Автореферат (Разработка квазиодномерных моделей гидродинамики и теплообмена двухфазных неравновесных потоков на основе универсальной системы замыкающих функций), страница 2

Редукция полученных обобщённых зависимостей к имеющимся в литературе и доказательство выполнения «принципа соответствия».Задачами приложений для К1М моделей являлись: применение полученныхК1М рекомендаций для вывода канонической модели кипения с недогревом; внедрение в коды «улучшенных оценок» RELAP5, TRAC; разработка программ расчётовстационарных и динамических режимов; вывод и валидация обобщённых критериевграниц статической неустойчивости (СН) и неустойчивости волн плотности (НВП) всистеме параллельных парогенерирующих каналов.7Новизна, теоретическая и практическая значимость. Выдвинутые гипотезы позволили в лаконичной и строгой физико-математической форме критериев дляПР и ФФ связать многомерные и одномерные модели и методы описания ДНТП ввиде законченного К1М подхода.

Впервые на основе К1М описания законов сохранения массы, импульса и энергии ДНТП показана фундаментальная роль и иерархическая структура ПР и ФФ как мер учёта влияния гетерогенных профилей переменных и источников/стоков субстанций. Впервые доказаны свойства дополнительности (зеркальной симметрии) обобщённых зубер-подобных ПР, отражающие балансфаз в КО для каналов простой и сложной формы.

Впервые получены обобщённыелайон-подобные интегральные соотношения для коэффициентов трения, тепло- имассообмена в каналах простой и сложной геометрии. ФФ по своему физикоматематическому смыслу являются мерой влияния гетерогенных распределений переменных на классические линейные распределения вязких напряжений, тепла имассы. Впервые выведены обобщённые К1М критерии границ областей СН и НВП,обладающие благодаря ПР и ФФ большей глубиной и областью приложений.

Впервые на основе полученной канонической модели гармонического осциллятора с трением получен критерий границы области НВП, что характеризует его как образцовое, «бэнчмарк» решение.Практическая значимость. Полученные обобщённые K1М аналитическиезамыкающие соотношения для ПР и ФФ обеспечивают более широкую (по сравнению с традиционными, полуэмпирическими) область применения в расчётнотеоретических анализах стационарных и переходных режимов ДНТП, включая коды«улучшенных оценок», используемые в анализах безопасности ЯЭУ. Эти соотношения построены в обобщённых переменных, что позволяет их использовать для прогнозирования теплогидравлических характеристик оборудования в тех областях,экспериментальное исследование которых в настоящее время невозможно или затруднено, в частности, в проектных исследованиях СН и НВП, а также при анализахтеплогидравлики на различных стадиях аварий с потерей теплоносителя в ЯЭУ.

Разработанные расчётные методики и программы: PDKA2 (кипение с недогревом) иНАКРА-К1М (переходные режимы и волны плотности) являются универсальными8рабочими инструментами для исследований неравновесных двухфазных потоков,верификации и кросс-верификации их модельных описаний и средств измерения.Положения и результаты диссертации, выносимые на защиту:1 – нестационарная К1М модель потока дрейфа (МПД), использующая зуберподобные ПР скоростей, температур и объёмных содержаний дисперсной фазы (парили капли), леммы о свойствах дополнительности ПР, а также факторы формы, корректирующие лайон-подобные коэффициенты трения, тепло- и массообмена, являющиеся основой для обоснования К1М моделей ДНТП;2 – полный набор систематизированных иерархически замкнутых аналитических зависимостей ПР и ФФ для К1М уравнений законов сохранения МПД (идвухжидкостного описания) для каналов простой и сложной геометрии типа субканалов ТВС.

