Валидация кода OpenFOAM на экспериментальных данных по перемешиванию теплоносителя в модели реактора

Урегани Наджмех [Uregani Nadzmeh] Джафари [Jafari]; Хоссейн [Hosseyn] Абди [Abdi]; Сергей [Sergey] Михайлович [M.] Никонов [Nikonov]; Владимир [Vladimir] Игорьевич [I.] Мелихов [Melikhov]; Олег [Oleg] Игорьевич [I.] Мелихов [Melikhov]; Александр [Aleksandr] Александрович [A.] Шпаковский [Shpakovsky]

doi:10.24160/1993-6982-2025-1-128-137

Урегани Наджмех [Uregani Nadzmeh] Джафари [Jafari]
Хоссейн [Hosseyn] Абди [Abdi]
Сергей [Sergey] Михайлович [M.] Никонов [Nikonov]
Владимир [Vladimir] Игорьевич [I.] Мелихов [Melikhov]
Олег [Oleg] Игорьевич [I.] Мелихов [Melikhov]
Александр [Aleksandr] Александрович [A.] Шпаковский [Shpakovsky]

DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2025-1-128-137

Ключевые слова: безопасность АЭС, реактор, гидродинамика, теплообмен, перемешивание, численное моделирование, валидация

Аннотация

Цель работы состоит в моделировании экспериментов по перемешиванию воды, подаваемой из гидроемкости для охлаждения активной зоны реактора, с теплоносителем в опускном участке с помощью расчетного кода OpenFOAM. Код OpenFOAM — свободно распространяемый продукт с открытыми исходными текстами программ, предназначенный для решения различных задач, включающих в себя теплообмен и гидродинамику. Для валидации кода OpenFOAM использованы экспериментальные данные, полученные на установке СОУ, созданной для моделирования перемешивания охлаждающей воды системы аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ) с теплоносителем в опускном участке реактора и её термического воздействия на стенки корпуса. Рабочий участок установки СОУ (стенд–опускной участок) представляет собой вертикальную цилиндрическую емкость атмосферного типа. К рабочему участку присоединены циркуляционный Ду32 и сливной Ду20 трубопроводы гидроемкости. Циркуляционный трубопровод служит для создания потока холодной или горячей воды через рабочий участок. Гидроемкость имитирует гидроемкость САОЗ реакторной установки. Процесс перемешивания холодной и горячей жидкостей регистрируется с помощью примерно сотни термопар, расположенных в зоне подачи воды САОЗ на поверхности рабочего участка в опускном участке и на поверхности выгородки. Для валидации кода OpenFOAM выбраны два эксперимента — №№ 1 и 15. В эксперименте № 1 горячую воду температурой 349 K подавали из гидроемкости в объем холодной воды (283…293 K) в рабочем участке. Обратная ситуация моделировалась в эксперименте № 15, а именно, холодную воду 290 K направляли из гидроемкости в объем горячей воды (333…343 K) в рабочем участке. Была создана расчетная сетка, включающая в себя около 2 млн ячеек. Для описания турбулентности использована k-ε модель турбулентности. Ввиду неопределенности параметров теплообмена корпуса сосуда с окружающим воздухом взяты два значения коэффициента теплоотдачи 5 и 10 Вт/(м²∙K). Проведенные расчеты показали адекватную способность кода OpenFOAM моделировать процессы неизотермического смешения воды гидроемкости с теплоносителем. Среднеквадратичные отклонения расчетных значений температуры от экспериментальных данных не превышают 2,1 K, при этом экспериментальная погрешность измерения температуры составляет ±3 K.

Сведения об авторах

Урегани Наджмех [Uregani Nadzmeh] Джафари [Jafari]

аспирант кафедры атомных электрических станций НИУ «МЭИ», e-mail: najmehjafari.m.sc@gmail.com

Хоссейн [Hosseyn] Абди [Abdi]

ассистент кафедры атомных электрических станций НИУ «МЭИ», e-mail: hoseinabdi1990@gmail.com

Сергей [Sergey] Михайлович [M.] Никонов [Nikonov]

кандидат технических наук, доцент кафедры атомных электрических станций НИУ «МЭИ», e-mail: NikonovSM@mpei.ru

Владимир [Vladimir] Игорьевич [I.] Мелихов [Melikhov]

доктор технических наук, профессор кафедры атомных электрических станций НИУ «МЭИ», e-mail: MelikhovVI@mpei.ru

Олег [Oleg] Игорьевич [I.] Мелихов [Melikhov]

доктор физико-математических наук, профессор кафедры атомных электрических станций НИУ «МЭИ», e-mail: MelikhovOI@mpei.ru

Александр [Aleksandr] Александрович [A.] Шпаковский [Shpakovsky]

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры атомных электрических станций НИУ «МЭИ»

