Обобщение теории смачивания горячих поверхностей и её

Результаты верификации моделей критического истечения кодов
RELAP5 и MELCOR на экспериментальных данных стенда КС-1
(ЭНИЦ)
Э.Ю. Щепетильников, В.Б. Проклов
ФГУ РНЦ «Курчатовский институт», ИПБИЯЭ, Москва, Россия
СОДЕРЖАНИЕ
ОПИСАНИЕ ПРОБЛЕМЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И БАНК ДАННЫХ
РАСЧЁТНЫЕ МОДЕЛИ
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТОВ
ВЫВОДЫ
1
ОПИСАНИЕ ПРОБЛЕМЫ
 Критическое истечение – один из ключевых процессов,
определяющих развитие аварий с потерей теплоносителя
 Качество моделирования с помощью ТГК в значительной степени
зависит от точности расчёта критического истечения
 Чтобы точно моделировать унос массы и энергии из контура
циркуляции теплоносителя, код должен адекватно воспроизводить
условия непосредственно перед местом течи, то есть, описывать
перенос массы и энергии в примыкающих ячейках (элементах) с
неменьшей точностью
 Точности моделей критического истечения и сопряженных с ними
моделей должны быть сбалансированы с учётом соответствующих
вычислительных потребностей.
2
В современных ТГК реализованы два подхода:
1) общие численные модели:
 прямое численное решение уравнений механики двухфазной среды;
 основная проблема – точность замыкающих соотношений,
описывающих взаимодействие фаз, теплопередачу и трение у стенки;
 сложные физические формулировки и математические методы;
 достаточно высокая точность;
 большие затраты времени на расчёты
2) специальные модели
 более или менее упрощенные модели, основанные на физических
допущениях,
рассматривающих
критический
поток
как
доминирующее явление;
 меньшее число исходных посылок и замыкающих соотношений;
 поправочные коэффициенты и статистические аппроксимации;
 повышенные требования к квалификации пользователей кодов;
 меньший объём вычислений
3
ГЛАВНЫЕ ФАКТОРЫ:
1) термодинамическое состояние теплоносителя и фазовые
переходы и, следовательно, модели кодов, ответственные за их
описание;
2) общая геометрия течи – нодализация и специальные
пространственные модели;
3) использование алгебраических коэффициентов несмотря на
попытки опереться на физические предположения;
4) результаты односкоростных моделей достаточно близки к
результатам двухскоростных моделей.
Критическое истечение - динамическое, но верификация
соответствующих моделей проводится в основном для стационарных
условий с тем, чтобы выделить ключевые параметры и при
моделировании опираться на них.
4
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ КС-1 И
БАНКА ДАННЫХ
Цель КС-1 - эксперименты с критическим и докритическим
течением водяного теплоносителя в стационарных условиях через
различные
системы,
усложнённые
в
геометрическом
и
гидравлическом смыслах.
Стенд КС-1 состоит из сосуда высокого давления с системами
подачи перегретого пара и питательной воды, системами сброса пара
и воды для поддержания давления и уровня, двух незамкнутых ветвей
с двумя рабочими участками и конденсатора.
