Разработка модели турбулентного теплопереноса для жидкометаллического натриевого теплоносителя и её верификация

Авторы

  • Сергей Александрович Рогожкин Открытое акционерное общество «Опытное Конструкторское Бюро Машиностроения им. И.И. Африкантова»
  • Андрей Александрович Аксенов Общество с ограниченной ответственностью «ТЕСИС»
  • Сергей Васильевич Жлуктов Общество с ограниченной ответственностью «ТЕСИС»
  • Сергей Леонидович Осипов Открытое акционерное общество «Опытное Конструкторское Бюро Машиностроения им. И.И. Африкантова»
  • Марина Леонидовна Сазонова Общество с ограниченной ответственностью «ТЕСИС»
  • Илья Дмитриевич Фадеев Открытое акционерное общество «Опытное Конструкторское Бюро Машиностроения им. И.И. Африкантова»
  • Сергей Федорович Шепелев Открытое акционерное общество «Опытное Конструкторское Бюро Машиностроения им. И.И. Африкантова»
  • Владимир Васильевич Шмелев Общество с ограниченной ответственностью «ТЕСИС»

DOI:

https://doi.org/10.7242/1999-6691/2014.7.3.30

Ключевые слова:

модель турбулентного теплопереноса, натриевый теплоноситель, программный комплекс, разнотемпературные потоки, реактор на быстрых нейтронах

Аннотация

Рассматривается проблема численного моделирования процессов тепломассопереноса в реакторах на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем с помощью коммерческих Computational Fluid Dynamics (CFD) программных комплексов. Показано, что используемая в большинстве моделей турбулентности аналогия Рейнольдса не позволяет учитывать особенности теплопереноса в жидкометаллическом теплоносителе. Представлены результаты по разработке модели турбулентного теплопереноса LMS (Liquid Metal Sodium), учитывающей специфику натриевого теплоносителя. Это удалось сделать за счёт включения в систему уравнений модели выражения для турбулентного числа Прандтля, введения поправки, учитывающей гравитационную анизотропию турбулентного теплового потока, и тепловой пристеночной функции. Модель реализована в CFD коде FlowVision, совместима смоделями турбулентности, и может применяться как в высокорейнольдсовых (с пристеночными функциями), так и в низкорейнольдсовых (без пристеночных функций) расчётах течения натрия. Выполнена верификация модели LMS на основе данных, полученных на стенде TEFLU (Карлсруэ, Германия), предназначенном для экспериментального моделирования процессов перемешивания разнотемпературных потоков натриевого теплоносителя. Опытным путём исследовано три режима течения: со свободной конвекцией, переходный и с вынужденной конвекцией. Для этих режимов представлены результаты численного моделирования, полученные посредством коммерческих CFD программных комплексов ANSYS CFX, Star-CD, Fluent, FlowVision с моделью LMS и без неё. Показано, что результаты, полученные в программном комплексе FlowVision с моделью LMS, лучше согласуются с экспериментальными данными, чем результаты, полученные в других программных комплексах.

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.

Библиографические ссылки

Roelofs F., Gopala V.R., Van Tichelen K., Cheng X., Merzari E., Pointer W.D. Status and future challenges of CFD for liquid metal cooled reactors // Int. Conf. on Fast Reactors and Related Fuel Cycles: Safe Technologies and Sustainable Scenarios. FR13, Paris, France, March 4-7, 2013. - 11 p.
2. Grotzbach G. Challenges in simulation and modeling of heat transfer in low-Prandtl number fluids // The 14th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics. NURETH-14, Toronto, Canada, September 25-29, 2011. - 33 p.
3. Grotzbach G., Carteciano L.N. Validation of turbulence models in the computer code FLUTAN for free hot sodium jet in different buoyancy flow regimes. - Forschugszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe, FZKA 6600, 2003. - 34 p.
4. Wolters J. Benchmark Activity on the TEFLU Sodium Jet Experiment. - Forschungszentrum Jülich GmbH, FZJ, 2002. - 66 p.
5. Зайцев А.М., Семенов В.Н., Швецов Ю.Е. Математическое моделирование смешения разнотемпературных струй методом CABARET // Вычисл. мех. сплош. сред. - 2013. - Т. 6, № 4. - С. 430-437. DOI
6. Knebel J.U., Krebs L., Muller U., Axcell B.P. Experimental investigation of a confined heated sodium jet in a co-flow // J. Fluid Mech. - 1998. - Vol. 368. - P. 51-79. DOI
7. Sommer T.P., So R.M.C., Lai Y.G. A near-wall two-equation model for turbulent heat fluxes // Int. J. Heat Mass Tran. - 1992. - Vol. 35, no. 12. - P. 3375-3387. DOI
8. Nagano Y., Kim C. A two-equation model for heat transport in wall turbulent shear flows // J. Heat Transfer. - 1988. - Vol. 110, no. 3. - P. 583-589. DOI
9. Launder B.E. On the effects of a gravitational field on the turbulent transport of heat and momentum // J. Fluid Mech. - 1975. - Vol. 67, no. 3. - P. 569-581. DOI
10. РБ-075-12 Руководство по безопасности. Расчетные соотношения и методики расчета гидродинамических и тепловых характеристик элементов и оборудования ядерных энергетических установок с жидкометаллическим теплоносителем, 2012.
11. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.
12. Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD. - DCW Industries, Inc., 1994. - 460 p.
13. Жлуктов С.В., Аксёнов А.А., Харченко С.А., Москалёв И.В., Сушко Г.Б., Шишаева А.С. Моделирование отрывных течений в программном комплексе FlowVision-HPC // Вычислительные методы и программирование. - 2010. - Т. 11, № 1. - С. 234-245.
14. Осипов С.Л., Рогожкин С.А., Фадеев И.Д. Сопоставление результатов теплогидравлических расчетов по CFD кодам с данными бенчмарк-эксперимента TEFLU // Научно-техническая конференция Теплофизика-2011: Сб. докладов, Обнинск, 19-21 октября 2011 г. - Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ, 2013. - Т. 2. - С. 377-390.
15. Buono S., Maciocco L., Morean V., Sorrentino L. CFD Simulation of a Heated Round Jet of Sodium (TEFLU Benchmark). - CRS4-Technical Report 00/86, 2001. - 20 p.

Загрузки

Опубликован

2014-10-10

Выпуск

Том 7 № 3 (2014)

Раздел

Статьи

Лицензия

Copyright (c) 2014 Вычислительная механика сплошных сред

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Как цитировать

Рогожкин, С. А., Аксенов, А. А., Жлуктов, С. В., Осипов, С. Л., Сазонова, М. Л., Фадеев, И. Д., Шепелев, С. Ф., & Шмелев, В. В. (2014). Разработка модели турбулентного теплопереноса для жидкометаллического натриевого теплоносителя и её верификация. Вычислительная механика сплошных сред, 7(3), 306-316. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2014.7.3.30