DNS ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВС НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ DNS

ФГУП «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
им. А.П. Александрова»
DIRECT NUMERICAL SIMULATION
DNS
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВС
НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ DNS
Ю.В. ЮДОВ
5-я международная научно-техническая конференция
"Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР"
г. Подольск, 29 мая – 1 июня 2007 г.
1
Физическая область моделирования (без учета ДР)
DNS
Q/2
h
Q
Q/2
Q/2
Q
A
y
x
B
x x
b
I
y
D
Q/2
h
x
Q/2
Q/2
x
b'
Q
a
x
D'
x
Q/2
II
C'
C
a'
x
A'
B'
Q
h
0  x
30
h
Q/2
Поперечное сечение
фрагмента
тепловыделяющей сборки
Сечение моделируемого
канала
2
Система уравнений сохранения
DNS
– уравнение сохранения массы
3 U
l 0
xl
l 1

x1 = x, x2 = h, x3 = z*
– уравнение сохранения количества движения
(в неконсервативной форме)


3 x P
3  3 ls u
um 1 3  um
1
l
m F ,

Ul


T
m

 x
J
xl
Re
J

x

x
t

x
l
 l 1 l s 1
s
l 1
l 1 m
– уравнение сохранения энергии (в консервативной форме)



 
m  1,3 ;
3  3 ls 
   
1

T
 Ul   

J
x 
xs
 Re Pr J l 1 xl s 1
t
l 1 l

1 3

 
3 x
3 x

m u , ml
m  xl ,
Um  J
l
T

J



l 1 xl
s 1 xs xs



w  w,b  ,   qw (Cpw) , t  tw Dh ,
Re 
wDh

3
Модификация уравнения сохранения энергии


df



DNS

  x, h, z  
z    x, h, z 


 dz



f

f 
среднесмешанная температура

 
w  Jdxdh

wb

d f
*
dz

4

wb


wb  w Jdxdh

wb средняя по сечению канала скорость потока

3  3 ls  4w
   
1

T

 Ul   


J
xl 
Re Pr J
xl
xs

t
w
l 1
l 1
s 1
b

1 3

 
4
Численная реализация
DNS
- система уравнений Навье-Стокса и переноса
энергии решается в обобщенных координатах на
частично разнесенной сетке
- конвективные члены аппроксимируются по схеме
против потока пятого порядка точности
- интегрирование уравнений сохранения по времени
осуществляется по трехэтапной схеме Рунге-Кутта
второго порядка точности
- уравнение Пуассона для поля давления решается
многосеточным методом
- реализован параллельный алгоритм на основе
метода декомпозиции области
5
Декомпозиция области
DNS
x
y
z
z
x
x
3
3
4
1
2
4
1
физическое пространство
2
расчетное пространство
 
u  2u
Lu   
aijx1, x2
 2 f

x j  z
i 1 j1 xi 

2 2
6
интенсивность турбулентности
продольная скорость, w+
Распределение гидравлических параметров
20
15
10
5
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
относительное расстояние от стенки
расчет по методике
тест (Япония)
30
3
2
1
0
0
0.2
▲
■
Радиальные профили
продольной скорости
0.4
0.6
0.8
1
относительное расстояние от стенки
расчет по методике тест (Япония)


   
u  u 
  

0
1
DNS
■


   
ur  ur 
  
▲


   
w  w 
  

Распределение интенсивности турбулентности (=15)
7
Вторичное течение ( =-15
0.1
h
u+

)

DNS
x
h
y
x
x
0
x
x
x
h
-0.1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0  x
30
h
1
относительное расстояние от стенки
Распределение
азимутального компонента
скорости (=-15)
Сечение моделируемого
канала
8
плотность теплового потока
Распределение теплового потока вдоль границы
DNS
между ячейками
0.3
0.2
0.1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
относительное расстояние от стенки
' '
(u ) ( )
турбулентный
ламинарный

1


Re Pr x
9
Коэффициенты обмена
DNS
- коэффициент сопротивления в продольном направлении
2
 
  8  wb 
 
- коэффициент межъячеечного турбулентного перемешивания




1



   
dy
qb x  0  u     
    Re Pr x 


3qb x  0



 
2 wb

 
S  D 


- средний коэффициент теплообмена с твэлами , или число Нуссельта (Nu)
Nu 
Dh


Re Pr


w,b  f
расчет по методике


0.0318
3.87 x 10-3
расчет по корреляциям
0.0343
(справочник)
7.3%
3.25 x 10-3
(Kim-Chang)
-16.0%
4.00 x 10
4.70 x 10
Nu
35.9
различие
38.5
-3
(Rogers-Tahir)
-3
(Rogers-Rosenhart) 21.0%
(справочник)
3.0%
6.8% 10
Физическая область моделирования (с учетом ДР)
DNS
h
h
x
h
y
x
h
h
x
x
x
x
x
x
h
h
x
h
Поперечное сечение
фрагмента
тепловыделяющей сборки
x
h
Сечение моделируемого
канала
11
Заключение
DNS
На основе DNS разработана методика определения
коэффициентов межъячеечного перемешивания и
теплообмена с поверхностью стержней установившегося
турбулентного потока в тепловыделяющей сборке с
треугольной упаковкой.
Влияние дистанционирующих решеток не
учитывается.
Методика программно реализована в виде параллельного
алгоритма, основанного на технологии декомпозиции области.
Эффективность параллельного алгоритма составляет 85%.
Проведено тестирование разработанной программы по
имеющимся в литературе данным DNS по гидродинамическим
параметрам.
Получено хорошее согласование по
коэффициентам межъячеечного перемешивания и
теплообмена со значениями, рассчитанными по эмпирическим
корреляциям.
12