TEPLOTNÍHO POLE V MEZIKRUHOVÉM VERTIKÁLNÍM PRŮTOČNÉM KANÁLE OKOLO VYHŘÍVANÉ NEREZOVÉ TYČE Autoři: Ing. David LÁVIČKA, Ph.D., Katedra eneegetických strojů a zařízení, Západočeská univerzita v Plzni, e-mail:
[email protected]
Anotace: Tento článek se zabývá numerickou simulací proudění kapaliny v mezikruhovém průtočném kanále okolo vyhřívané tyče. Do průtočného kanálu jsou vloženy distanční mřížky, které ovlivňují charakter proudu chladící kapaliny a přestup tepla z nerezové tyče do chladící kapaliny. Numerická simulace umožňuje popsat teplotní pole v průtočném kanále představující model palivové tyče jaderného reaktoru.
Annotation: This paper deals with numerical simulation to analyze the flow field in the annular channel area around the model of a heated rod (fuel rod). In the flow annular flow field are included spacer, which influence the flow field characteristics and heat transfer from stainless steel to cooling water. This numerical simulation makes possible to describe thermal flow field in the channel at the model of fuel nuclear rod. .
Úvod Hlavní problematikou u palivové proutku je dvoufázové proudění s nestacionárním přestupem tepla. Dvoufázové proudění je speciální případ proudění, kdy proudící médium obsahuje dvě složky s odlišnými materiálovými a fyzikálními vlastnostmi. V tomto případě se jedná o proudění směsi kapaliny a plynu. Hlavní problematikou je vznik plynových bublinek, které ovlivňují proudění a přestup tepla z vyhřívané stěny do okolí. Poměry při přestupu tepla na svazcích tyčí a při změně fáze chladiva jsou velmi složité a lokálně velmi proměnlivé. Přenos tepla do chladiva způsobuje změnu fází, režim proudění a tím i hydrodynamických charakteristik, které zpětně ovlivňují přestup tepla. Vlivem velkého počtu palivových proutků a distančních mřížek se proudění plně nestabilizuje a chování proudu je ovlivněné tzv. historií proudu.
Výpočetní model Výpočetní geometrie vychází z rozměrů skutečného palivového proutku v jaderném reaktoru používaného také na experimentálním zařízení pro studium dvoufázového proudění. Popis výpočetního modelu s umístěním distanční mřížky a základními rozměry průtočného kanálu s nerezovou trubkou je popsán na obr.1. V programu GAMBIT byly ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 1
vytvořeny 3 výpočetní sítě pro 3 různé tvary distančních mřížek. Jednotlivé tvary distančních mřížek jsou uvedeny také na obr. 1. Základem modelu je plocha s tvarem distanční mřížky promítnutá kolmo na vstupní plochu. Na této ploše je vytvořena povrchová síť pomocí quad elementů. Počet povrchových elementů se na ploše pohybuje okolo 25000. Příklad povrchové sítě distanční mřížky je zobrazen na obrázku č. 1. Objemová síť byla vytažena, ze základní plochy s promítnutým tvarem distanční mřížky, pomocí funkce „cooper“ (obdoba funkce sweep) v programu GAMBIT. Počet elementů na výšku je rozdělen nerovnoměrně s větším zahuštěním buněk v místě distanční mřížky a jejím bezprostředním okolím. Objemová síť je tvořena cca 1,3 miliónem buněk. výstup
Ø14.5 mm Ø9,1 mm
nerezová trubka
10 mm
vyšetřovaný mezikruhový kanál
VAR 01
230 mm
350 mm
distanční mřížka
skleněná trubice
VAR 02
VAR 03
vstup (voda)
Obrázek 1: Model palivové tyče a jednotlivé tvary distančních mřížek v průtočném kanále
Numerická simulace Okrajové podmínky pro numerickou simulaci jsou popsány na obrázku 1. Ve spodní části průtočného kanálu je definována vstupní okrajová podmínka mass-flow-inlet pro zadání průtočného množství. Průtočné množství bylo nastaveno na 0,0007kg/s, které v přepočtu odpovídá cca 2,5l/hodinu. Na výstupu byla nastavena okrajová podmínka pressure-outlet. Proudícím médiem je voda, ale nastavená pro různé tlakové podmínky, které se přibližují reálným podmínkám v jaderném reaktoru. Numerická simulace byla řešena pomocí CFD softwaru FLUENT. Numerická simulace byla rozdělena do několika kroků, které nám zlepšují stabilitu a přesnost výpočtu. Výpočet byl spuštěn jako izotermní proudění s modelem turbulence „RSM – Low-Reynolds Stress-Omega“ v prvním řádu přesnosti. Poté byla na modelu nastavena teplota stěny na nerezové trubce a distanční mřížce. Teplota stěny byla zvolena 370K (cca 97°C). Parametry vody nebyly zadány pro atmosférický tlak, a proto se voda při této teplotě nenachází v okolí bodu varu. ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 2
Pro ustálení rychlostního a teplotního pole bylo napočteno 300 časových kroků s časovým krokem 0,02s. Konečné výsledky k porovnání distančních mřížek byly získány z nestacionárního režimu s ustředěnými hodnotami v druhém řádu přesnosti. Ustředěné hodnoty byly získány z 200 časových kroků..
