CFD výpočtový model bazénu pro skladování použitého paliva na JE Temelín a jeho validace Ondřej Burian Pavel Zácha Václav Železný ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav energetiky
NUSIM 2013
Co je to CFD ? CFD → Computational Fluid Fynamics Odvětví mechaniky tekutin, které využívá numerického řešení a matematických algoritmů k výpočtu složitých úloh proudění, přenosu tepla a hmoty Použití: jaderná energetika, chemické inženýrství, letectví, automobilový průmysl, sport …
Úvod • TES s.r.o – CFD výpočtový model bazénu skladování vyhořelého paliva (BSVP) na JE Temelín ⇒ Analýzy rozložení teploty v bazénu skladování vyhořelého paliva v normálních a abnormálních provozních stavech • Léto 2011 – měření vertikálních teplotních profilů během odstávky 1.bloku JE Temelín • Jaro 2012 – validace CFD modelu na základě naměřených dat na FS ČVUT • Podzim/zima 2012 – tvorba nového podrobnějšího modelu a jeho validace
Popis bazénu skladování vyhořelého paliva a poloha míst měření vertikálních teplotních profilů • Celkový objem 1050 m3 (14,5 m x 6 m 15,5 m) • Skladování použitého paliva v kompaktních skladovacích mřížích • Rozdělení na tři sekce – B01, B02, B03
Popis CFD modelu bazénu skladování vyhořelého paliva • • • • • •
Počet buněk omezen na 1 milion – výpočtové časy Velké objemy buněk – průměrná délka hrany řádově 100 mm Použití převážně strukturované sítě Sdílení tepla stěnami zanedbáno – adiabatická stěna Sdílení tepla hladinou uvažováno – 0,9 kW.m-2 V horní části byla nastavena oblast s laminárním prouděním
Popis CFD modelu bazénu skladování vyhořelého paliva • Značné zjednodušení modelu oproti předloze • Skladovací mříže modelovány porézní zónou
Validační výpočet CFD modelu skladování vyhořelého paliva Problém s divergencí výpočtu • Velký objem buněk modelu • Velmi malé rychlosti proudění Řešení ⇒ Výpočet po etapách s různým nastavením řešiče, v horní části modelu nastaveno laminární proudění
Segregovaný šešič („pressure based“) - předvýpočet
Implicitní šešič („density based“) – finální výpočet
Validační výpočet CFD modelu skladování vyhořelého paliva Finální strategie výpočtu iterační interval
přesnost výpočtu
řešič turbulencí
„Courantovo číslo“
0 – 5 000
normální
„pressure based“
-
5 000 – 50 000
„double precision“
„pressure based“
-
50 000 – 100 000
„double precision“
„density based“
0,5
100 000 – 130 000
„double precision“
„density based“
2
40 39 38 37 36 t [°C] 35 34 33 32 31 30 0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
iterace [-]
Výpočet byl proveden na 8 čtyřjádrových procesorech AMD Opteron 8354, 2,2GHz. Délka výpočtu 1040 hodin strojového času.
Výsledky validačního výpočtu CFD modelu BSVP
Rozložení teploty ve vertikálním řezu BSVP – rovina v1c
Výsledky validačního výpočtu CFD modelu BSVP 37.00 36.00 35.00 34.00 33.00 t [°C] 32.00 31.00 30.00 29.00 28.00 0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
h [m] B01
B02
B03
Průběhy teploty ve středech jednotlivých sekcích po výšce
16.00
Porovnání vypočítaných a naměřených hodnot 37 36 35 34 33 t [°C] 32 31 30 29 28 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3 h [m]
mm5' - ANSYS Fluent
mm5' - naměřeno
Vypočítané a naměřené vertikální teplotní profily v měřícím místě MM 5´
3.5
4
4.5
5
5.5
6
Analýza rozložení teploty v rohových výřezech – okolí měřících míst 38 37 36 35 34 t [°C] 33 32 31 30 29 28 0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0 h [m]
mm5´
mm5´xS
mm5´x
mm5 - naměřeno
Vypočítané a naměřené vertikální teplotní profily v měřícím místě MM 5´
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
Závěr Poznatky o přesnosti CFD modelu BSVP na základě validace jsou shrnuty do následující bodů • V oblasti výřezů ve skladovacích mřížích je výpočtový model popsán nedostatečně • V oblasti skladovacích mříží lze předpokládat dobrou shodu modelu a reálného zařízení • V oblasti nad skladovacími mřížemi byly prokázána dobrá shoda modelu a reálného zařízení Pro zlepšení přesnosti CFD modelu BSVP byla stanovena následující doporučení • Lepší nastavení sdílení tepla mezi výřezy a skladovací mříží • Zjemnění sítě v oblasti výřezů • Nalezení a aplikace modelu turbulencí, který by lépe postihoval dané podmínky proudění
Závěr Na základě předchozích zjištění byl vytvořen modifikovaný model: • Přepracovaná struktura sítě v oblasti výřezů • Zcela přepracovaná sekce B01 – modelování skladovací mříže po jednotlivých palivových souborech • Vymodelovaná mezera mezi skladovací mříží a stěnou bazénu Modifikovaný model vykazoval po odladění mnohem lepší shodu s naměřenými hodnotami něž původní model
Děkuji za pozornost