Литература

1. Безруков Ю.А., Курносов М.М., Лапатин В.М., Логвинов С.А., Стребнев Н.А. Методика определения теплогидравлических параметров в областях перемешивания теплоносителя и воды САОЗ реактора типа ВВЭР при авариях с течью // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Обеспечение безопасности АЭС». 2004. Вып. 7. С. 99—114.
2. Сидоров В.Г. Исследование перемешивания в циркуляционном трубопроводе и опускном канале корпусного реактора при аварии с малой течью теплоносителя: дис. … канд. техн. наук. С-Пб.: ФГУП «СПбАЭП», 2006.
3. Воробьев Ю.Ю., Кочарьянц О.Р. Теплогидравлическая модель реактора ВВЭР-1000 для получения граничных условий при оценке сопротивления хрупкому разрушению с использованием компьютерного кода RELAP5/MOD3.2 // Ядерная и радиационная безопасность. 2011. № 2(50). С. 13—19.
4. Алехин Г.В. и др. Модернизация программного комплекса ТРАП-97 для расчета пространственного распределения параметров в реакторе и активной зоне // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Обеспечение безопасности АЭС». 2002. Вып. 1. С. 71—86.
5. Алехин Г.В. и др. Исследование межпетлевого перемешивания в реакторе типа ВВЭР // Теплофизические аспекты безопасности ВВЭР: Труды Междунар. конф. 1998. Т. 1. С. 465—477.
6. Федоров Э.М., Левин Е.И., Драгунов Ю.Г. Трехмерная гидродинамика и теплообмен в узлах реактора ВВЭР // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Обеспечение безопасности АЭС». 2002. Вып. 1. С. 87—99.
7. Кумаев В.Я., Веремеев А.А. Применение расчетного кода PORT3D для моделирования трехмерных явлений течения и теплообмена в элементах и контурах РУ // Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР: Труды II Всерос. науч.-техн. конф. Подольск, 2001.
8. Moretti F. e. a. CFD Analysis of a Slug Mixing Experiment Conducted on a VVER-1000 Model // Sci. and Technol. Nuclear Installations. 2009. V. 1. Pp. 1—12.
9. Farkas I. e. a. Validation of CFD Calculation Using ROCOM Flow Measurements in Primary Loop of Coolant in PWR Model // Nucl. Eng. Technol. 2016. V. 48(4). Pp. 941—951.
10. Будников А.В., Свешников Д.Н., Романов Р.И. Проблемы масштабирования CFD программ к описанию смешения в реакторных установках // Проблемы верификации и применения CFD кодов в атомной энергетике: Сб. докл. науч.-техн. семинара. Нижний Новгород: ОКБМ Африкантов, 2016.
11. Юдов Ю.В., Румянцев С.Н., Чепилко С.С., Кастерин Д.С. Расчёты по коду КОРСАР/CFD процессов перемешивания пробки конденсата при пуске циркуляционного насоса в модели реактора ВВЭР-1000 на стенде ОКБ «ГИДРОПРЕСС» // Технологии обеспечения жизненного цикла ядерных энергетических установок. 2020. № 1. C. 40—53.
12. Kleim S. e. a. Experiments at the Mixing Test Facility ROCOM for Benchmarking of CFD Codes // Nucl. Eng. Des. 2008. V. 238(3). Pp. 566—576.
13. Лисенков Е.А. и др. Исследование перемешивания теплоносителя в опускной камере реактора // Вопросы атомной науки и техники. 2008. Вып. 23. С. 3—17.
14. Дмитриев С.М. и др. Экспериментальное исследование гидродинамики процессов перемешивания петлевых потоков теплоносителя в опускной камере ядерного реактора // Теплоэнергетика. 2021. № 4. С. 18—26.
15. OpenFOAM: the Open Source CFD Toolbox [Электрон ресурс] https://www.openfoam.com (дата обращения 08.10.2024).
16. SALOME Platform: the Open Source Platform for Numerical Simulation [Электрон ресурс] https://www.salome-platform.org (дата обращения 08.10.2024).
---
Для цитирования: Джафари У.Н., Абди Х., Никонов С.М., Мелихов В.И., Мелихов О.И., Шпаковский А.А. Валидация кода OpenFOAM на экспериментальных данных по перемешиванию теплоносителя в модели реактора // Вестник МЭИ. 2025. № 1. С. 128—137. DOI: 10.24160/1993-6982-2025-1-128-137
