Автореферат (Разработка квазиодномерных моделей гидродинамики и теплообмена двухфазных неравновесных потоков на основе универсальной системы замыкающих функций)

На правах рукописиКОРНИЕНКО ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧРАЗРАБОТКА КВАЗИОДНОМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ГИДРОДИНАМИКИИ ТЕПЛООБМЕНА ДВУХФАЗНЫХ НЕРАВНОВЕСНЫХ ПОТОКОВ НАОСНОВЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЗАМЫКАЮЩИХ ФУНКЦИЙСпециальность:01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехникаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степенидоктора технических наукОбнинск – 20162Работа выполнена в Акционерном обществе «Государственный научный центр Российской Федерации – Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского»в Отделении безопасности ядерно-энергетических установокОфициальные оппоненты:Павленко Александр Николаевич,доктор физико-математических наук, чл.-корр. РАН,заведующий лабораторией низкотемпературнойтеплофизики ФГБУН «Институт теплофизикиим.

С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН»Деревич Игорь Владимирович,доктор технических наук, профессор кафедрыприкладной математики ФГБОУ ВО «Московскийгосударственный технический университетим. Н.Э. Баумана (национальный исследовательскийуниверситет)»Митрофанова Ольга Викторовна,доктор технических наук, профессор кафедрытеплофизики ФГАОУ ВО «Национальныйисследовательский ядерный университет «МИФИ»Ведущая организацияНациональный исследовательский центр«Курчатовский институт»Защита состоится 18 ноября 2016 г. в 10:00 на заседании диссертационного советаД 212.157.04 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» по адресу 111250, г. Москва,ул.

Красноказарменная, д. 17, кор. Т, кафедра Инженерной теплофизики имениВ.А. Кириллина, комн. Т-206.С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке ФГБОУВО «НИУ «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.Автореферат разослан «___» июля 2016 г.Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатьюучреждения, просим высылать по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная,д. 14, Учёный Совет ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».Учёный секретарьдиссертационного совета Д 212.157.04к.т.н.А.К.

Ястребов3Аннотация. Исходным объектом изучения являются процессы гидродинамики и тепло- и массообмена в двухфазных неравновесных турбулентных потоках (ДНТП) с неоднородными (гетерогенными) распределениями параметров в каналах простой исложной формы ЯЭУ с ВВЭР. Предмет и цели исследований состоят в разработкекорректной квазиодномерной формы законов сохранения массы, импульса и энергииДНТП, основанной на интегральных соотношениях в виде параметров распределений(ПР) и факторов формы (ФФ), представляющих собой «свёртки» распределений переменных в радиальном и азимутальном направлениях, возникающих в результатеприменения конечных интегральных преобразований к трёхмерной форме законовсохранения массы, импульса и энергии. По своему физическому и математическомусмыслу ПР и ФФ определяют меру отличия реальных пространственных распределений от равномерных типичных для гомогенного одномерного описания.

Расширены иобоснованы области определения и значений ПР и ФФ, доказано выполнение «принципа соответствия», представлен ряд приложений в системных кодах, а также привыводе обобщённых критериев для границ областей неустойчивости.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫХарактеристика объекта и предмета исследований. Решение задач повышения конкурентоспособности, эффективности и безопасности действующих и проектируемых ЯЭУ с ВВЭР, поставленных в последних федеральных и отраслевыхцелевых программах, зависит от имеющихся концептуальных моделей механикисплошных сред (МСС), которые следует использовать для описания процессов гидродинамики и тепломассообмена в анализах работоспособности оборудования вусловиях высоких тепловых потоков, температур и давлений.Явления, сопровождающие много- (двух)фазные неравновесные турбулентныепотоки (М(Д)НТП), характерные для ряда опасных переходных и аварийных режимов, столь сложны и многообразны, что эксперименты становятся слишком дорогими ограниченным путём их исследований.

Вместе с тем создание реалистичных моделей М(Д)НТП должно опираться на теорию и опытные данные. Эти объективныефакторы привели к возникновению и широкому применению вычислительного эксперимента (computer multi-scale fluid dynamic (CMFD)) – новой, интегрирующейэксперимент и теорию, технологии научных исследований. Соединительной «тканью» между ними является программное обеспечение в виде расчётных кодов. Вэтой триединой структуре исследований физико-математические модели М(Д)НТП4занимают лидирующее положение на всех этапах: от постановки целей, проведенияисследований до анализа результатов НИР. Их численная реализация связана собоснованием характерных пространственно-временных шкал М(Д)НТП, расчётныхсеток (контрольных объёмов (КО)), обеспечивающих оптимальные потребные ресурсы ЭВМ.

