Бессеточный метод сглаженных частиц для численного моделирования гидродинамических процессов при тяжёлых авариях на ядерных энергетических установках

• Автор: Воробьёв, Александр Павлович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Обнинск
• Количество страниц: 141 с. : ил.

Содержание

Список использованных сокращений и обозначений.

Введение.

1 Особенности моделирования гидродинамических процессов при тяжлых авариях на ЯЭУ

1.1 Тяжлые аварии на ЯЭУ с плавлением активной зоны

1.1.1 Фрагментация при взаимодействии кориума с теплоносителем.

1.1.2 Перемещение кориума и повторная критичность в быстрых

реакторах. Слошинг i эксперимент.

1.2 Моделирование тяжлых аварий ЯЭУ при помощи

теплогидравлических и специальных реакторных кодов

1.3 Альтернативные подходы к численному моделированию задач с

быстро меняющейся геометрией
1.3.1 Описание физической системы в лагранжевой формулировке.
1.3.2 Метод сглаженных частиц , i
i .
1.4 Выводы к главе 1.
2 Бессеточный метод сглаженных частиц для моделирования взаимодействия жидкостей в задачах со свободными поверхностями
2.1 Уравнения НавьеСтокса в формулировке метода .
2.1.1 Уравнение сохранения импульса.
2.1.2 Уравнение неразрывности.
2.2 Уравнение состояния для квазисжимаемой жидкости
2.3 Аппроксимация вязкого члена
2.4 Моделирование тврдых границ.
2.5 Сглаживающее ядро
2.6 Схема интегрирования по времени
2.7 Алгоритм поиска соседних частиц
2.8 Компьютерная реализация математической модели
2.8.1 Общая характеристика
2.8.2 Объектноориентированный подход. Классовая иерархия
2.8.3 Графический интерфейс пользователя
2.9 Выводы к главе 2.
3 Проверка адекватности математической модели на стандартных задачах
3.1 Моделирование стационарного состояния жидкости, находящейся в
неподвижном сосуде.
3.1.1 Одномерное поле давления.
3.1.2 Расчет ноля давления в двухмерной задаче.
3.2 Моделирование движения жидкости при разрушении плотины.
Двухмерная тестовая задача 2
3.3 Выводы к главе 3
4 Моделирование падения жидкой капли в контейнер с жидкостью i I
4.1 Постановка задачи.
4.2 Падение капли с низкой плотностью.
4.3 Падение капли с высокой плотностью
4.4 Исследование влияния количества частиц на результаты численного
эксперимента на примере взаимодействия тяжлой капли с объмом жидкости
4.5 Сравнительный анализ результатов.
4.6 Выводы к главе 4
5 Моделирование движения жидкости при разрушении сосуда в цилиндрической геометрии. Трхмерная задача 3 i.
5.1 Слошпнг эксперимент. Постановка задачи
5.2 Симметричный вариант
5.3 Асимметричный вариант.
5.4 Изучение влияния разрешения численной модели на высоту
центрального пика в симметричном варианте.
5.5 Обсуждение полученных результатов
5.6 Выводы к главе 5.
6 Основные результаты и выводы
ЛИТЕРАТУРА


Традиционные реакторные коды имеют ряд проблем при моделировании теплогидравлических процессов, происходящих в активной зоне реакторной установки (РУ) при тяжёлой аварии. Во многом эти трудности связаны с традиционным использованием при численном моделировании расчётных сеток, привязанных к фиксированной системе координат. Альтернативным вариантом моделирования такого класса задач являются бессеточные методы, использующие лагранжево описание перемещающихся материалов. Подобные методы успешно применяются в различных областях науки и техники, однако их применение к задачам ядерной энергетики, и в частности к задачам моделирования тяжёлых аварий, изучено недостаточно глубоко. В данной работе представляются результаты исследования возможностей бессеточных методов, а именно метода сглаженных частиц {SPH, Smoothed Particle Hydrodynamics в англ. ЯЭУ. Разработана модификация метода сглаженных частиц учитывающая специфику гидродинамических процессов, характерных для тяжёлых аварий на ядерных энергетических установках. Предложена новая комбинированная аппроксимация вязкого члена, которая позволяет численно моделировать физическую вязкость жидких систем со свободными поверхностями. При этом обеспечивается достаточная стабилизация численного решения и компенсация нефизичных осцилляций численного происхождения. Обоснованы возможность и эффективность изучения задач взаимодействия падающей жидкой капли с объёмом жидкости, и различных течений жидкости в поле силы тяжести с использованием метода сглаженных частиц. Разработанное программное обеспечение может применяться для численного моделирования гидродинамических задач со сложной и быстро меняющейся геометрией, включая такие эффекты как образование и слияние капель, разлёт вещества, динамическое взаимодействие жидкостей, изменение геометрии свободной поверхности и границы раздела жидких сред. Метод сглаженных частиц впервые применён для численного моделирования «слошинг» эксперимента. Показано, что точность предложенного метода существенно выше в сравнении с традиционными сеточными методами. Метод сглаженных частиц для задач гидродинамики тяжёлых аварий на ядерных энергетических установках. Новый метод аппроксимации вязкого члена в уравнении сохранения импульса. Программное обеспечение для численного моделирования и визуализации гидродинамических задач механики сплошной среды. Результаты численного моделирования экспериментов по изучению ударных взаимодействий капли с объёмом жидкости и «слошинг»-феномена. Разработанный алгоритм доведён до уровня программного обеспечения с развитой средой взаимодействия с пользователем, что позволяет производить численное моделирование гидродинамических процессов, характерных для тяжёлых аварий на ЯЭУ, даже исследователям, не имеющим специальной подготовки. Автором разработана модификация метода сглаженных частиц для моделирования гидродинамических процессов, характерных для тяжёлых аварий на ядерных энергетических установках, предложен новый метод аппроксимации вязкого члена в уравнении сохранения импульса. На основе предложенного метода автором создано программное обеспечение для решения гидродинамических задач механики жидкости. С использованием разработанного программного обеспечения автором проведены численные моделирование и анализ результатов задачи ударного взаимодействия капли с объёмом жидкой среды и «слошинг» эксперимента. JAEA-FZK/CEA/IRSN/ENEA SIMMER-II1/IV Review Meeting», Карлсруэ, Германия, сентябрь. Института Ядерных и Энергетических Технологий Исследовательского Центра Карлсруэ (IKET, FZK) «Winter Seminar », Шрунс, Австрия, февраль, . International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-)», Канадзава, Япония, сентябрь-октябрь, . По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ (4 публикации в сборниках трудов конференций, 2 научно-технических отчёта, 2 журнальных статьи). В том числе одна статья опубликована в издании из списка, рекомендованного ВАК РФ. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объём диссертации составляет 1 страницу. Список литературы включает наименование.