Доказаны леммы об интегральных свойствах ПР и проведены их количественные оценки в широком диапазоне режимных условий и геометрий;3 – аналитические модели для коэффициентов трения и теплообмена, описывающие эффекты их аномального увеличения в режимах с повышенной пристеннойконцентрацией дисперсной фазы, используемые для анализов ДНТП при кипении снедогревом и закризисном теплообмене в ЯЭУ, которые впервые обеспечили возможность их адекватного К1М описания;4 – редукция обобщённых К1М соотношений к частным, известным из работR. Lyon, N.

Zuber, M. Ishii, И.И. Новикова–К.Д. Воскресенского, Б.С. Петухова–В.Н.Попова, и других исследователей, подтвердила выполнение предельных переходовпри асимптотическом вырождении влияния ПР и ФФ;5 – вывод канонической формы уравнений неразрывности и энергии ДНТП сквадратурной зависимостью функции конденсации двухзонной модели, универсальный алгоритм и программа расчёта PDKA2 теплогидравлических характеристиктеплоносителя при кипении с недогревом показали превосходство К1М метода всравнении с другими при верификации для сильно неравновесных потоков;6 – проведённые дискриминирующие расчётные тесты кода TRAC-PF1, показали недостаточность его моделей по мере увеличения неравновесных эффектов.Внедрённые в код RELAP5 К1М модели аномальных эффектов трения и теплообме-9на показали лучшие результаты на российских и зарубежных базах данных по сравнению с «замороженной» версией, ошибки которой достигали 1000 %;7 – получены, обоснованы и верифицированы новые критерии границ СН иНВП систем парогенерирующих каналов с подъёмными участками.

Они обобщилиизвестные рекомендации П.А. Петрова (1960), Морозова – Герлиги (1969), Saha –Zuber (1978), Guido – Converti – Clause (1990), Su – Jia – Fukuda – Guo (2002);8 – полная система ПР и ФФ реализована в алгоритмах кода НАКРА-К1Мрасчёта переходных режимов ДНТП в контурах естественной циркуляции (ЕЦ).Достоверность результатов, полученных с помощью К1М методов, подтверждена их проверкой и сопоставлением с существующими альтернативными методами, включая анализ и выполнение «принципа соответствия», а также выводомканонических моделей и образцовых, «бенчмарк» решений.

Научные положениядиссертации построены на основе современной теории сплошных сред, а выводы ирекомендации для К1М моделей обоснованы как со стороны выполнения асимптотических предельных переходов к существующим зависимостям, так и прямым сопоставлением с опытными данными по таким параметрам ДНТП как, аксиальные ирадиальные профили истинного объёмного паросодержания и температур, коэффициенты трения и теплообмена. Результаты верификации и валидации разработанныхК1М моделей при расчётах аномальных эффектов трения и теплообмена, а такжекипения с недогревом показали их превосходство над традиционными методикамидля потоков с высокой неравновесностью.Личный вклад автора. Все основные результаты получены лично авторомдиссертации, включая постановку и разработку теоретических положений, выводыаналитических интегральных форм ПР, ФФ, критериев НВП и расчёты по ним.

