Известия вузов. Ядерная энергетика

Рецензируемый научно-технический журнал. ISSN: 0204-3327

Экспериментальное исследование процессов неизотермического смешения встречных потоков несжимаемой жидкости в тройниковом узле

28.03.2023 2023 - №01 Теплофизика и теплогидравлика

Р.Р. Рязапов А.Е. Соборнов С.М. Дмитриев Н.В. Мацин А.В. Котин

DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2023.1.05

УДК: 621.039

Процессы неизотермического смешения потоков теплоносителя в элементах энергетического оборудования водоохлаждаемых реакторных установок сопровождаются термопульсациями, интенсивность которых может достигать значений, приводящих к усталостному разрушению. Получение необходимых для оценки ресурса оборудования характеристик термопульсаций возможно с применением численных методов. Однако результаты расчетов нуждаются в валидации на основе экспериментально полученных полей тепловых и гидродинамических параметров среды. Для получения представления о механизме возникновения и характеристиках термопульсаций проведено экспериментальное исследование структуры потока при неизотермическом смешении в тройниковом узле.

Экспериментальный стенд представляет собой гидравлически замкнутый контур. В качестве теплоносителя применена вода. Экспериментальная модель выполнена геометрически подобной участку, входящему в состав высокотемпературного стенда для исследования влияния термоциклических нагрузок на ресурсные характеристики конструкционных материалов энергетического оборудования. Модель представляет собой тройниковый узел типа «встречный впрыск», состоящий из основной и расположенной под углом периферийной труб. Коэффициент геометрического подобия K = 4/3. Материал модели – прозрачное органическое стекло. Визуализация структуры потока осуществлялась путем инжекции в поток контрастного трассера, обладающего схожей со смешиваемыми средами плотностью. Введение трассера проводилось последовательно в четырех точках с видеофиксацией процесса смешения с частотой 30 Гц. Для измерения температуры применены термопары.

Получены фрагменты видеозаписи процесса смешения, а также синхронные с ними экспериментальные реализации температуры. Отслежено образование вихревых потоков в зоне смешения, определены масштабы вихрей, осредненные по времени профили температуры потока, профили интенсивности термопульсаций. Совместный анализ структуры и температурного состояния потока позволил объяснить характер термопульсаций во фронтальной относительно периферийной трубы области.