Výsledky Souhrn důležitých charakteristických údajů a výsledků je uveden v tabulce 1. Důležitým údajem je tlaková ztráta, která byla zjišť ována odečtením tlaku před mřížkou a za mřížkou. Dále byla zjišť ována hodnota součinitele místní ztráty. Zajímavým výsledkem je ustředěná průměrná teplota na ploše uvnitř mezikruhové kanálu v oblasti s distanční mřížkou.
velikost sítě tlaková ztráta
VAR 01 1 365 120 buněk
VAR 02 1 294 240 buněk
VAR 03 1 342 000 buněk
0.125 Pa
0.156 Pa
0.148 Pa
0.00763 m/s 346.5 K
0.00782 m/s 351.4 K
0.00771 m/s 346.9 K
4.6
5.3
5.2
na mřížce
rychlost vy* teplota T* součinitel místní ztráty ξ* Reynoldsovo číslo
138
Tabulka 1: Charakteristické údaje a výsledky k vybraným distančním mřížkám Z uvedených výsledků je patrné, že nejmenší odpor vykazuje distanční mřížka označená jako VAR 01 a naopak distanční mřížka s největším odporem je VAR 02. Chladícím médium, voda, v oblasti distanční mřížky VAR 02 je nejvíce urychlována oproti ostatním variantám. Tato mřížka také vykazuje největší prohřátí chladící kapaliny na průřezu mezikruhové kanálu. Teplota na průřezu kanálu je oproti ostatním variantám o 5K vyšší. 350
320 oblast distanční mřížky
319
345
318
Teplota [K]
Teplota [K]
340 335 330 325
317 316 315 314
320 0,15
oblast distanční mřížky
313 0,17
0,19
0,21
0,23
0,25
0,27
0,29
0,31
0,33
0,35
od vstupu Ł k výstupu …výška mezikruhového kanálu [m]
VAR 01 mřížka
VAR 02 mřížka
0,15
0,17
0,19
0,21
0,23
0,25
0,27
0,29
0,31
0,33
0,35
od vstupu Ł k výstupu …výška mezikruhového kanálu [m]
VAR 03 mřížka
VAR 01 mezera
VAR 02 mezera
VAR 03 mezera
Obrázek 2: Průběh teploty podél kanálu ve dvou měřících bodech pro různé geometrie mřížek ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 3
Grafy na obrázku 2 popisují teplotní průběh po výšce mezikruhovým kanálem. Pro srovnání jednotlivých distančních mřížek byly zvoleny 2 měřící body. Měřící bod č.1 se nachází v tzv. „teplejším místě“. Tento bod je z jedné strany obklopen nerezovou vyhřívanou trubkou a distanční mřížkou. Bod č.2 byl zvolen v tzv. „studenějším místě“, které je z jedné strany obklopeno skleněnou trubicí a z druhé strany distanční mřížkou. Oba body leží na shodné kružnici, která prochází zhruba středem těchto vymezených oblastí. Poloha distanční mřížky v kanále je označena šedou tečkovanou čárou na x-ových souřadnicích 0.230 a 0.240mm. Mezi oběma měřícími body lze pozorovat značný rozdíl v teplotách v jednotlivých oblastech. Bod č.1 oproti bodu č.2 vykazuje teplotu zhruba o 25K vyšší. Tato skutečnost je způsobena větším ochlazováním chladící tekutiny přes skleněnou trubici do okolí mimo model palivové tyče. Za zvláštní pozornost stojí chování teplotního pole v oblasti distanční mřížky. V tomto místě dochází k ohřívání chladícího média pomocí turbulizace proudu vloženou distanční mřížkou.
