Разработка модели турбулентного теплопереноса для жидкометаллического натриевого теплоносителя и её верификация
Автор: Рогожкин Сергей Александрович, Аксенов Андрей Александрович, Жлуктов Сергей Васильевич, Осипов Сергей Леонидович, Сазонова Марина Леонидовна, Фадеев Илья Дмитриевич, Шепелев Сергей Федорович, Шмелев Владимир Васильевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 3 т.7, 2014 года.
Бесплатный доступ
Рассматривается проблема численного моделирования процессов тепломассопереноса в реакторах на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем с помощью коммерческих Computational Fluid Dynamics (CFD) программных комплексов. Показано, что используемая в большинстве моделей турбулентности аналогия Рейнольдса не позволяет учитывать особенности теплопереноса в жидкометаллическом теплоносителе. Представлены результаты по разработке модели турбулентного теплопереноса LMS (Liquid Metal Sodium), учитывающей специфику натриевого теплоносителя. Это удалось сделать за счёт включения в систему уравнений модели выражения для турбулентного числа Прандтля, введения поправки, учитывающей гравитационную анизотропию турбулентного теплового потока, и тепловой пристеночной функции. Модель реализована в CFD коде FlowVision, совместима с моделями турбулентности, и может применяться как в высокорейнольдсовых (с пристеночными функциями), так и в низкорейнольдсовых (без пристеночных функций) расчётах течения натрия. Выполнена верификация модели LMS на основе данных, полученных на стенде TEFLU (Карлсруэ, Германия), предназначенном для экспериментального моделирования процессов перемешивания разнотемпературных потоков натриевого теплоносителя. Опытным путём исследовано три режима течения: со свободной конвекцией, переходный и с вынужденной конвекцией. Для этих режимов представлены результаты численного моделирования, полученные посредством коммерческих CFD программных комплексов ANSYS CFX, Star-CD, Fluent, FlowVision с моделью LMS и без неё. Показано, что результаты, полученные в программном комплексе FlowVision с моделью LMS, лучше согласуются с экспериментальными данными, чем результаты, полученные в других программных комплексах.
Модель турбулентного теплопереноса, натриевый теплоноситель, программный комплекс, разнотемпературные потоки, реактор на быстрых нейтронах
Короткий адрес: https://sciup.org/14320731
IDR: 14320731 | УДК: 621.039.534.63:621.039.51 | DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.3.30
Development and verification of a turbulent heat transport model for sodium-based liquid metal coolants
Numerical simulation of heat-and-mass transfer in fast neutron reactors with sodium coolant performed based on commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) software products is considered. It is shown that the Reynolds analogy used in most turbulence models cannot be applied to study the peculiarities of heat transport in liquid metal coolants. We present here results for a turbulent LMS (Liquid Metal Sodium) heat transport model capable of taking into account the unique characteristics of sodium coolants. Within the model, the turbulent Prandtl number expression is implemented, a correction that takes into account gravitational anisotropy of the turbulent heat flow is made, and the thermal wall function is introduced. The model is implemented in the bundled CDF FlowVision code, is compatible with the turbulence models and can be used in both the high (with wall functions) and low (without wall functions) Reynolds number calculations of sodium flow. The proposed LMS model has been verified on the basis of experimental data obtained in the TEFLU test facility (Karlsruhe, Germany). The test facility is intended to simulate mixing processes of sodium coolant flows of various temperatures. In the experiment, three flow regimes have been studied: “free convection” regime, “transient” regime, and “forced convection” regime. For these regimes, simulation results gained from the application of such commercial CFD bundled software products as ANSYS CFX, Star-CD, Fluent, and FlowVision with and without the LMS model are presented. It is shown that the results obtained using the bundled FlowVision software with the LMS model demonstrate better agreement with the experimental data compared to the data obtained using other bundled software products.
Список литературы Разработка модели турбулентного теплопереноса для жидкометаллического натриевого теплоносителя и её верификация
- Roelofs F., Gopala V.R., Van Tichelen K., Cheng X., Merzari E., Pointer W.D. Status and future challenges of CFD for liquid metal cooled reactors//Int. Conf. on Fast Reactors and Related Fuel Cycles: Safe Technologies and Sustainable Scenarios. FR13, Paris, France, March 4-7, 2013. -11 p.
- Grotzbach G. Challenges in simulation and modeling of heat transfer in low-Prandtl number fluids//The 14th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics. NURETH-14, Toronto, Canada, September 25-29, 2011. -33 p.
- Grotzbach G., Carteciano L.N. Validation of turbulence models in the computer code FLUTAN for free hot sodium jet in different buoyancy flow regimes. -Forschugszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe, FZKA 6600, 2003. -34 p.
- Wolters J. Benchmark Activity on the TEFLU Sodium Jet Experiment. -Forschungszentrum Jülich GmbH, FZJ, 2002. -66 p.
- Зайцев А.М., Семенов В.Н., Швецов Ю.Е. Математическое моделирование смешения разнотемпературных струй методом CABARET//Вычисл. мех. сплош. сред. -2013. -Т. 6, № 4. -С. 430-437.
- Knebel J.U., Krebs L., Muller U., Axcell B.P. Experimental investigation of a confined heated sodium jet in a co-flow//J. Fluid Mech. -1998. -Vol. 368. -P. 51-79.
- Sommer T.P., So R.M.C., Lai Y.G. A near-wall two-equation model for turbulent heat fluxes//Int. J. Heat Mass Tran. -1992. -Vol. 35, no. 12. -P. 3375-3387.
- Nagano Y., Kim C. A two-equation model for heat transport in wall turbulent shear flows//J. Heat Transfer. -1988. -Vol. 110, no. 3. -P. 583-589.
- Launder B.E. On the effects of a gravitational field on the turbulent transport of heat and momentum//J. Fluid Mech. -1975. -Vol. 67, no. 3. -P. 569-581.
- РБ-075-12 Руководство по безопасности. Расчетные соотношения и методики расчета гидродинамических и тепловых характеристик элементов и оборудования ядерных энергетических установок с жидкометаллическим теплоносителем, 2012.
- Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. -М.: Энергоиздат, 1981. -416 с.
- Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD. -DCW Industries, Inc., 1994. -460 p.
- Жлуктов С.В., Аксёнов А.А., Харченко С.А., Москалёв И.В., Сушко Г.Б., Шишаева А.С. Моделирование отрывных течений в программном комплексе FlowVision-HPC//Вычислительные методы и программирование. -2010. -Т. 11, № 1. -С. 234-245.
- Осипов С.Л., Рогожкин С.А., Фадеев И.Д. Сопоставление результатов теплогидравлических расчетов по CFD кодам с данными бенчмарк-эксперимента TEFLU//Научно-техническая конференция Теплофизика-2011: Сб. докладов, Обнинск, 19-21 октября 2011 г. -Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ, 2013. -Т. 2. -С. 377-390.
- Buono S., Maciocco L., Morean V., Sorrentino L. CFD Simulation of a Heated Round Jet of Sodium (TEFLU Benchmark). -CRS4-Technical Report 00/86, 2001. -20 p.