Ссылки

  1. Abib E., Bergholz S., Rudolph J. German experiences in local fatigue monitoring. //International Journal for Nuclear Power. – 2013. – Vol. 58. – PP. 284-289.
  2. Chapuliot S., Gourdin C., Payen T., Magnaud J.P., Monavon A. Hydro-thermal-mechanical analysis of thermal fatigue in a mixing tee. // Nuclear Engineering and Design. – 2005. – Vol. 235. – PP. 575-596. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2004.09.011 .
  3. Faidy C. High Cycle Thermal Fatigue: Lessons Learned From Civaux Event. / In: Materials Reliability Program: Second International Conference on Fatigue of Reactor Components (MRP-84), July 29-August 1, 2002, Snowbird, Utah. – 2002.
  4. Судаков А.В., Трофимов А.С. Пульсации температур и долговечность элементов энергооборудования. – Л.: Энергоатомиздат, 1989. – 176 с.
  5. Судаков А.В., Трофимов А.С. Напряжения при пульсациях температур. – М.: Атомиздат, 1980. – 64 с.
  6. Будов В.М., Дмитриев С.М. Форсированные теплообменники ЯЭУ. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 174 c.
  7. НП-054-04. Нормы расчета на прочность элементов оборудования и трубопроводов для судовых атомных паропроизводящих установок с водо-водяными реакторами. – М.: Ростехнадзор России, 2004.
  8. Jhung M.J. Assessment of thermal fatigue in mixing tee by FSI analysis. // Nuclear Engineering and Technology. – 2013. – Vol. 45. – PP. 99-106. DOI: https://doi.org/10.5516/NET.09.2012.026 .
  9. Mahaffy J., Chung B., Dubois F., Ducros F., Graffard E., Heitsch M., Henriksson M., Komen E., Moretti F., Morii T., Muhlbauer P., Rohde U., Scheuerer M., Smith B. L., Song C., Watanabe T., Zigh G. Best practice guidelines for the use of CFD in nuclear reactor safety applications. / NEA/CSNI/R(2007)5. – 2007. Электронный ресурс: https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/44/037/44037877.pdf?r=1 (дата доступа 05.10.2022).
  10. Smith B. L. Assessment of CFD codes used in nuclear reactor safety simulations. // Nuclear Engineering and Technology. – 2010. – Vol. 42. – PP. 339-364. DOI: https://doi.org/10.5516/NET.2010.42.4.339 .
  11. Smith B. L., Andreani M., Bieder U., Ducros F., Graffard E., Heitsch M., Henrikkson M., Hohne T., Houkema M., Komen E., Mahaffy J., Menter F., Moretti F., Morii T., Muhlbauer P., Rohde U., Scheuerer M., Song C.H., Watanabe T., Zigh G. Assessment of CFD Codes for Nuclear Reactor Safety Problems – revision 2 / OECD/NEA/CSNI/R(2014) 12. – 2015. Электронный ресурс: https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/46/066/46066598.pdf?r=1 (дата доступа 05.10.2022).
  12. Smith B. L., Bestion D., Hassan Y. Experiments and CFD Code Applications to Nuclear Reactor Safety (XCFD4NRS). // Special Issue: Nuclear Engineering and Design. – 2010. – Vol. 240. – PP. 2075-2382. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2010.06.037 .
  13. Wakamatsu M., Nei H., Hashiguchi K. Attenuation of temperature fluctuations in thermal striping. // Journal of Nuclear Science and Technology. – 1995. – Vol. 32. – PP. 752-762. DOI: https://doi.org/10.1080/18811248.1995.9731770 .
  14. Beaufils R., Courtin S. Analysis of the Father Experiment with an Engineering Method Devoted to High Cycle Thermal Fatigue. / In: Proc. of the ASME 2011 Pressure Vessels & Piping Conference (PVP 2011), July 17-21, 2011, Baltimore, Maryland, USA. – 2011. DOI: https://doi.org/10.1115/PVP2011-57630 .
  15. Бесчеров Д.Е., Большухин М.А., Козин А.В., Лебедев В.В., Панов В.А., Пахомов В.А., Свешников Д.Н., Шишулин Д.Н., Легчанов М.А., Рязапов Р.Р. Верификация методики расчета усталостной прочности оборудования реакторных установок при нестационарных термоциклических нагрузках // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2019. – № 1 (124). – С. 81-91. DOI: https://doi.org/10.46960/1816-210X_2019_1_81 .
  16. Дмитриев С.М., Мамаев А.В., Рязапов Р.Р., Соборнов А.Е., Котин А.В., Большухин М.А., Бесчеров Д.Е. Экспериментальные исследования температурных пульсаций при смешении неизотермических потоков теплоносителя в элементах оборудования ЯРУ // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2019. – № 2. – С. 117-127. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2019.2.10 .
  17. Дмитриев С.М., Рязапов Р.Р., Мамаев А.В., Соборнов А.Е., Котин А.В., Легчанов М.А., Львов А.В. Измерение температурного и напряженно-деформированного состояний трубного образца при воздействии локальных стохастических температурных пульсаций. // Приборы и методы измерений. – 2019. – Т. 10. – № 1. – С. 53-60.
  18. Courtin S. High Cycle Thermal Fatigue Damage Prediction in Mixing Zones of Nuclear Power Plants: Engineering Issues Illustrated on the FATHER Case. // Procedia Engineering. – 2013. – Vol. 66. – PP. 240-249. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.12.079 .
  19. Miyoshi K., Kamaya M., Utanohara Y., Nakamura A. An investigation of thermal stress characteristics by wall temperature measurements at a mixing tee. // Nuclear Engineering and Design. – 2016. – Vol. 298. – PP. 109 – 120. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2015.12.004 .
  20. Braillard O., Edelin D. Advanced experimental tools designed for the assessment of the thermal load applied to the mixing tee and nozzle geometries in the PWR plant. / In: Advancements in Nuclear Instrumentation, Measurement Methods and their Applications, ANIMMA 2009, June 7-10, 2009, Marseille, France. – 2009. DOI: https://doi.org/10.1109/ANIMMA.2009.5503718 .
  21. Chen M.S., Hsieh H.E., Ferng Y.M., Pei B.S. Experimental observations of thermal mixing characteristics in T-junction piping. // Nuclear Engineering and Design. – 2014. – Vol. 276. – PP. 107-114. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2014.03.052 .
  22. Kamide H., Igarashi M., Kawashima S., Kimura N., Hayashi K. Study on mixing behavior in a tee piping and numerical analyses for evaluation of thermal striping. // Nuclear Engineering and Design. – 2009. – Vol. 239. – PP. 58-67. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2008.09.005 .
  23. Kuschewski M. Development and application of flow measurement methods for the investigation of near-wall temperature fields. – Doctoral Dissertation. – University of Stuttgart, 2015. – No: D93.
  24. Большухин М.А., Знаменская И.А., Свешников Д.Н., Фомичев В.М. Термографическое исследование турбулентных пульсаций воды при неизотермическом смешении.// Автометрия. – 2014. – № 5. – С. 75-83. Электронный ресурс: https://www.sibran.ru/upload/iblock/50e/50ec77015b0e7a9a575e6f4ff3a24e00.pdf (дата доступа 05.10.2022).
  25. Знаменская И.А., Коротеева Е.Ю., Новинская A.M., Сысоев Н.Н. Особенности спектров турбулентных пульсаций струйных затопленных течений воды. // Письма в журнал технической физики. – 2016. – Т. 42, – № 13. – С. 51-57. Электронный ресурс: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/43399 (дата доступа 05.10.2022).

пульсации температуры термопульсации неизотермическое смешение ресурс долговечность трассер теплоноситель энергетическая установка тройниковый узел

Ссылка для цитирования статьи: Рязапов Р.Р., Соборнов А.Е., Дмитриев С.М., Мацин Н.В., Котин А.В. Экспериментальное исследование процессов неизотермического смешения встречных потоков несжимаемой жидкости в тройниковом узле. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2023. – № 1. – С. 57-69. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2023.1.05 .

Открыть PDF файл