Оптимизация размеров ТВС для перспективной энергетической установки (ПЭК)

На основе выполненных детализированных измерений скорости, напряжения трения, давления при течении жидкости в ТВС с дистанционирующими решетками (ДР). создана база оцененных данных для применения при разработке новых ТВС ПЭК с жидкометаллическим теплоносителем и верификации кодов вычислительной гидродинамики (CFD).

Создана база оцененных данных для применения при разработке новых ТВС ПЭК с жидкометаллическим теплоносителем и верификации кодов вычислительной гидродинамики (CFD). Матрица измерений включала в себя: два типа ДР – 7 и 37 ячеек, высота ДР – 5, 10, 20, 30 мм; толщина материала ДР – 0.25; 0.3; 0.4; 0.5, 0.6 мм; относительный шаг расположения стержней в ТВС – 1.2; 1.3; 1.4; 1.45; диаметр стержней – имитаторов ТВЭЛа – 9, 10, 15 мм. Разработаны, отлажены и использованы для изучения гидродинамики течения в ТВС с ДР методики измерения скорости течения в межканальных и межячеистых промежутках в поперечном сечении центрального стрежня – имитатора ТВЭЛа и трения на поверхности центрального стержня – имитатора ТВЭЛа. На стендах ИТ СО РАН с универсальным рабочим участком представляющем собой 7-и и 37-и ячеистые фрагменты модели – имитатора ТВС проведено детальное экспериментальное исследование влияния диаметра стержней – имитаторов ТВЭЛа, относительного шага расположения стержней, формы, высоты, толщины материала ДР, гексагонального и квадратного расположения стержней – имитаторов ТВЭЛа на течение теплоносителя в каналах ТВС, в том числе влияния ДР на возмущение течения.

Выполнены измерения: перепада давления на ДР, ТВС; осевой скорости течения теплоносителя вокруг стержня и в ячейках между соседними стержнями, пульсационных значений скорости; напряжения трения по периметру стрежня – имиатора ТВЭЛа, пульсаций напряжения трения. Измерения выполнены для ламинарного, переходного и турбулентного течения теплоносителя, диапазон изменения числа Рейнольдса 500–50000. Определена область течения, где возмущение, вносимое решеткой, максимальное. Показано, что в этой области распределения осевой скорости и напряжения трения по периметру стержня существенно неравномерны. Определено, что это возмущение течения вызывает возрастание гидравлического сопротивления сборки стержней, увеличение перепада давления по высоте ТВС. Получены обобщающие графики по влиянию шага расположения стержней, азимутального угла на неравномерность распределения касательного напряжения по периметру имитатора ТВЭЛа с учетом дистанционирующей решетки. Измерения, проведенные на 7- и 37-стержневой модели ТВС с решетками одинаковой конструкции, но разной высоты и толщины материала решетки показали, что наибольшее влияние на гидравлическое сопротивление дистанционирующей решетки оказывает её высота. Из-за особенностей ячейковой конструкции дистанционирующих решеток и их изготовления, влияние толщины материала, из которого изготовлена решетка на гидравлическое сопротивление с меньше, чем влияние высоты. Данные, полученные при вариации шага стержней и их диаметра, показали, что влияние шага расположения стержней на неравномерность распределения напряжения трения по периметру стержня и осевой скорости начинает сказываться при значениях меньше, чем 1.3. При более высоких относительных шагах расположения стержней распределение напряжения трения по периметру стержня и скорости однородное. Влияние диаметра стержня на неравномерность аксиального распределения трения на стенке стержня и осевой скорости проявляется вблизи дистанционирующей решетки. С ростом расстояния вниз по потоку от дистанционирующей решетки, это влияние пропадает.

Оптимизация ТВС с точки зрения уменьшения гидравлического сопротивления должна выполняться с учетом сокращения длины затухания возмущений, вносимых в поток ДР, неравномерностей в распределении скорости течения в поперечном сечении ТВС в том числе возникающих под влиянием установки периферийных элементов. Определены оптимальные с точки зрения баланса между жесткостью ТВС и величиной гидравлического сопротивления геометрические параметры ТВС и ДР.

ИТ СО РАН, чл.-корр. РАН Прибатурин Николай Алексеевич, с.н.с., к.т.н. Лобанов П. Д., г.н.с., д.ф.-м.н. Кашинский О.Н., с.н.с., д.ф.-м.н. Рандин В.В.,  м.н.с. Курдюмов А.С., н.с. Чинак А.В. ,  м.н.с. Воробьев М.А., инж. Светоносов А.И., инж. Волков С.М., инж. Евдокименко И.А., тел.: +7 (383) 316-55-47.