Исследование динамики течений двухфазных смесей в циркуляционных контурах АЭС с помощью трехмерного теплогидродинамического кода С.Д. Калиниченко, А.Е. Крошилин, В.Е. Крошилин, А.В. Смирнов ОАО ВНИИАЭС, Москва, Россия

Назначение и возможности кода БАГИРА Разработанная во ВНИИАЭС программа БАГИРА – трехмерный теплогидродинамический код улучшенной оценки, описывающий нестационарную динамику пароводяных потоков в циркуляционных контурах АЭС. Код БАГИРА является универсальным программным средством, т.е. он способен моделировать течения с произвольными геометрическими характеристиками (одно-, двух- и трехмерные), причем, расчетные области различной мерности легко объединяются в рамках единой расчетной сетки Основным предназначением кода БАГИРА служит детальное моделирование работы АЭС и анализ их безопасности.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 1. Смесь состоит из жидкой и газообразной (пар + неконденсирующийся газ) фаз. 2. Смесь не равновесна по температуре: температуры фаз могут отличаться друг от друга и от температуры насыщения. 3. Смесь не равновесна по скорости. Реализованы две версии расчета скоростей фаз: (а) модель дрейфа; (б) модель, использующая два уравнения для импульсов фаз. 4. Рассматриваются нестационарные, трехмерные (где это необходимо) течения смеси. 5. Описывается перенос до 6 компонентов в газовой и 6 компонентов в жидкой фазе.

Применяется эффективная полунеявная численная схема, позволяющая проводить расчеты в режиме реального времени при использовании многомерной нодализации 1. Баланс массы для смеси 2. Баланс массы для жидкости 3. Баланс массы для неконденсирующегося газа 4. Баланс энергии для смеси 5. Баланс энергии для газовой фазы 6. Уравнение импульса для смеси (модель дрейфа) или два уравнения импульса для жидкой и газовой фаз ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ

ТРЕХМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ Особенности описания трехмерных эффектов Код БАГИРА изначально разрабатывался на основе трехмерной модели, пригодной для описания различных режимов течения: 1.Все векторные величины имеют по три компоненты, например, дивергенция произвольного вектора есть 2. Все переменные зависят от трех пространственных координат 3. Учитывается турбулентный тепло- и массообмен. Расчет турбулентного перемешивания производится на основе модели Прандтля

ТРЕХМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ Изменение расхода теплоносителя в одной или нескольких петлях Работа энергоблока на неполном числе петель Нарушение условий теплоотвода со стороны II контура Внесение положительной или отрицательной реактивности в ограниченный сектор активной зоны Отказ части спринклерных систем безопасности Тяжелые аварии с локальными разрушениями активной зоны Эксперименты и численный анализ показывают, что учет трехмерных эффектов становится существенным в следующих режимах:

Код БАГИРА прошел подробную верификацию на базе 1.Экспериментов по исследованию отдельных явлений 2.Экспериментов на интегральных стендах 3.Экспериментов на действующих АЭС 4.Сопоставления с расчетами, выполненными по другим кодам В 2006 г. код БАГИРА был лицензирован в ГАН РФ ВЕРИФИКАЦИЯ КОДА БАГИРА

Моделируются все существенные системы АЭС Расчеты ведутся в режиме реального времени Необходимо адекватное описание большого количества взаимосвязанных физических процессов Необходимо обеспечить приемлемую точность расчетов при грубой нодализации и/или больших шагах по времени Код БАГИРА используется в тренажерах для моделирования теплогидродинамики I контура и корпусов ПГ Одномерная модель для трубопроводов I контура Трехмерная модель для корпуса реактора Двумерная модель для корпусов ПГ ТРЕНАЖЕРНАЯ МОДЕЛЬ РУ С ВВЭР-1000

Нодализация корпуса реактора Горизонтальная плоскость (xy) : 7 7 = 49 ячеек ( 37 активных) Высота (ось z): 7 ячеек Полное количество активных ячеек: 37 7 = 259 ТРЕНАЖЕРНАЯ МОДЕЛЬ РУ С ВВЭР-1000

Нодализация трубопроводов I контура Каждая из четырех петель моделируется отдельно. Полное количество одномерных ячеек – 36 ТРЕНАЖЕРНАЯ МОДЕЛЬ РУ С ВВЭР-1000

Нодализация корпуса ПГ Используется двумерная модель корпуса ПГ: продольные градиенты параметров считаются малыми по сравнению с поперечными Такая модель позволяет адекватно описать наиболее важные особенности поперечной циркуляции теплоносителя Каждый из четырех ПГ моделируется отдельно Полное количество активных двумерных ячеек: 45 4 = 180 ТРЕНАЖЕРНАЯ МОДЕЛЬ РУ С ВВЭР-1000