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Bezrukov Yu.A., Kurnosov M.M., Lapatin V.M., Logvinov S.A., Strebnev N.A. Metodika Opredeleniya Teplogidravlicheskikh Parametrov v Oblastyakh Peremeshivaniya Teplonositelya i Vody SAOZ Reaktora Tipa VVER pri Avariyakh s Tech'yu. Voprosy Atomnoy Nauki i Tekhniki. Seriya «Obespechenie Bezopasnosti AES». 2004;7:99—114. (in Russian).
2. Sidorov V.G. Issledovanie Peremeshivaniya v Tsirkulyatsionnom Truboprovode i Opusknom Kanale Korpusnogo Reaktora pri Avarii s Maloy Tech'yu Teplonositelya: Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. S-Pb.: FGUP «SPbAEP», 2006. (in Russian).
3. Vorob'ev Yu.Yu., Kochar'yants O.R. Teplogidravlicheskaya Model' Reaktora VVER-1000 dlya Polucheniya Granichnykh Usloviy pri Otsenke Soprotivleniya Khrupkomu Razrusheniyu s Ispol'zovaniem Komp'yuternogo Koda RELAP5/MOD3.2. Yadernaya i Radiatsionnaya Bezopasnost'. 2011;2(50):13—19. (in Russian).
4. Alekhin G.V. i dr. Modernizatsiya Programmnogo Kompleksa TRAP-97 dlya Rascheta Prostranstvennogo Raspredeleniya Parametrov v Reaktore i Aktivnoy Zone. Voprosy Atomnoy Nauki i Tekhniki. Seriya «Obespechenie Bezopasnosti AES». 2002;1:71—86. (in Russian).
5. Alekhin G.V. i dr. Issledovanie Mezhpetlevogo Peremeshivaniya v Reaktore Tipa VVER. Teplofizicheskie Aspekty Bezopasnosti VVER: Trudy Mezhdunar. Konf. 1998;1:465—477. (in Russian).
6. Fedorov E.M., Levin E.I., Dragunov Yu.G. Trekhmernaya Gidrodinamika i Teploobmen v Uzlakh Reaktora VVER. Voprosy Atomnoy Nauki i Tekhniki. Seriya «Obespechenie Bezopasnosti AES». 2002;1: 87—99. (in Russian).
7. Kumaev V.Ya., Veremeev A.A. Primenenie Raschetnogo Koda PORT3D dlya Modelirovaniya Trekhmernykh Yavleniy Techeniya i Teploobmena v Elementakh i Konturakh RU. Obespechenie Bezopasnosti AES s VVER: Trudy II Vseros. Nauch.-tekhn. Konf. Podol'sk, 2001. (in Russian).
8. Moretti F. e. a. CFD Analysis of a Slug Mixing Experiment Conducted on a VVER-1000 Model. Sci. and Technol. Nuclear Installations. 2009;1:1—12.
9. Farkas I. e. a. Validation of CFD Calculation Using ROCOM Flow Measurements in Primary Loop of Coolant in PWR Model. Nucl. Eng. Technol. 2016;48(4):941—951.
10. Budnikov A.V., Sveshnikov D.N., Romanov R.I. Problemy Masshtabirovaniya CFD Programm k Opisaniyu Smesheniya v Reaktornykh Ustanovkakh. Problemy Verifikatsii i Primeneniya CFD Kodov v Atomnoy Energetike: Sb. Dokl. Nauch.-tekhn. Seminara. Nizhniy Novgorod: OKBM Afrikantov, 2016. (in Russian).
11. Yudov Yu.V., Rumyantsev S.N., Chepilko S.S., Kasterin D.S. Raschety po Kodu KORSAR/CFD Protsessov Peremeshivaniya Probki Kondensata pri Puske Tsirkulyatsionnogo Nasosa v Modeli Reaktora VVER-1000 na Stende OKB «GIDROPRESS». Tekhnologii Obespecheniya Zhiznennogo Tsikla Yadernykh Energeticheskikh Ustanovok. 2020;1:40—53. (in Russian).
12. Kleim S. e. a. Experiments at the Mixing Test Facility ROCOM for Benchmarking of CFD Codes. Nucl. Eng. Des. 2008;238(3):566—576.
13. Lisenkov E.A. i dr. Issledovanie Peremeshivaniya Teplonositelya v Opusknoy Kamere Reaktora. Voprosy Atomnoy Nauki i Tekhniki. 2008;23:3—17. (in Russian).
14. Dmitriev S.M. i dr. Eksperimental'noe Issledovanie Gidrodinamiki Protsessov Peremeshivaniya Petlevykh Potokov Teplonositelya v Opusknoy Kamere Yadernogo Reaktora. Teploenergetika. 2021;4:18—26. (in Russian).
15. OpenFOAM: the Open Source CFD Toolbox [Elektron Resurs] https://www.openfoam.com (Data Obrashcheniya 08.10.2024).
16. SALOME Platform: the Open Source Platform for Numerical Simulation [Elektron Resurs] https://www.salome-platform.org (Data Obrashcheniya 08.10.2024)
---
For citation: Jafari U.N., Abdi H., Nikonov S.M., Melikhov V.I., Melikhov O.I., Shpakovsky A.A. Validating the OpenFOAM Code against the Experimental Data on Coolant Mixing in a Reactor Model. Bulletin of MPEI. 2025;1:128—137. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2025-1-128-137
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest