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 | DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.3.30
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.
