Внедрение технологий «предсказательного моделирования» позволит существенно сократить сроки проектирования при одновременном снижении стоимости и повышении качества проектов реакторных установок. Применение таких технологий поможет достичь принципиально более высокого уровня технических характеристик и безопасности реакторов за счет обоснования и внедрения новых режимов работы и оптимизации отдельных элементов конструкции, основанных на детальном анализе всех протекающих процессов.
Использование программ CFD
Проведение «предсказательного моделирования» в приемлемые календарные сроки возможно лишь на ЭВМ с массовым параллелизмом и использованием программных пакетов, предназначенных для эффективного решения таких задач на тысячах и десятках тысяч процессоров.
В настоящее время в ОАО «ОКБМ Африкантов» широко используются коммерческие программные пакеты расчета CFD для решения задач численного моделирования течения изотермических потоков в сложных элементах конструкции – насосах, коллекторах, клапанах, дросселях и т.д. CFD-расчеты позволяют получить их гидравлические характеристики без экспериментальной отработки. В противном случае она необходима, так как использование справочных данных для сложных элементов конструкции приводит к значительным погрешностям. Примеры результатов использования программ CFD для описания неизотермических потоков приведены в документах [1-2].
Спецификой атомной энергетики, накладывающей дополнительные требования на расчетные модели и области применения программ CFD, являются неадиабатные режимы течения, существенно определяющие модель эксплуатации и ресурс отдельного оборудования. Описание неадиабатных неизотермических потоков является относительно новым и еще не до конца освоенным направлением использования CFD-программ. Среди класса задач численного моделирования неадиабатных потоков особую методическую сложность представляют задачи естественной или смешанной конвекции. В этих режимах движение потока осуществляется под действием силы тяжести и обусловлено разностью плотностей горячего и холодного теплоносителей. Интерес к этим режимам с точки зрения расчетного моделирования обусловлен тем обстоятельством, что в режимах естественной конвекции возникают пульсации температур и скоростей теплоносителя в потоке, что существенно определяет ресурс оборудования.
Задача моделирования процессов естественной конвекции (особенно температурных пульсаций) еще более усложняется практическим отсутствием ранее выполненных экспериментальных исследований в этой области. Экспериментальные работы были посвящены определению интегральных значений коэффициентов теплопередачи, локальные же характеристики потока не определялись в силу методической сложности постановки эксперимента и анализа полученных данных.
Расчетно-экспериментальные исследования
В ОАО «ОКБМ Африкантов» ведутся работы по адаптации программ CFD к описанию неизотермических потоков, в том числе в условиях стратификации теплоносителя.
С целью апробации моделей CFD-кодов проведены расчетно-экспериментальные исследования на стенде, моделирующем элементы трубопровода. На рисунке 1 представлено нестационарное стратифицированное температурное поле теплоносителя в трубопроводе.
Рис. 1. Распределение температуры теплоносителя в экспериментальном участке трубопровода
Сравнение расчетных и экспериментальных данных в характерных точках установки термопреобразователей (рис. 2) свидетельствует об адекватности моделирования стратифицированных течений с помощью CFD.
Рис. 2. Сравнение расчетных и экспериментальных данных
Рис. 3. Распределение температуры теплоносителя на границе раздела «металл – теплоноситель»Выполненные работы имеют важное практическое значение для анализа и обоснования ресурса трубопроводов системы компенсации давления реакторных установок. Система компенсации давления обеспечивает необходимые характеристики паропроизводящей установки в процессе эксплуатации, является одной из важнейших систем, определяющих ресурсную надежность, безотказность и безопасность установки в целом.
Использование CFD-программ позволило выполнить расчетный анализ смешения неизотермических потоков теплоносителя в напорной камере реактора и на входе в активную зону перспективной реакторной установки при отключении части оборудования парогенератора (рис. 3). Такой анализ обеспечил обоснование уровня ограничения мощности, подготовку исходных данных для анализа теплотехнической надежности активной зоны реактора, условий работы датчиков температуры, прочности корпусных конструкций, а также оптимизацию конструкции смесителя.
Ожидаемый эффект от внедрения суперкомпьютерных технологий
Развитие суперкомпьютерных технологий позволяет существенно повысить уровень знаний о протекании теплофизических процессов в элементах оборудования. Повышение точности расчетов приведет к снижению затрат на разработку, повышению надежности и безопасности изделий.
Внедрение таких технологий будет способствовать повышению уровня научно-технического обоснования, что необходимо для обеспечения конкурентоспособности инновационных проектов атомных станций различного назначения и возможности разработки установок нового поколения с наименьшими затратами.
«Предсказательное моделирование» позволит существенно сократить объем дорогостоящих натурных экспериментов. Кроме того, применение суперЭВМ обеспечит обоснование продления сроков эксплуатации действующих объектов использования атомной энергии.
Литература
- Большухин М.А., Будников А.В., Свешников Д.Н. Применение методов вычислительной гидродинамики в проекте РУ для АЭС средней мощности / Доклад на XI Международном семинаре «Супервычисления и математическое моделирование», г. Саров, Нижегородской обл., 5-9 октября 2009 года.
- Большухин М.А., Будников А.В., Свешников Д.Н. Применение методов вычислительной гидродинамики при проектировании теплообменного оборудования / Доклад на III Школе-семинаре ученых и специалистов «Моделирование аварий на ядерных энергетических установках», п. Ильино, Володарского р-на Нижегородской обл., 5-9 октября 2009 года.