5
Рабочий участок КС-1 для каналов 8SE и 24SE
1 – трубопровод высокого давления; 2 – монтажная втулка; 3 – рабочий участок; 4
– канал истечения; 5 – фланцы присоединения γ-установок; 6 – вспомогательная
монтажная втулка; 7 – отводящий трубопровод
6
ОСНОВЫНЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕНДА КС-1
Параметр
Теплоноситель
Начальное давление, МПа
Начальная температура, С
Начальное паросодержание
Начальная температура пара, С
Выходное давление, МПа
Максимальный стационарный расход, кг/с
Диаметр наименьшего проходного
сечения канала, мм
Длина канала, м
Относительная длина канала (L/D)
Значение
Вода
0,15 – 9,3
104 – 305
0–1
110 - 400
0,08 – 9,3
23
9,79 – 48,5
0 – 10,02
0 – 500,2
7
 Все известные эксперименты свидетельствуют о зависимости
расходов критического течения от относительной длины канала
(L/d)
 БД ЭНИЦ к тому же доказывает сильную связь между расходом
критического течения и длиной канала
 Стенд КС-1 ЭНИЦ близок к зарубежным экспериментальным
установкам по минимальным проходным сечениям каналов, но
шире по диапазону длин (и относительных длин) каналов
 БД КС-1 содержит удельные массовые расходы в 5985
докритических и критических режимах для 65 каналов различной
геометрии («TUBES», «NOZZLES», «CONE», «EXOTIC»,
«VALVE»)
 Каналы 8, 24 и 30, 49 выбраны для включения в Матрицы
Верификации системных кодов
8
Прямые каналы с острой входной кромкой (№№ 8, 24) выбраны для верификации, так как
они обеспечивают более стабильное течение, чем диафрагмы, и физически моделируют
разрыв вспомогательных трубопроводов, присоединённых к первому контуру реакторной
установки типа ВВЭР
Основные характеристики каналов с острой входной кромкой
Канал
8SE
24SE
d, мм
13,97
9,9
L, мм
14,6
1200,5
L/d
1,045
122,6
Начальное давление P, МПа
1
3,92
8,92
1
3,92
8,92
Time Dependent Volume (P = 1 – 9 MPa)
d
G=w*CSA
106
3200 mm
Каналы 8SE, 24SE,
30RE, 49RE
L
P=0.1 MPa
Общая схема КС-1
9
Каналы №№ 30, 49 добавлены, чтобы подчеркнуть специфику критического течения через
сопловидные каналы – они требуют дополнительных усилий при моделировании
(пространственном разбиении) входной круглой кромки
Основные характеристики каналов с круглой кромкой
Кана dcyl, dedge, Rin,
л
мм
мм
мм
30RE 10,03 10,03 14,0
49RE 20,14 39,60 30,8
Lin, мм
14,0
30,8
Ldif,
мм
0,0
181,7
Lcyl, Lcyl/dcyl Начальное давление P, МПа
мм
0,0
0,0
1
3,92
8,8
967,5 48,04
3,97
8,0
dcyl
106
dedge
Rin
Lin
Lcyl
Ldif
Схема канала с круглой входной кромкой
10
ОПИСАНИЕ РАСЧЁТНЫХ МОДЕЛЕЙ
 Расчётные модели (нодализационные схемы) экспериментального стенда КС-1 для
кодов RELAP и MELCOR были разработаны с использованием такого же подхода к
нодализации как для реактора типа ВВЭР
 Однако для каждого из кодов была учтена его специфика
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ расчётной модели для кода RELAP:
1)
опция одной скорости для всех соединений;
2)
коэффициенты потерь на местных сопротивлениях при резком изменении
проходного сечения равны 1,0;
3)
коэффициенты потерь на местных сопротивлениях при плавном изменении
проходного сечения равны 0,3;
4)
1 объём (ячейка) для объекта типа pipe, моделирующего каналы 8SE и 30RE;
5)
10 объёмов (ячеек) для объекта типа pipe, моделирующего каналы 24SE и 49RE;
6)
шероховатость стенки равна 5,0∙10-5 m;
7)
использование значений «по умолчанию» коэффициентов модели Генри-Фауске
1,0 и 0,14;
8)
использование значений «по умолчанию» коэффициентов модели Рансома-Траппа
1,0, 1,0 и 1,0.
11
Time Dependent Volume #200
Низкое давление
Time Dependent Volume #100
Высокое давление
Pipe #002
Канал истечения
Single junction #001
Канал истечения
Single junction #003
Канал истечения
Нодализационная схема стенда КС-1 для кода RELAP
12
CV1 - Time Specific Volume
Высокое давление
CV3 - Time Specific Volume
Низкое давление
CV2 – Канал истечения
FL1
Соединение
FL2
Соединение
Нодализационная схема КС-1 для кода MELCOR в идеологии кода RELAP
CV3 - Time Specific Volume
Низкое давление
CV1 - Time Specific Volume
Высокое давление
FL1 – Соединение – путь
критического течения
Нодализационная схема стенда КС-1 для кода MELCOR в собственной идеологии
13
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ расчётной модели для кода
MELCOR:
 Нодализация как для кода RELAP
 Нодализация в собственной идеологии - физические каналы с
критическим истечением моделировались как объекты типа Flow
Paths – соединения между двумя объектами типа Control Volume
 Варьирование параметров ввода для описания объекта Flow Path
(FLLEN, IBUBF/T и других существенных KFLSH и SLEN) не
дало изменений в результатах расчётов
 Наиболее важным фактором при моделировании кодом MELCOR
стенда КС-1 оказался FLHGTF (и другие аналогичные,
ответственные за распределение проходного сечения канала
между жидкостью и паром)
14
Результаты расчётов
 Результаты расчётов показаны на рисунках в виде расчётного
коэффициента расхода канала - отношения экспериментального значения
массовой скорости к расчётному, т.е., коэффициента расхода (истечения)
 Экспериментальные данные представлены прямой линией (расходный
коэффициент равен 1)



В поведении результатов расчётов нет очевидных трендов относительно
экспериментальных
данных:
требуемые
значения
расходных
коэффициентов для одной серии “канал/давление” изменяются очень
сильно.