Давление в I контуре Уровень воды в компенсаторе давления Сценарий: t = 0 с: отключается ГЦН в петле 2; мощность реактора падает с 100% до 66% t = 100 с: отключается ГЦН в петле 3; мощность реактора падает с 66% до 40% ТРЕНАЖЕРНАЯ МОДЕЛЬ РУ С ВВЭР-1000 Моделирование переходных режимов Последовательное отключение двух ГЦН из четырех работающих (блок 3 Запорожской АЭС)

ТРЕНАЖЕРНАЯ МОДЕЛЬ РУ С ВВЭР-1000 Моделирование переходных режимов Температура теплоносителя в «горячих» (T h ) и «холодных» (T c ) нитках петель Петля 1 Петля 2 Петля 3 Последовательное отключение двух ГЦН из четырех работающих (блок 3 Запорожской АЭС)

ТРЕНАЖЕРНАЯ МОДЕЛЬ РУ С ВВЭР-1000 Моделирование переходных режимов Профиль температуры теплоносителя над АЗ после отключения двух ГЦН Распределение температуры теплоносителя существенно не однородно Максимум температуры смещен к области врезки петель с действующими ГЦН Подобная картина наблюдается операторами АЭС (хотя прямых экспериментальных данных нет) Последовательное отключение двух ГЦН из четырех работающих (блок 3 Запорожской АЭС)

3D ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ МОДЕЛЬ ПГВ-1000 Схема ПГ 1- трубный пучок; 2 – холодный коллектор; 3 – горячий коллектор; 4 – коридоры; 5 – дырчатый лист с погруженными щитами; 6 – граница корпуса ПГ; 7 – коллектор питательной воды; 8 – главный паровой коллектор

3D ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ МОДЕЛЬ ПГВ-1000 Нодализационная схема ПГ 1- трубный пучок; 2 – холодный коллектор; 3 – горячий коллектор; 4 – коридоры; 5 – дырчатый лист с погруженными щитами; 6 – граница корпуса ПГ; 7 – коллектор питательной воды Расчетная сетка: 20 (X) 19 (Y) 17(Z). Полное число активных ячеек: 4119

Расчетное распределение параметров теплоносителя в корпусе ПГ в стационарном состоянии на 100% мощности Объемная скорость смеси Центральное продольное горизонтальное сечение Центральное поперечное вертикальное сечение 3D ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ МОДЕЛЬ ПГВ-1000

Объемное паросодержание 3D ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ МОДЕЛЬ ПГВ-1000 Расчетное распределение параметров теплоносителя в корпусе ПГ в стационарном состоянии на 100% мощности Центральное продольное вертикальное сечение Центральное поперечное вертикальное сечение

Сопоставление результатов расчета и экспериментов (стационарное состояния ПГ на 100% мощности) ПараметрРасчетЭксперимент (Агеев и др., 1987) Эксперимент (Трунов, 1990) 0,270,3- 0,43 - 0,460,45- 0,530,76- 0,851,0- 0,780,7- 0,821,0- 0,600,55- 0,410,450,4 0,590,55- 0,560,5- 0,440,52- w1w1 1,06 м/с1,0 м/с- w2w2 0,16 м/с0,1 м/с- w3w3 0,31 м/с0,35 м/с0,3 м/с w4w4 0,53 м/с0,65 м/с0,55 м/с w5w5 0,3 м/с 3D ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ МОДЕЛЬ ПГВ-1000

Сопоставление результатов расчета и экспериментов (стационарные состояния ПГ при различных уровнях мощности)

Аварийный процесс начинается в момент времени t = 0 с. Причина аварии – разрыв горячего коллектора в нижней части корпуса ПГ (диаметр отверстия D = 0,15 м) Упрощающие предположения: Параметры теплоносителя в I контуре (температура, давление, паросодержание) в ходе аварийного процесса остаются постоянными и равными их начальным (номинальным) значениям Расход подачи питательной воды и отвода пара зависят только от текущих значений положения уровня и давления в корпусе ПГ. Работа систем безопасности не учитывается 3D ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ МОДЕЛЬ ПГВ-1000 Моделирование гипотетической аварии: разрыв горячего коллектора внутри корпуса ПГ

Моделирование гипотетической аварии: разрыв горячего коллектора внутри корпуса ПГ Распределение объемного паросодержания в вертикальном продольном сечении ПГ между коллекторами в различные моменты времени 3D ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ МОДЕЛЬ ПГВ-1000

t = 0 с t = 1 с t = 5 с 3D ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ МОДЕЛЬ ПГВ-1000 Моделирование гипотетической аварии: разрыв горячего коллектора внутри корпуса ПГ Распределение объемного паросодержания в вертикальном пеперечном сечении ПГ между коллекторами в различные моменты времени

ЗАКЛЮЧЕНИЕ БАГИРА – универсальный теплогидродинамический код улучшенной оценки для моделирования многомерных двухфазных течений в циркуляционных контурах АЭС в стационарных, переходных и аварийных режимах работы Одной из главных особенностей кода БАГИРА является сочетание трехмерности математической модели с возможностью поводить расчеты в режиме реального времени Код БАГИРА может эффективно использоваться как для исследовательских задач, так и в тренажерах для АЭС