Письменний, Євген МиколайовичФілонов, Владислав Віталійович2023-05-042023-05-042023Філонов, В. В. Прогнозування режимів погіршеного теплообміну в перспективних реакторах IV покоління з надкритичними параметрами теплоносія : дис. … д-ра філософії : 143 – Атомна енергетика / Філонов Владислав Віталійович. – Київ, 2023. – 242 с.https://ela.kpi.ua/handle/123456789/55291Філонов В.В. Прогнозування режимів погіршеного теплообміну в перспективних реакторах IV покоління з надкритичними параметрами теплоносія. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 143 - Атомна енергетика. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена розробці на основі експериментальних даних спеціальних процедур та інструментів для оцінки режимів погіршеного теплообміну в активній зоні перспективних реакторів IV покоління – водяних реакторів з надкритичними параметрами теплоносія. У вступі обґрунтовано актуальність розробки спеціальних процедур, подано загальну характеристику роботи, сформульована її мета, основні задачі, об’єкт та предмет досліджень, наведена наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, представлено інформацію про особистий внесок здобувача та апробацію роботи, її структуру та обсяг. У першому розділі приведений критичний огляд сучасного стану досліджень теплообміну при надкритичних параметрах стану теплоносія. Розглянуті основні фізичні аспекти погіршення теплообміну, а також складність структурних досліджень течії. Розглядаються сучасні напрацювання з використання DNS методів. Наведений сучасний стан застосування методів обчислювальної гідродинаміки (CFD) для прогнозування нелінійних задач теплообміну при надкритичних параметрах, а також проблеми відокремлення феномену погіршення тепловіддачі від умов ядерного обігріву у контексті перспективних активних зон. На основі літературного огляду сформульовано мету та завдання дослідження. Другий розділ присвячений адаптації методу передаточної матриці (ТММ) для аналізу нелінійних термо-гідравлічних процесів при надкритичних параметрах теплоносія. Сформовані базові принципи лінеаризації та чисельного розв’язання вихідної системи рівнянь. Запропонований метод фактично знімає обмеження на вид кореляцій для чисел Ейлера та Нусельта і має покращену стабільність як при застосуванні неявних кореляцій так і при перехідному процесі. Розроблений метод може інтерпретуватися як основа сучасних теплогідравлічних кодів для обґрунтування безпеки перспективних реакторних установок. Третій розділ присвячений розширенню можливостей методів одновимірної теплогідравліки, які детально описані у другому розділі, шляхом введення диференційних функцій для визначення процесів інтенсивності дисипації та теплообміну. Здійснено логічний перехід від управляючих рівнянь одновимірного підходу до двовимірної осесиметричної постановки у вигляді моделі «вузького каналу». Запропонований альтернативний вигляд для функціональної залежності дотичних напружень, що дозволило підвищити стабільність методу. Завдяки застосуванню понять «базової» та «коригуючої величини, які введені у другому розділі, для отриманої системи вдалося побудувати розв’язок у вигляді суми ряду, коефіцієнти розкладу якого визначаються за допомогою ефективної чисельної процедури. Наведені результати валідації свідчать, що запропонований підхід дозволяє прогнозувати особливості структури течії при погіршеному теплообміні, при значному скороченні розрахункових ресурсів у порівнянні з CFD. Особливістю підходу є те, що він аналогічно і до ТММ дозволяє зняти практично всі обмеження на вигляд та структуру функціональних залежності для турбулентних характеристик, та дозволяє оперувати як з локальними параметрами так і з середньомасовими характеристиками. Четвертий розділ присвячений проблемі адаптації існуючого універсального чи спеціалізованого інструментарію теплогідравлічного аналізу для нелінійних задач теплообміну при надкритичних параметрах теплоносія при погіршенні тепловіддачі. Розглянуті складності прогнозу нелінійного теплообміну при надкритичних параметрах інженерними методами розрахункової гідродинаміки. Запропоновано простий спосіб адаптації двозонної температурної пристінкової функції Кадера на основі існуючих зондових досліджень для двоокису вуглецю. Обговорюється проблема імплементації в універсальні пакети обчислювальної гідродинаміки CFD, яка базується на способі вибору опорної координати пристінкової зони для визначення динамічної швидкості та безрозмірної температури. На прикладі ANSYS CFX показаний один із способів створення спеціальної користувальницької процедури, яка має покращену тенденцію щодо прогнозу аксіального