Применение корреляционного метода определения скорости потока теплоносителя при исследованиях гидродинамики турбулентных потоков в элементах ядерных реакторов

The method of correlation measurement of the coolant flow rate, widely used for operational diagnostics of nuclear power plants, can be extensively used in research practice. The aim of this work was to apply a correlation method based on the conductometric measurement system with wire-mesh sensors for measuring a coolant flow rate. Insignificant concentration of a salt solution (NaCl or Na2SO4 ) creates a gradient of the conductivity in the flow, which is used as a passive scalar measured by the system. Authors used turbulent pulsations at the interface of two concurrent flows with identical velocities in a square channel as a signal source for the correlation method. The paper presents the methodology of the tests, test facility description, signalto- noise ratio estimation, the results of digital signal processing and comparison of the measured velocities in the model with the flowrate‒averaged velocity determined by the use of flowmeters. The measured velocity values give acceptable agreement for the turbulent flow modes. It was shown that the measurement accuracy drops sharply for low-Reynolds flows. The obtained results were used for flowrate measurements in core-imitator channels of the nuclear reactor test model. The presented paper is an approbation of this approach for its application as part of an test model of a nuclear reactor in order to determine the each duct flow rates in the channels of the core simulator using wire mesh sensors

ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОКАНАЛЬНОГО ПНЕВМОМЕТРИЧЕСКОГО ЗОНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОФИЛЯ СКОРОСТИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В МОДЕЛЯХ ТОПЛИВНЫХ КАССЕТ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ

Development of heat and mass transfer intensifiers is a major engineering task in the design of new and modernization of existing fuel assemblies. These devices create lateral mass flow of coolant. Design of intensifiers affects both the coolant mixing and the hydraulic resistance. The aim of this work is to develop a methodology of measuring coolant local velocity in the fuel assembly models with different mixing grids. To solve the problems was manufactured and calibrated multihole pressure probe. The air flow velocity measuring method with multihole pressure probe was used in the experimental studies on the coolant local hydrodynamics in fuel assemblies with mixing grids. Analysis of the coolant lateral velocity vector fields allowed to study the formation of the secondary vortex flows behind the mixing grids, and to determine the basic laws of coolant flow in experimental models. Quantitative data on the coolant flow velocity distribution obtained with a multihole pressure probe make possible to determine the magnitude of the flow lateral velocities in fuel rod gaps, as well as to determine the distance at which damping occurs during mixing. Разработка интенсификаторов теплои массообмена является важной инженерной задачей при конструировании новых и модернизации существующих тепловыделяющих сборок (ТВС). Такие устройства создают направленный поперечный основному потоку перенос массы теплоносителя. В то же время конструкция интенсификаторов влияет как на перемешивание теплоносителя, так и на гидравлическое сопротивление. Целью работы являлась разработка методики измерения локальных векторов скорости теплоносителя в моделях ТВС с различными перемешивающими решетками. Для решения поставленных задач был изготовлен пневмометрический пятиканальный зонд, проведена его тарировка в однородном потоке воздуха с заданной скоростью при различных углах установки зонда. По результатам тарировки получены численные значения безразмерных комплексов давления в каналах зонда и определена их зависимость от углов набегания воздушного потока. Представленная в статье методика измерения вектора скорости потока воздуха многоканальным пневмометрическим зондом была применена в экспериментальных исследованиях по изучению локальной гидродинамики в тепловыделяющих сборках с перемешивающими решетками. Анализ полученных векторных полей поперечной скорости теплоносителя позволил изучить формирование вторичных вихревых течений за перемешивающими решетками моделей ТВС, а также определить основные закономерности движения теплоносителя. Количественные данные о распределении всех трех проекций вектора скорости потока теплоносителя, полученные с помощью пятиканального зонда, позволили определить величины поперечных скоростей потока в межтвэльных зазорах, а также определить расстояние, на котором происходит затухание процессов перемешивания.

Применение корреляционного метода определения скорости потока теплоносителя при исследованиях гидродинамики турбулентных потоков в элементах ядерных реакторов

The method of correlation measurement of the coolant flow rate, widely used for operational diagnostics of nuclear power plants, can be extensively used in research practice. The aim of this work was to apply a correlation method based on the conductometric measurement system with wire-mesh sensors for measuring a coolant flow rate.Insignificant concentration of a salt solution (NaCl or Na2SO4 ) creates a gradient of the conductivity in the flow, which is used as a passive scalar measured by the system. Authors used turbulent pulsations at the interface of two concurrent flows with identical velocities in a square channel as a signal source for the correlation method. The paper presents the methodology of the tests, test facility description, signalto-noise ratio estimation, the results of digital signal processing and comparison of the measured velocities in the model with the flowrate‒averaged velocity determined by the use of flowmeters. The measured velocity values give acceptable agreement for the turbulent flow modes. It was shown that the measurement accuracy drops sharply for low-Reynolds flows.The obtained results were used for flowrate measurements in core-imitator channels of the nuclear reactor test model. The presented paper is an approbation of this approach for its application as part of an test model of a nuclear reactor in order to determine the each duct flow rates in the channels of the core simulator using wire mesh sensors.Корреляционный метод измерения расхода теплоносителя, широко применяемый для эксплуатационной диагностики ядерных энергетических установок, может находить широкое применение в том числе и в исследовательской практике. Целью данной работы являлась отработка корреляционного метода измерения расхода теплоносителя с применением кондуктометрических систем.В работе представлен вариант применения корреляционного метода для исследования турбулентных потоков на основе кондуктометрической измерительной системы ‒ пространственных кондуктометров сетчатой конструкции. В качестве пассивной примеси используется незначительная концентрация раствора соли (NaCl или Na2SO4 ), создающей градиент проводимости среды, регистрируемыйкондуктометрической системой. В качестве переносимых возмущений в работе используются тур-булентные пульсации на границе раздела двух спутных струй с одинаковыми скоростями в канале квадратного сечения. Представлена методика проведения исследований на лабораторном стенде, результаты оценки отношения сигнал‒шум измерительной системы, проведена обработка сигналов пространственных датчиков и сравнение измеренной скорости в модели со среднерасходной скоростью, определяемой с помощью показаний расходомеров стенда.Результаты измерений дают приемлемое согласие с показаниями штатных расходомеров для характерных турбулентных режимов течения (погрешность измерения скорости потока при помощи кондуктометров составляет менее 5 %). Показано, что точность измерений резко падает для потоков с низким числом Рейнольдса.Представленная работа является апробацией данного подхода для его применения в составе экспериментальной модели ядерного реактора с целью определения поканальных расходов в каналах имитатора активной зоны при помощи сетчатых кондуктометрических датчиков