0.02
360
0.015
340
0.01
320
VAR 01 mezera rychlost
0.02
360
0.015
340
0.01
320
VAR 02 mezera rychlost
0.005
300
VAR 01 mřížka rychlost
380
VAR 02 mezera teplota VAR 02 mřížka teplota
VAR 01 mřížka teplota
0 0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
300
VAR 02 mřížka rychlost
VAR 01 mezera teplota
30.00
35.00
40.00
45.00
0 0.00
280 50.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
280 50.00
průběh veličin od nerezové tyče ke skleněné trubici Ł
průběh veličin od nerezové tyče ke skleněné trubici Ł
rychlost v y [m/s]
5.00
0.025
380
0.02
360
0.015
340
0.01
320
Teplota [K]
0.005
0.025
VAR 03 mezera rychlost
0.005
300
VAR 03 mřížka rychlost VAR 03 mezera teplota VAR 03 mřížka teplota
0 0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
280 50.00
průběh veličin od nerezové tyče ke skleněné trubici Ł
Obrázek 3: Průběh rychlostního a teplotního profilu v mezikruhovém kanále na y=0.250 mm ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 4
Teplota [K]
380
rychlost v y [m/s]
0.025
Teplota [K]
rychlost vy [m/s]
Při srovnávání jednotlivých variant na rovině 0.250mm na obrázku 3 lze pozorovat, že průběhy a velikosti teplot jsou velmi podobné. Menší odchylka se vyskytuje ve velikosti teploty ve středu kanálu. Tato odchylka je způsobena geometrickým tvarem distanční mřížky. Nejvyšší teplota ve středu kanálu je u varianty VAR 03, kdy teplota téměř neklesne pod 340K.
Zajímavá situace se ukazuje na průběhu rychlostního profilu u jednotlivých variant distančních mřížek. U varianty VAR 01 je rychlostní profil shodný v „mřížce“ i „mezeře“ a proud chladiva ze všech třech variant vykazuje nejnižší rychlost vy. Varianta VAR 02 má v mezeře složku rychlosti ve směru y, zvýšenou o 0.05m/s, toto navýšení představuje zvětšení rychlosti až o 20%. Distanční mřížka VAR 03 podle rychlostního profilu na rovině 0.250 mm odklání špičku proudu směrem k nerezové trubce a velikost rychlosti vy v „mezeře“ mírně vzrůstá. Za pozornost stojí také kontury rychlostního a teplotního pole, které byly vyhodnocovány na rovinách y=0.231mm, y=0.242mm a y=0.250mm na obrázku 4 a obrázku 5. Distanční mřížka vložená do mezikruhového kanálu leží v oblasti y=0.230mm až 0.240mm. I na těchto konturách můžeme vysledovat, že největší rozdíly ve velikosti rychlosti proudu chladícího média jsou u varianty VAR 02. Podobně se chová i teplotní pole na obrázku 5 u varianty VAR 02, kde lze pozorovat výrazně teplejší oblast při pravé straně mřížky, kde může docházet k nežádoucímu přehřívání chladícího média – vody v kanále. U této varianty a v těchto místech distanční mřížky je patrný přenos teplého proudu do vyšších pozic nad distanční mřížku v mezikruhovém kanále. Ostatní varianty VAR 01 a VAR 03 mají na rovině y=250mm chladnější charakter teplotního pole než varianta VAR 02. Teplotní pole je chladnější zhruba o cca 10 až 15K.
rychlost vy [m/s]
y=0.231mm
y=0.231mm
y=0.231mm
y=0.242mm
y=0.242mm
y=0.242mm
y=0.250mm
y=0.250mm
y=0.250mm
VAR 01
VAR 02
VAR 03
Obrázek 4: Kontury rychlostního pole v mezikruhovém kanále na jednotlivých rovinách. ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 5
teplota [K]
y=0.231mm
y=0.231mm
y=0.231mm
y=0.242mm
y=0.242mm
y=0.242mm
y=0.250mm
VAR 01
y=0.250mm
VAR 02
y=0.250mm
VAR 03
Obrázek 5: Kontury teplotního pole v mezikruhovém kanále na jednotlivých rovinách.
Závěr Tento příspěvek přibližuje problematiku vkládaných distančních mřížek do modelu palivového článku v oblasti rychlostního, ale i teplotního pole po průřezu mezikruhovým kanálem. Na základě těchto zkušeností lze provádět optimalizace tvaru mřížek, které povedou k lepšímu rozložení teplotního profilu po mezikruhové ploše kanálu. Zlepšení teplotního profilu po průřezu povede k většímu přestupu tepla do chladící média a následkem tohoto budou zlepšené chladící účinky. V druhé polovině roku budou vyrobeny distanční mřížky těchto tvarů a budou následovat experimentální měření pro porovnání výsledků z numerickou simulací.
Poděkování Tato práce vznikla za finančního přispění Grantové agentury ČR v rámci postdoktorského projektu GAČR 101/09/P056.
LITERATURA: [1] LÁVIČKA, D., 2010. Popis řešení numerických simulací v mezikruhovém průtočném kanále okolo nerezové trubky. Stretnutie katedier mechaniky tekutin a termomechaniky, Jasna, Demanovska dolina, Slovensko, cerven 2009. ISSN 1335-2938. [2] Fluent 6 “User´s Guide“, 2009. ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 6
