для вузов.-Л.:Изд-во Ленинградского ун-та, 1980.
52. Анисимов С. А., Рекстин Ф. С., Шкарбуль С. Н. Сравнение малогабаритных трубок статического давления.-" Научно-технический информационный бюллетень", 1959, N12.
53. Пешехонов Н. Ф. Приборы для измерения давления, температуры и направления потока в компрессорах.М., Оборонгиз, 1962 г.
54. Галеркин Ю. Б., Рекстин Ф. С. Методы исследования центробежных компрессорных машин. Изд-во «Машиностроение», 1969 г.
55. Похвалов Ю. Е., Каблин А. И. Измерение вероятностного локального паросодержания в трубе. Теплоэнергетика 1981 г. № 7, стр.34−3 8.
57. Солодкий В. А., Ступина А. Ю. О погрешности определения локального паросодержания способом электрозондирования. Теплоэнергетика № 9 1987г., стр.49−51. '.
58. Бендант Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных величин. М.: Мир, 1989 г.. ', .
59. Преображенский. В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М. Энергия, 1978 г.: .V — «.
60. Егоров В. В., Никанор&в О.Л., Кордюкав П. Г. Экспериментальное исследование процессов межячеечного массообмена. в пучках крестообразных твэлов. //Тезисы докладов третьей нижегородской сессии молодых ученых. Н. Новгород 1998 г. .
61. Дмитриев С. М., Егоров В. В., КордюковЦ.Г. Расчетно-экспериментальные исследования процессов переноса и распределения загрязнений (примесей) теплоносителя, включая отложения на поверхности твэл, в первых контурах реакторных установок с естественной циркуляцией. Отчет по НИР. Депонировано в ВНТИЦ^ Йнв. До04.980 009 550.
62. Никаноров О. Л., Егоров В. В., Кордюков П. Г. Экспериментальное исследование гидродинамики однофазного потока в пучках крестообразных твэлов. //Тезисы докладов, третьей нижегородской сессии молодых ученых. Н. Новгород 1998 г... ,.
63. Дмитриев С. М., Егоров В. В., Никаноров О. Л. Экпериментальное исследование гидродинамики .и межячеечного перемешивания теплоносителя в ТВ С ядерных энергетических установок с естественной, циркуляцией. Отчет по НИР. Депонировано в ВНТИЦ. Инв. № 04.980 009 625.
64. Кордюков П. Г., Егоров В. В., Никаноров О. Л. Экспериментальное исследование гидродинамики ' двухкомпонентного потока в пучках крестообразных твэлов. //Тезисы докладов третьей нижегородской сессии молодых ученых. Н. Новгород 1998 г.
65. Дмитриев С. М., Егоров В. В., Кордюков П. Г. и др. Гидродинамика и межканальное перемешивание однофазного потока в пучках крестообразных твэлов. //Труды Второй Российской национальной конференции по тепломассообмену. Москва 1998 г., т.2, стр. 108^-111.
66. Жуков A.B., Котовский А. Н., Кудрявцева Л. К. и др. // Теплофизика и гидродинамика активной зоны и парогенераторов для быстрых реакторов. ПрагаИздательство ЧСКАЭ> 1978 г., т. 1.
67. Жуков A.B., Сорокин А. П., Матюхин Н. М. Межканальный обмен в TBC быстрых реакторов. М.-Энергоатомиздат, 1989 г,.