профілю температури при погіршеному теплообміні. У розділі проведено калібрування та валідацію отриманих результатів на основі експериментальних досліджень для вертикальних труб та стержневих збірок імітаторів твел. Також обговорюються особливості запропонованої імплементації, та сформовані рекомендації для застосування та подальшого удосконалення інженерних підходів для прогнозування погіршення теплообміну при надкритичних параметрах теплоносія. П’ятий розділ присвячений розробці спеціального інструментарію для прогнозу режимів теплообміну з надкритичними параметрами теплоносія в умовах ядерного обігріву. Для цього було виконано спряження теплогідравлічної частини, яка описана у розділі 2 та 3, за рахунок сполучення поля тиску та введення інтегральних характеристик потоку з нейтронофізичною задачею. Розроблений спеціальний інтерфейс спряження із зональною моделлю тепловиділяючого елемента (твел), в якій джерело енерговиділення є результатом розв’язку нейтронофізичної задачі при наперед заданих умовах критичності системи. З метою оптимізації спряжених розрахунків сформовані параметричні профілі енерговиділення, які отримані за допомогою MCNP4C, які сполучаються із чарунковим кодом WIMS5b. У розділі розглянуті особливості прогнозу режимів теплообміну в умовах ядерного обігріву, а також вплив форми погіршеного теплообміну на критичність системи. У шостому розділі наведені результати оцінки стаціонарного стану перспективного реактора ECC-SMART із застосуванням підходів, які описані у розділах 2-5. Побудована еквівалентна теплогідравлічна схема для попередньої оцінки енерговиділення в тепловиділяючих збірках (ТВЗ). Розглянуті питання імплементації коефіцієнтів переносу та енерговиділення в пристінковій зоні на основі спеціальної пристінкової функції (розділ 4) та оцінок спряженого коду (розділ 5). Застосовані методи дозволили в десятки разів скоротити дискретизацію повної CFD моделі перспективного реактора, де проточна частина активної зони виконана досить точно. Наукова новизна одержаних результатів. В роботі наведені результати, які отримані вперше, а саме: Побудована адаптація методу передаточної матриці для задач неізотермічної теплогідравліки при екстремально-нелінійній поведінці теплофізичних властивостей теплоносія. На основі введених понять «базової» та «коригуючої» змінних побудовані аналітичні функції елементу, які дають можливість отримати точний розв’язок для абстрактних величин. Запропоновано спосіб сумісного розв’язання диференційних та трансцендентних рівнянь, які дозволяють підвищити надійність розрахунків режимів нелінійного теплообміну із застосуванням неявних, неоднозначних кореляцій. Адаптовано надійні методи, які побудовані для одновимірної теплогідравліки, для двовимірної постановки у наближенні «вузького каналу» із застосуванням модифікованого визначення турбулентного переносу, яка базується на нелінійній алгебраїчній моделі турбулентності. На основі диференційних функцій інтенсивності дисипації енергії та теплообміну, а також поля тиску побудоване 1D-2D спряження запропонованих методів, що дозволило отримати підхід, який вміщає в собі переваги системних кодів та CFD, оскільки дозволяє оперувати як з локальними, так і з інтегральними характеристиками потоку. Запропонована проста адаптація двозонної температурної пристінкової функції, показано особливості її імплементації в пакети обчислювальної гідродинаміки. Наведені результати її застосування для прогнозування режимів погіршеного теплообміну. На основі розробленої спеціальної процедури спряження теплогідравлічної та нейтронофізичної задачі виконана оцінка впливу погіршеного теплообміну на критичність системи, що дозволило судити про особливості переходу через критичну температуру в умовах ядерного обігріву. Побудовані параметричні функції профілів енерговиділення, які є характерними для теплообміну при надкритичних параметрах в умовах ядерного обігріву.242 с.ukтеплообмінгідродинамікатурбулентній потіктурбулентна в’язкістьнадкритичні параметрипогіршений теплообмінпсевдо-фазовий перехідполе швидкостітертягідравлічний опірпідйомна силатемпературатемпературне полеаналітичний розв’язокчисельний експериментсистемний аналізСFDТММпограничний шарактивна зонанадійністьчисло Рейнольдсачисло Нуссельтаheat transferhydrodynamicsturbulent flowturbulent viscositysupercritical parametersdeteriorated heat transferpseudo-phase transitionvelocity fieldfrictionhydraulic resistancebuoyancy forcetemperaturetemperature fieldanalytical solutionnumerical experimentsystem analysisboundary layerreactor coresafetyReynolds numberNusselt numberThesis Doctoral621.039.524.44