Details

Цель работы – разработка и обоснование методики расчёта напряжённо-деформированного состояния (НДС) оболочки участка твэла ВВЭР-1200 с использованием инженерного и CFD-ориентированного подходов к определению температурной нагрузки в области дистанционирующей решётки (ДР). Методы. Теплогидравлический анализ выполнен методом конечных объёмов в ANSYS CFX с моделью турбулентности SST k-ω. Проведены верификация (сеточная сходимость на 57 млн элементов) и валидация модели по экспериментальным данным коэффициента гидравлического сопротивления и интенсификации теплообмена. Расчёт НДС выполнен методом конечных элементов в ANSYS Mechanical Static Structural в линейно-упругой постановке. Результаты. Получены пространственные распределения температуры теплоносителя и коэффициента теплоотдачи на поверхности твэла. Выявлена окружная неравномерность температуры: напротив контактного выступа температура на 10–12 °C ниже, чем в промежутках. Максимальная температура оболочки (325 °C) достигнута в CFD-постановке. Установлено, что в области ДР инженерный подход завышает напряжения на 12,3 % в зоне повышенной теплоотдачи и занижает на 2,5 % – в зоне пониженной теплоотдачи. После решётки отличие стабилизируется на уровне 2,2–2,3 %. Область применения. Разработанная методика может использоваться для обоснования прочности и ресурса тепловыделяющих сборок реакторов ВВЭР, а также для верификации упрощённых инженерных корреляций.

Objective – to develop and validate a methodology for calculating the stress-strain state (SSS) of a VVER-1200 fuel rod cladding segment using engineering and CFD-based approaches for determining thermal loads in the spacer grid region. Methods. Thermal-hydraulic analysis was performed using the finite volume method in ANSYS CFX with the SST k-ω turbulence model. Verification (mesh independence with 57 million elements) and validation against experimental data on pressure drop and heat transfer augmentation were carried out. SSS was calculated using the finite element method in ANSYS Mechanical Static Structural (linear elasticity). Results. Spatial distributions of coolant temperature and heat transfer coefficient on the fuel rod surface were obtained. Circumferential temperature non-uniformity was revealed: opposite the dimple the temperature is 10–12 °C lower than in the gaps. The maximum cladding temperature (325 °C) was obtained in the CFD-based case. In the spacer grid region, the engineering approach overestimates stresses by 12.3 % in the high heat transfer zone and underestimates by 2.5 % in the low heat transfer zone. Downstream, the difference stabilises at 2.2–2.3 %. Application. The developed methodology can be used for strength and lifetime assessments of VVER fuel assemblies and for verification of simplified engineering correlations.

• РЕФЕРАТ
• ВВЕДЕНИЕ
• ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО И НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УЧАСТКА ТВЭЛА
  • 1.1. Тепловое состояние оболочки твэла
  • 1.2. Влияние дистанционирующей решётки на локальную теплоотдачу
  • 1.3. Инженерные методы расчёта температуры оболочки твэла
  • 1.4. CFD-моделирование процессов теплообмена
    • 1.4.1 Модели турбулентности 𝑘−𝜀
    • 1.4.2 Модели турбулентности 𝑘−𝜔
    • 1.4.3 Гибридные вихреразрешающие методы моделирования турбулентности
    • 1.4.4 Валидация CFD-модели
  • 1.5. Расчёт напряженно-деформированного состояния оболочки твэла
  • 1.6. Выводы по главе 1
• ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АРХИТЕКТУРЫ ЧИСЛЕННОЙ СХЕМЫ
  • 2.1. Блок А. Определение параметров теплообмена
    • 2.1.1. Блок А1. Инженерный расчёт параметров теплообмена
    • 2.1.2. Блок А2. CFD-ориентированный расчёт параметров теплообмена
  • 2.2. Блок Б. Методика формирования температурной нагрузки
  • 2.3. Блок В. Прочностная задача
  • 2.4. Блок Г. Сравнение результатов
  • 2.5. Выводы по главе
• ГЛАВА 3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
  • 3.1 Общие исходные данные
  • 3.2 Исходные данные для валидационной постановки
  • 3.3 Исходные данные для эксплуатационной постановки ВВЭР-1200
  • 3.4 Назначение исходных данных в последующих расчётных постановках
  • 3.5 Выводы по главе
• ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛООБМЕНА НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЭЛА
  • 4.1. Инженерный расчёт параметров теплообмена
  • 4.2. CFD-постановка валидационной задачи
    • 4.2.1. Расчётный домен
    • 4.2.2. Сравнение коэффициента гидравлического сопротивления и коэффициента трения
  • 4.3. CFD моделирование эксплуатационного режима
• ГЛАВА 5. РАСЧЁТ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УЧАСТКА ТВЭЛА
  • 5.1. Конечно-элементная модель
  • 5.2. Температурное поле оболочки
  • 5.3. Напряжённо-деформированное состояние
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