Исследование гидродинамических характеристик и процессов смешения потока теплоносителя в ТВС-квадрат реактора PWR

1.

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И
ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК И ПРОЦЕССОВ СМЕШЕНИЯ
ПОТОКА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТВС-КВАДРАТ
РЕАКТОРА PWR С ТУРБУЛИЗИРУЮЩИМИ
РЕШЕТКАМИ
Шмелёва Дарья Александровна
Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент
Бородин Сергей Сергеевич
Нижний Новгород, 2017 год

2.

Общий вид ТВС-КВАДРАТ реактора PWR
Головка
Тепловыделяющие
элементы
Пояс
перемешивающей
решетки
Пояс перемешивающей дистанционирующей решетки
Хвостовик
2

3.

Схема экспериментального стенда
4
5
6
7
8
9
3
2
10
1
1 – ЭВМ; 2 – базовый блок коммутации/измерения Agilent 34980A; 3 – преобразователи давления
САПФИР-22Р; 4 – пятиканальный пневмометрический зонд; 5 – статические отборы; 6 –
экспериментальная модель; 7 – успокоительный участок; 8 – вентилятор высокого давления;
9 – буферная емкость; 10 – преобразователь частоты Hitachi L300P–450HFE2
3

4.

Экспериментальная модель – фрагмент ТВС-Квадрат
активной зоны реактора PWR
4

5.

Пояса перемешивающих дистанционирующих решеток ЭМ
Дефлектор типа «9 мм/25°/86,7 мм2»,
базовый дефлектор
Дефлектор типа «9 мм/25°/93,7 мм2»
Дефлектор типа «9 мм/25°/105,1 мм2»
Дефлектор типа «9,5 мм/25°/120,8 мм2»
5

6.

Расположение зон измерения гидродинамических
характеристик потока теплоносителя ТВС-Квадрат
б)
а)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
X
47
48
49
50
51
52
53
55
56
57
58
59
60
54
в)
3000
а) поперечное сечение
модели
б) начало координат
в) сечения измерения
по длине
1070
Wz
50
70
100
150
200
250
300
400
530
- Перемешивающая дистанционирующая решетка
700
900
- Дистанционирующая решетка
6

7.

Зависимость коэффициента местного гидравлического сопротивления
поясов ПДР с различными типами дефлекторов от числа Re
о
2
ПДР с дефлектором типа "9мм/25 /86,77мм "
о
2
ПДР с дефлектором типа "9мм/25 /93,7мм "
о
2
ПДР с дефлектором типа "9мм/25 /105,1мм "
о
2
ПДР с дефлектором типа "9,5мм/25 /120,8мм "
1.5
Тип решетки и дефлектора
1.4
ПДР
1.3
ПДР
ПДР с дефлектором типа
1.2
«9 мм/25°/86,7 мм2»
1.1
ПДР с дефлектором типа
«9 мм/25°/93,7 мм2»
0,95
1,01
1
ПДР с дефлектором типа
«9 мм/25°/105,1 мм2»
0.9
1,03
ПДР с дефлектором типа
0.8
2
3
4
5
Re,10
6
7
8
9
10
«9,5 мм/25°/120,8 мм2»
1,07
4
7

8.

Зависимость коэффициента местного гидравлического
сопротивления ПДР ТВС-Квадрат от площади дефлектора
8

9.

Векторное поле в регулярной ячейке
на расстоянии L/dг=1,3 за ПДР
а) дефлектор типа «9 мм/25°/86,7 мм2»; б) дефлектор типа «9 мм/25°/93,7 мм2»;
в) дефлектор типа «9 мм/25°/105,1 мм2»; г) дефлектор типа «9,5 мм/25°/120,8 мм2»
9

10.

Зависимость длинны жизни вихря в регулярной ячейке
ТВС-Квадрат от площади дефлектора
10

11.

Гидродинамические характеристики потока теплоносителя
за ПДР с дефлекторами различных конструкций
Зависимость интенсивности направленных турбулентных течений
между соседними ячейками и длины затухания возмущений потока
11
теплоносителя от площади дефлектора

12.

Схема для определения параметра межъячейкового обмена
Fmix
Vcross
1 Vcross
dy
S
U
S
Fmix – параметр межъячейкового обмена,
S – зазор между твэлами,
Vcross – компонента скорости теплоносителя
dy
V
через границу между ячейками,
Y
U – средняя скорость теплоносителя по
сечению ячейки в направлении потока.
V
X
X
dx
V
V
Y
12

13.

Схема для определения параметра завихренности потока
Fvortex _ moment
Vlateral
r
2
r
VlateralUlocal dr
2
RS rU local
dr
Vlateral – тангенциальная составляющая
скорости теплоносителя,
U local – локальная аксиальная компонента
RS
скорости теплоносителя,
r – радиальное расстояние от центра до
точки, в которой измеряются скорости
V
теплоносителя,
lateral
dr
Rs
V
RS – минимальное расстояние от центра
lateral
V
V
ячейки до поверхности стержня.
lateral
lateral
13

14.

Результаты оценки эффективности ПДР ТВС–Квадрат
с дефлекторами различной конструкции
а) – зазоры, по которым осреднялись
значения параметра межъячейкового
обмена ( Fmix ) для регулярной ячейки;
б) – диагонали, по которым
осреднялись значения параметра
завихренности потока ( Fvortex _ moment )
для регулярной ячейки;
14

15.

Результаты оценки эффективности ПДР ТВС–Квадрат
с дефлекторами различной конструкции
«9 мм/25°/86,7 мм2» - L/dг ≈ 11
«9 мм/25°/93,7 мм2» - L/dг ≈ 5
«9 мм/25°/105,1 мм2» - L/dг ≈ 3
«9,5 мм/25°/120,8 мм2» - L/dг ≈ 1,5
Значения параметра завихренности потока ( Fvortex _ moment )
для регулярной ячейки ТВС-Квадрат
15

16.

Результаты оценки эффективности ПДР ТВС–Квадрат
с дефлекторами различной конструкции
Значения параметра межъячейкового обмена ( Fmix )
для регулярной ячейки ТВС-Квадрат
16

17.

Оценка эффективности ПДР ТВС-Квадрат
с различными типами дефлекторов
Тип решетки и
дефлектора
ПДР с дефлектором типа
«9 мм/25°/86,7
S эф
Изменение S эф
относительно
базового типа ПДР
дефлектора, %
Изменение
Изменение
ПДР
Fmix
относительно F
mix
относительно
базового типа
базового типа
дефлектора, %
дефлектора, %
0,95
0,146
0,139
мм2»
ПДР с дефлектором типа
0,122
-19,9 %
1,01
+5,9 %
0,123
-12,8 %
0,157
+6,6 %
1,03
+7,8 %
0,161
+13,9 %
0,196
+25,2 %
1,07
+10 %
0,209
+34%
«9 мм/25°/93,7 мм2»
ПДР с дефлектором типа
Fmix- параметр
межъячейкового
обмена для регулярной
ячейки,
ПДР – коэффициент
местного
гидравлического
сопротивления
перемешивающей
дистанционирующей
решетки
«9 мм/25°/105,1 мм2»
ПДР с дефлектором типа
«9,5 мм/25°/120,8 мм2»
17

18.

Зависимость «Коэффициента эффективности ПДР» (Sэф)
от площади дефлектора
18

19.

Заключение
Результаты экспериментальных исследований локальной гидродинамики теплоносителя
за перемешивающими дистанционирующими решетками с различными типами
дефлекторов в области регулярных ячеек позволили выявить следующие особенности
течения теплоносителя в ТВС-Квадрат реактора PWR:
1) при увеличении площади дефлектора на ≈ 30% происходит незначительное изменение
коэффициента местного гидравлического сопротивления поясов ПДР;
2) за любым из исследуемых типов дефлекторов ПДР возникают локальные вихри в
пределах ячеек и направленные турбулентные течения между ячейками кассеты согласно
ориентации дефлекторов. Интенсивность направленных турбулентных течений между
соседними ячейками и длина затухания возмущений потока теплоносителя за различными
дефлекторами ПДР при одинаковом угле их наклона относительно осевого направления
движения теплоносителя зависит от профиля дефлекторов и площади перекрытия
дефлекторами проходного сечения ячеек ТВС-Квадрат;
3) увеличение площади перекрытия дефлекторами проходного сечения ячеек ТВС Квадрат
приводит к росту интенсивности турбулентных течений между соседними ячейками и
увеличению длины затухания возмущений потока теплоносителя, а также к уменьшению
длины жизни вихря;
4) из всех исследуемых типов дефлекторов ТВС-Квадрат максимальным значением
«Коэффициента эффективности ПДР» обладает дефлектор наибольшей площади, так как
увеличение площади дефлектора относительно базового более, чем на 10 % приводит к
значительному росту межъячейкового перемешивания теплоносителя.
Результаты исследования гидродинамических характеристик и процессов
смешения потока теплоносителя в ТВС-Квадрат реактора PWR с турбулизирующими
решетками приняты для практического использования в АО «ОКБМ Африкантов» для
оценки эффективности перемешивающих дистанционирующих решеток ТВС-Квадрат
реактора PWR и их дальнейшей модернизации.
19

20.

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И
ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК И ПРОЦЕССОВ СМЕШЕНИЯ
ПОТОКА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТВС-КВАДРАТ
РЕАКТОРА PWR С ТУРБУЛИЗИРУЮЩИМИ
РЕШЕТКАМИ
Шмелёва Дарья Александровна
Научный руководитель – кандидат технических наук
Бородин Сергей Сергеевич
Нижний Новгород, 2017 год