Таким образом, укрупнение КО и шага по времени остаётся перманентной проблемой, увязывающей континуальное описание фаз с размерами КО иалгоритмом решения. При разработке таких моделей переноса субстанций (импульса, тепла и массы) внутри фазы и на поверхности раздела наибольшие методическиепроблемы связаны, как с многочисленными 3D интерфейсами и разрывами свойствна них, так и с флуктуациями переменных из-за турбулентности и движения фаз.Эти сложные взаимосвязи приводят к неустойчивости уравнений Навье-Стокса,межфазным волнам и разрывам непрерывности в искомых полях скорости, температуры и концентрации фаз.Так как эти трудности существуют для всех М(Д)НТП, применение локальной3D формулировки для получения решений сильно ограничено, за исключением простейших задач с рассмотрением одного/нескольких пузырей или раздельных течений. Более того, в практических приложениях из-за сложной геометрии проточнойчасти и разнородных граничных условий на элементах ЯЭУ, см.

Рисунок 1, проблемы локального моделирования М(Д)НТП ещё более усложняются.г)в)а)б)Рисунок 1 – Пространственные масштабы элементов ЯЭУ: а) – 3D сектор твэл, б) –дисперсный поток в ТВС, в) – модель эквивалентного канала, г) – фрагмент ЯЭУАктуальность. Несмотря на прогресс в изучении локальных явлений и отдельные успехи CMFD, остаются значительные трудности, связанные с их моделированием и рядом нерешённых проблем методического и вычислительного характе-5ра, стоящих на пути решения систем локальных уравнений и разработки рабочихпрограмм расчёта нестационарных М(Д)НТП в 3D/2D-мерной постановке на масштабах типичных элементов от: субканала до системной модели ЯЭУ.Имеющиеся полуэмпирические рекомендации и основанные на них 1D системные коды («гидравлическое приближение») удобны и экономичны в численныхреализациях, но не могут правильно предсказать поведение ДНТП для дисперсных(пузырьковых и капельных) потоков в условиях высокой неравновесности в переходных и аварийных режимах ЯЭУ.

Физический смысл недостаточности гидравлического приближения связан с неучётом изменения локальных параметров (скоростей, температур фаз и паросодержаний) ДНТП. Поэтому актуальной становитсяпроблема создания эффективного по величине КО, и универсального метода описания ДНТП, учитывающего пространственную распределённость параметров в 1Dмоделях теплогидравлики, используемых в современных методиках расчёта и системных кодах анализа аварийных ситуаций ЯЭУ, переводящего его из 3D в классквазиодномерных (K1М) моделей.Большой вклад в основы теории континуальных М(Д)НТП внесли работы:R.

Lyon, N. Zuber, J.M. Delhaye, M. Ishii, Р.И. Нигматулина, Б.И. Нигматулина, С.С.Кутателадзе, А.И. Леонтьева, Б.С. Петухова, Д.А. Лабунцова. Ими были полученырекомендации для ряда канонических результатов, однако они имели общий характер и не охватывали важные для ЯЭУ неоднородные, гетерогенные профили внеравновесных условиях (например «седлообразных», при кипении с недогревом).Кроме того, и что более важно, отсутствовали модели и аналитические методы учёта таких неоднородностей для коэффициентов трения, тепло- и массообмена, чтоограничивало область применений этих теорий и рекомендаций.Названные выше противоречия и недостатки, подтверждая актуальность стоящих проблем и «пробелы в разработанности» моделей для неравновесных условий,позволяют сформулировать цели работы, а также задачи и этапы их решения.Целями работы являлись: разработка и обоснование адекватных методовпонижения пространственно-временной размерности исходных 3D законов сохранения ДНТП.

Обеспечение на их основе эффективного учёта в К1М физико-6математических моделях, критериях и программах гетерогенных распределенийскоростей, температур и паросодержаний по сечению каналов и сборок ТВС.Основные идеи заключались в применении: 1) современных концепций масштабной инвариантности (скэйлинга и фрактальной размерности), 2) гипотезыобобщённого разделения переменных для решения систем дифференциальныхуравнений в частных производных (ДУЧП) и 3) моделей длинных каналов (пограничного слоя) для описания ДНТП в переходных и аварийных процессах ЯЭУ. Методика проведения исследований – является феноменологической и основывается нааналитических и численных решениях нелинейных ДУЧП. Разработанный К1Мподход близок к существующим в теории сплошных сред интегральным методам.Задачи, решаемые в работе при разработке и обосновании К1М метода.Разработка обобщённых аналитических замыкающих соотношений для параметров распределений (ПР) и факторов формы (ФФ), описывающих профили переменных ДНТП и ответственных за влияния 2D/3D эффектов в КО и на его границахпри переносе потоков импульса, тепла и массы.

Анализ и количественная оценка ПРи ФФ для характерных режимов, обоснование и доказательство ряда новых свойств,полезных для их валидации и верификации. Получение простых и пригодных в численно-аналитических исследованиях и инженерной практике зависимостей и критериев для учёта источников/стоков субстанций в условиях термической и скоростнойнеравновесности ДНТП в коэффициентах трения, тепло- и массообмена.Анализ и сопоставление полученных аналитических соотношений на основеПР и ФФ с имеющимися рекомендациями, моделями и методами решений задачтеплогидравлики ДНТП.