Автор участвовал в разработке численных алгоритмов кодов PDKA2 и НАКРА-К1М, атакже имплементации К1М изменений в коды TRAC-PF и RELAP5.Публикации материалов диссертации. По теме диссертации опубликованоболее 40 работ. Из них 23 статьи в ведущих изданиях, входящих в перечень ВАК и 4авторских свидетельства на изобретения; а также более 15 работ в рецензируемыхмеждународных изданиях по материалам конференций.10Апробация работы. Методические и расчётные материалы диссертации былидоложены на отечественных и международных научных конференциях и семинарах,в том числе: на Международных и Межотраслевых конференциях по Теплофизике(Обнинск–1993, 95, 98, 99, 2010, 11, 12, 13, 14, 15); Российской Национальной конференции по Теплообмену, РНКТ–1, 3, 4, 5, 6 (Москва–1994, 2002, 06, 10, 14); Международных Научно-Технических Конференциях «Обеспечение безопасности АЭС сВВЭР», МНТК–2, 3, 5, 7 (Подольск–2001, 03, 07, 11); International Conference NuclearEngineering, ICONE–4, 5, 6, 7, 17, 20 (New Orleans–1996, USA; Nice–1997, France;San Diego–1998, USA; Tokyo–1999, Japan; Brussels–2009, Belgium; Anaheim–2012,USA); International Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics, NURETH–10, 11, 14 (Seoul–2003, Korea; Avignon–2005, France; Toronto–2011, Canada); International Code Assessment Management Program Meetings, CAMP–5, 6, 7, 10 (Espoo–1995, Finland; DaysInn–1995, USA; Madrid–1996, Spain; Budapest–1997, Hungry); 4th International SeminarSub-channel Analysis, ISSCA-4 (Tokyo–1997, Japan); Минский Международный Форум по теплообмену, ММФ-3, 4 (Минск–1996, 2000, Белоруссия); IV-й СибирскийКонгресс по Прикладной и Индустриальной Математике, ИНПРИМ-IV (Новосибирск–2000); International Mechanic Engineering Congress and Exposition of ASME,IMECE2013 (San Diego–2013, USA).Диссертация была доложена на семинарах: кафедры Инженерной Теплофизики МЭИ, 2015 г.; профильных НИИ: Института Теплофизики СО РАН, 2005 г.;ИВТАН, 2006 г.; ИБРАЭ, 2015 г.; Национального Исследовательского Центра –Курчатовский Институт, Отделение физики и моделирования энергетики, 2015 г.Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, семи глав изаключения; содержит: 295 страниц основного текста (85 рисунков и 27 таблиц),список литературы из 328 наименований на 26 страницах, Приложения А–Р на89 страницах (48 рисунков и 12 таблиц).КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении приведена характеристика объекта и предмета исследований.Это 3D процессы гидродинамики и тепломассообмена М(Д)НТП со сложной пространственно-временной топологией поверхности раздела фаз теплоносителя в эле-11ментах ЯЭУ с ВВЭР и их физико-математические модели. Обоснована актуальностьтемы, цели и задачи работы, обеспечивающие разработку и обоснование адекватныхметодов понижения пространственно-временной размерности исходных 3D/2D моделей законов сохранения.

Определены: научная новизна, достоверность, практическая ценность и результаты, выносимые на защиту.Глава 1 посвящена синтезированному и лаконичному обзору современныхметодов моделирования и расчёта теплогидравлики М(Д)НТП, используемых дляанализа переходных и аварийных режимов ЯЭУ. В главе 1 приведены наглядныеэкспертные оценки D. Bestion (2011) потребного числа КО и времени счёта для однофазных задач с помощью различных моделей кодов*) CFD.В разделе 1.1 приведена укрупнённая классификация математических моделейМ(Д)НТП от пространственных фильтров масштаба DNS до эквивалентного диаметра (типичного для 1D кодов, вынесенных в Приложение А), показаны этапы ииллюстрации моделей теплогидравлики ТВС. В разделе 1.2 приведена фундаментальная 4-х полевая 2-х жидкостная формулировка законов сохранения М(Д)НТП имодели замыкающих соотношений для описания турбулентности, удельной плотности интерфейса, локальных компонент межфазного взаимообмена импульсом, теплом и массой, составляющие содержание известных кодов CMFD.

Однако в видувысоких требований к ресурсам ЭВМ, проблемам обоснования численных методови моделей ДНТП эти коды далеки от массового применения в практике НИР дляЯЭУ.Приведённые примеры последовательных упрощений исходной системыДУЧП для различных классов практических приложений позволили систематизировать имеющиеся модели и расчётные коды, как по уровню упрощающих допущений, так и по сути физического описания исследуемых явлений. Отмечается, чтобольшинство трудностей, типичных для численных реализаций многожидкостныхописаний, устраняются в моделях потока дрейфа (МПД), имеющих вид:*)По оценкам D.