Математическое и компьютерное моделирование конвективного теплообмена в топливных кассетах ТВЭЛов при различной форме и упаковке стержней

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2022.01.040
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Выпуск Том 25, № 1, 2022 (март)
Страницы 40–54

 

Авторы

К. В. Максименко-Шейко, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: m-sh@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0002-7064-2442

Т. И. Шейко, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: sheyko@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0003-3295-5998

Д. А. Лисин, Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина (61022, Украина, г. Харьков, площадь Свободы, 4), e-mail: d.lisin@karazin.ua, ORCID: 0000-0002-6718-7389

Т. Б. Дудинов, Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина (61022, Украина, г. Харьков, площадь Свободы, 4), e-mail: tima.dudinov@gmail.com, ORCID: 0000-0001-8365-0516

 

Аннотация

Работа состоит из трёх разделов и носит информационно-обобщающий характер с указанием перспективных направлений дальнейших исследований. Первый раздел «Метод R-функций в математическом моделировании конвективного теплообмена в топливных кассетах с ТВЭЛами» посвящён применению новых конструктивных средств метода R-функций для математического и компьютерного моделирования упаковок ТВЭЛов с различными типами симметрии, а также изучению конвективного теплообмена в решетках ТВЭЛов и влияния вида упаковки на распределение скорости и температуры. Рассмотрена восьмигранная кассета с 37 ТВЭЛами, упакованными по трем схемам: циклической, шахматной и коридорной. Отмечено, что при построении уравнений кассеты с пучками ТВЭЛов по новой методике количество R-операций и, соответственно, время расчета существенно уменьшаются. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что при циклической упаковке получаем максимальную температуру. Рассмотрена также схема реактора, кассеты которого представляют собой шестигранные кожухи, где в каждом размещены по 91 ТВЭЛу как с шахматной, так и с циклической упаковкой. Во втором разделе «Теплогидравлический расчет кассет ТВЭЛов при нарушении симметрии упаковки стержней» рассмотрена шестигранная топливная кассета с 169 ТВЭЛами и шахматной упаковкой. Проанализировано повышение температуры в случае нарушения симметрии упаковки при сохранении параллельности стержней, а также в случае искривления одного из них. В третьем разделе «R-функции, ТВЭЛ с полизональным оребрением оболочки и теплообмен при движении жидкости» внимание акцентируется на построении уравнений различных поверхностей оребрения ТВЭЛов и исследовании гидродинамических и температурных полей при полизональном оребрении оболочки. При этом, используя аппарат тензорного анализа, осуществлён переход в криволинейную неортогональную (винтовую) систему координат. Отмечено, что математическое моделирование и связанный с ним компьютерный эксперимент незаменимы в тех случаях, когда натурный эксперимент невозможен или затруднен по тем или иным причинам. Кроме того, работа с математической моделью процесса и вычислительный эксперимент дают возможность относительно быстро и без существенных затрат исследовать свойства и поведение процесса в различных ситуациях. Достоверность методов, результатов и выводов подтверждена сравнением со сведениями, приведенными в литературе, результатами анализа численной сходимости решений и вычислением невязки.

 

Ключевые слова: ядерный реактор, кассета, ТВЭЛ, метод R-функций, тип симметрии упаковки, оребрение оболочки.

 

Полный текст: загрузить PDF

 

Литература

  1. Тарапон А. Г. Причина аварии на Чернобыльской АЭС. Моделирование процессов разрушения реактора и теплопроводности в объекте «Укрытие». Киев: Институт проблем моделирования в энергетике им. Г. Е. Пухова НАН Украины, 2006. 183 с.
  2. Петухов Б. С., Генин Л. Г., Ковалев С. А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. Москва: Атомиздат, 1974. 367 с.
  3. Слесаренко А. П., Котульский Д. А. Регионально-аналитический и вариационные методы в решении сопряженных задач конвективного теплообмена. Тепломассообмен ММФ-2000. Труды IV Минского международного форума (Беларусь, Минск, май 2000). Минск: ИТМО АН Беларуси. 2000. Т. 3. С. 135–142.
  4. Maksimenko-Sheyko K.V., Sheyko T. I., Uvarov R. A. The R-functions method in mathematical modeling of convective heat transfer in fuel cartridge with fuel rods. Problems of atomic science and technology. Series: Nuclear Physics Investigations. 2013. Vol. 60. Nо. 3 (85). P. 205–209.
  5. Максименко-Шейко К. В., Толок А. В., Шейко Т. И. Сопряженная задача конвективного теплообмена в топливной кассете ТВЭЛов. Информационные технологии. 2013. № 11. С. 32–36.
  6. Kolyada R. A., Maksymenko-Sheiko K. V., Sheyko T. I. R-functions method in the mathematical modeling of convective heat exchange in an octahedral fuel assembly with 37 fuel elements. Journal of Mathematical Sciences. 2019. Vol. 238. Iss. 2. P. 154–164. https://doi.org/10.1007/s10958-019-04225-w.
  7. Рвачев В. Л. Теория R-функций и некоторые ее приложения. Киев: Наук. думка, 1982. 552 с.
  8. Максименко-Шейко К. В. R-функции в математическом моделировании геометрических объектов и физических полей. Харьков: ИПМаш НАН Украины, 2009. 306 с.
  9. Maksymenko-Sheiko K. V., Sheiko T. I. R-functions in mathematical modeling of geometric objects with symmetry. Cybernetics and Systems Analysis. 2008. Vol. 44. Iss. 6. P. 855–862. https://doi.org/10.1007/s10559-008-9061-5.
  10. Андреев П. А., Гремилов Д. И., Федорович Е. Д. Теплообменные аппараты ядерных энергетических установок / под ред. Н. М. Синева. Ленинград: Судостроение, 1969. 352 с.
  11. Sheyko T. I., Maksymenko-Sheiko K. V., Uvarov R. A., Khazhmuradov M. A. The thermal-hydraulic calculation in a fuel cartridge when the symmetry of fuel rods packing is broken. Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear Physics Investigations. 2019. Vol. 71. No. 3 (121). P. 74–79. https://doi.org/10.46813/2019-121-074.
  12. Антуфьев В. М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. Москва-Ленинград: Энергия, 1966. 184 с.
  13. Максименко-Шейко К. В., Шейко Т. И. R-функции, ТВЭЛ с полизональным оребрением оболочки и теплообмен при движении жидкости. Вестник Запорожского национального университета. Физико-математические науки. 2017. № 1. С. 277–285.
  14. Максименко-Шейко К. В., Литвинова Ю. С., Шейко Т. И., Хажмурадов М. А. Математическое моделирование теплообмена при течении жидкости для ТВЭЛА с полизональным оребрением оболочки. Проблемы машиностроения. 2017. Т. 20. № 4. С. 58–63. https://doi.org/10.15407/pmach2017.04.058.
  15. Лісін Д. О. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір № 45951. Комп’ютерна програма «Система візуалізації та побудови сітки на поверхні геометричних об’єктів, які описані за допомогою математичних засобів теорії R-функцій «RFPreview». 2012.

 

Поступила в редакцию 21.02.2022