Моделирование процессов испарения в трубчатке парогенератора атомного ледокола

1.

Моделирование процессов
испарения в трубчатке
парогенератора атомного ледокола
Студент: Кистенев В.В.
Группа: ТФ-11-16
Научный руководитель: к.т.н, доцент, Воробьев Ю.Б.
Москва
2020

2.

Актуальность
Типы парогенераторов: ПГ-28 и ПГ-18Т
Наработка на отказ: теория — 150-175 тыс. часов; реальность — 67-70 тыс.
часов
Проблема — охрупчивание материала трубок ПГ из-за транспорта газов.
Рассчеты модели в НИЦ «Курчатовский Институт» с помощью кода RELAP5
показали, что на участке испарения и перегрева пара имеется паровая пленка у
стенки с жидкостью в объеме, что затрудняет испарение.
В НИЦ «Курчатовский Институт» для проверки результатов на RELAP5 была
смоделирована трубка малого радиуса трубчатки ПГ и с помощью кода
FLUENT, для сравнения результатов, было предложено посчитать виток трубки
большого радиуса с помощью кода ANSYS CFX

3.

Результаты НИЦ «Курчатовский
Институт» при исследовании трубки
малого радиуса трубчатки ПГ
Объемное водосодержание на стенке для капель размером 10мкм

4.

Результаты НИЦ «Курчатовский
Институт» при исследовании трубки
малого радиуса трубчатки ПГ
Объемное водосодержание на стенке для капель размером 100мкм

5.

Глобальная цель исследования
Создание 3D–модели витка большого радиуса трубчатки ПГ
Моделирование распределения жидкости по поверхности
трубки
Подтверждение/опровержение гипотезы что на участке
испарения и перегрева пара имеется паровая пленка у стенки
с жидкостью в объеме, что затрудняет испарение.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ МЕТОД
3D моделирование в ANSYS CFX

6.

Конструкция внутреннего
устройства парогенератора

7.

Выбор объекта исследования
большой
виток
трубчатки
Малый виток
исследуемый
в НИЦ
«Курчатовски
й институт»

8.

Построение 3D модели
Один виток трубки большого радиуса

9.

Разработка сетки
Вход в трубку
Выход из трубки
Тип сетки-треугольная
Пограничный слой: толщина 1мм, состоит из 7 слоев
каждый из которых большего предыдущего на 20%
Всего расчётная сетка содержит 1417026 элементов и
536019 узлов.

10.

Вид модели в ANSYS CFX
Массовый расход через
одну трубку 0.16 кг/c
Давление 5.4 МПа
Температура 269 ◦С
Размеры капель
задаются
функционально от 10
мкм до 100 мкм.
Коэффициент
поверхностного
натяжения 0.021 кг/c^2

11.

Результаты расчета с обычной
сходимостью
Распределение жидкости по стенке
трубы, объемная доля жидкости на
входе 0.5%
Распределение жидкости по стенке
трубы, объемная доля жидкости на
входе 1%

12.

Результаты расчета с обычной
сходимостью
Распределение жидкости по стенке
трубы, объемная доля жидкости на
входе 5%
Распределение жидкости по стенке
трубы, объемная доля жидкости на
входе 8%

13.

Результаты расчета с обычной
сходимостью
Распределение объемной доли жидкости
по сечениям для каждого опыта.
Процентное соотношение
соприкосновения жидкости со
стенкой от объемной доли жидкости
на входе в трубку.

14.

Результаты расчета с улучшенной
сходимостью
Распределение жидкости по
объему трубы, объемная доля
жидкости на входе 0.1%
Распределение жидкости по
объему трубы, объемная доля
жидкости на входе 0.5%

15.

Результаты расчета с улучшенной
сходимостью
Распределение
жидкости по
сечениям,
объемная доля
жидкости на входе
0.1%.
Распределение
жидкости по
сечениям,
объемная доля
жидкости на входе
0.5%.

16.

Результаты расчета с улучшенной
сходимостью
Зависимость площади
соприкосновения
жидкости со стенкой от
объемной доли жидкости
для улучшенной
сходимости
Процентное соотношение
соприкосновения жидкости
со стенкой для улучшенной
сходимости.

17.

Результаты расчетов с
уточненной сеткой
Уточненная сетка состоит из 2271955 узлов и 6544613
элементов.
Распределение
жидкости по
стенке трубы,
объемная доля
жидкости на
входе 1%

18.

Результаты расчетов с уточненной
сеткой
Векторные поля скорости
для сечения 200 градусов.
Векторные поля скорости
для сечения 300 градусов.
При расчетах на уточненной сетке были обнаружены
поперечные вихри с небольшими скоростями – порядка
0.2 – 0.4 в объеме.

19.

Заключение
• Проанализирована проблема охрупчивания трубчаток в парогенераторах атомных
ледоколов.
• Сформулирована гипотеза об образовании пленки пара в пристеночной области
трубки.
• Получено распределение жидкости по стенке трубки.
• Разработана расчетная модель одного витка трубки большого радиуса.
• Анализ полученных данных показал, что данная гипотеза не подтвердилась. По
полученным данным видно, капли жидкости отбрасываются на стенку и создают
водяную пленку в пристеночной области, что значительно улучшает теплообмен.
• В ходе данной работе была проведена серия исследований по вариации объемных
долей жидкости на входе в виток. Было выяснено, что с увеличением
влагосодержания на входе в трубку, увеличивается площадь соприкосновения
жидкости со стенкой.
• При расчетах модели на увеличенной сетки были обнаружены небольшие вихри по
всему объему трубки, их влияние на распределение жидкости будет выявлено при
дальнейшем изучении данной проблемы.