Нет разумных оснований для задания исключительно точной величины
расходного коэффициента для всего диапазона давлений и
паросодержаний.
Конфигурация каналов КС-1 чрезвычайно сложна для моделирования и
очень полезна для разработки адекватной модели критического течения
и последующего внедрения в ТГК.
15
1,6
DB
8/9: HF
8/9: RT
8/9: M
1,5
коэффициент расхода
1,4
1,3
1,2
1,1
1
0,9
0,8
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
массовое паросодержание x
Результаты расчётов канала 8SE, давление - 9 МПа
16
1,3
1,2
коэффициент расхода
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
-0,3
DB
24/9: HF
24/9: RT
24/9: M
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
массовое паросодержание x
Результаты расчётов канала 24SE, давление - 9 МПа
17
1,9
DB
30/9: HF
30/9: RT
30/9: M
1,8
1,7
коэффициент расхода
1,6
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1
0,9
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
массовое паросодержание x
Результаты расчётов канала 30SE, давление - 9 МПа
18
1,1
1
коэффициент расхода
0,9
0,8
0,7
DB
49/8: HF
49/8: RT
49/8: M
0,6
0,5
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
массовое паросодержание x
Результаты расчётов канала 49SE, давление - 8 МПа
19
СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ РАСХОДНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ
(значение слева – модель HF, значение в середине – модель RT, значение справа – модель М)
Канал
1
8SE
24SE
30RE
49RE
Среднее по (x)
P, МПа
4
1,14 / 1,24 / 0,76 1,06 /
1,16 / 1,13 / 0,65 1,03 /
1,22 / 1,23 / 0,93 1,17 /
0,92 /
1,07 /
1,03 /
1,17 /
0,91 /
0,77
0,59
1,02
0,66
Среднее по (x,
P)
8
1,05
1,12
1,12
0,91
/
/
/
/
1,09 /
1,13 /
1,12 /
0,90 /
0,86
0,75
1,03
0,68
1,07
1,08
1,17
0,91
/ 1,10 / 0,80
/ 1,08 / 0,65
/ 1,17 / 1,01
/ 0,91 / 0,67
20
ВЫВОДЫ
1) Лучшая точность - для больших паросодержаний и “коротких” каналов;
2) Худшая точность - при паросодержании, близком к 0;
3) Обе модели кода RELAP демонстрируют практически равную точность с небольшим
преимуществом в пользу модели Генри-Фауске;
4) Каналы с круглой входной кромкой требуют больших усилий при моделировании, чем
каналы с острой входной кромкой, для обеспечения равной точности;
5) Код MELCOR при всех давлениях 1, 3-4, 8-9 МПа показывает равную точность.
РЕКОМЕНДАЦИИ пользователям и разработчикам кодов:
6) Для кода MELCOR - выделять промежуточный контрольный объём, примыкающий к
моделируемому каналу с критическим истечением;
7) Разбивать процесс истечения во времени на фазы – истечение недогретой и
насыщенной воды, истечение двухфазной смеси, истечение сухого пара – для которых
использовать соответствующие расходные коэффициенты;
8) Существенное улучшение качества моделирования критического истечения кодами
RELAP и MELCOR можно получить, если на уровне моделей принять меры по учёту
реальной геометрии каналов (особенно ”длинных”), положения критической плоскости
и условий непосредственно перед ней внутри каналов и метастабильности
истекающего теплоносителя, особенно жидкой фазы.
21