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ЗА ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕЙ ДИСТАНЦИОНИРУЮЩЕЙ РЕШЕТКОЙ ТВС-КВАДРАТ РЕАКТОРА PWR

Tgratinghis paper presents the results of experimental investigations of the influence of mixing spacer gratings with different types of deflectors on the coolant flow in the TVSKvadrat fuel assembly of the PWR-type reactor. Experimental model of the TVS-Kvadrat of the PWR reactor was made in complete geometric similarity with the full-scale cassettes. Studies were carried out by modeling the flow of coolant in the core with the use of an experimental stand; the latter was an aerodynamic open loop through which air is pumped. To measure the local hydrodynamic characteristics of the coolant flow, special pneumatic sensors were used that were able to measure the full velocity vector at the point by its three components. During the studies of the local fluid dynamics of the coolant, the transverse flow rates were measured; also, the coolant flow rates were measured by cells of the TVS-Kvadrat experimental model. The analysis of the spatial distribution of the projections of the absolute flow velocity made it possible to detail the pattern of the coolant flow behind the mixing spacing gratings with different variants of the deflector design, as well as to choose the deflector of the optimal design. Accumulated data base on the flow of the coolant in the TVS-Kvadrat fuel assembly formed the basis of the engineering justification of the structures of the active zones of PWR reactors. Guidelines for choosing optimal designs mixing spacing grids have been considered by designers of the “Afrikantov OKBM” JSC when they created implementations of the latest TVS-Kvadrat assemblies. The results of experimental studies are used to verify CFD-codes of both foreign and domestic origin, as well as the programs for detailed cell-by-cell calculation of active zones in order to reduce conservatism in the justification of thermal reliability.В статье представлены результаты экспериментальных исследований влияния перемешивающих дистанционирующих решеток с различными вариантами конструкции дефлекторов на течение потока теплоносителя в ТВС-Квадрат реактора PWR. Экспериментальные модели ТВС-Квадрат реактора PWR были изготовлены в полном геометрическом подобии с натурными кассетами. Исследования проводились путем моделирования течения теплоносителя в активной зоне на экспериментальном стенде, представляющем собой аэродинамический разомкнутый контур, через который прокачивается воздух. Для измерения локальных гидродинамических характеристик потока теплоносителя использовались специальные пневмометрические датчики, позволяющие измерять полный вектор скорости в точке по трем его компонентам. При проведении исследований локальной гидродинамики теплоносителя измерялись поперечные скорости потока, а также расходы теплоносителя по ячейкам экспериментальной модели ТВС-Квадрат. Анализ пространственного распределения проекций абсолютной скорости потока позволил детализировать картину течения теплоносителя за перемешивающими дистанционирующими решетками с различными вариантами конструкции дефлекторов, а также выбрать дефлектор оптимального конструктивного исполнения. Накопленная база данных по течению теплоносителя в ТВС-Квадрат легла в основу инженерного обоснования конструкций активных зон реакторов PWR. Рекомендации по выбору оптимальных вариантов конструкций перешивающих дистанционирующих решеток учитывались конструкторами АО «ОКБМ Африкантов» при создании вводимых в эксплуатацию новейших ТВС-Квадрат. Результаты экспериментальных исследований используются для верификации CFD-кодов как зарубежной, так и отечественной разработки, а также программ детального поячеечного расчета активных зон с целью уменьшения консерватизма при обосновании теплотехнической надежности

Методика обоснования представительности измерений при помощи пространственных кондуктометрических датчиков для исследования гидродинамики однофазных потоков теплоносителя

The well-known method of spatial conductometry is widely used for hydrodynamical investigations in the frame of validation benchmarks. The aim of the work was to develop the method of representativeness substantiation for use of the conductometric sensors in single-phase applications.The paper presents aspects of wire-mesh sensors (WMS) applications in non-uniform conductivity fields. The equivalent electrical circuits for the measurement cell and WMS are proposed and investigated. The methods of translation from measured conductance to conductivity of the water are discussed. Decomposition of the uncertainty sources and their propagation through measurements are investigated.To obtain the «cross-talk» effect of the measurements the fi model of WMS fl domain was created. The results of calculations showed the dependence of the measurement results on the conductivity contrast in the cells as well as on the size of the contrast domain. The proposed method of the measurement uncertainty estimate was applied to the real WMS and it’s measurement system. The obtained results are topical for validation tests with the use of tracer methods and WMS.Метод исследований гидродинамики при помощи пространственных кондуктометров активно используется в международной практике проведения эталонных верификационных экспериментов. Целью данной работы являлось создание методики обоснования представительности измерений при помощи пространственных кондуктометрических датчиков для измерений в однофазных потоках.В статье рассмотрены аспекты работы пространственных кондуктометрических датчиков в полях неравномерной проводимости при исследовании гидродинамики однофазных потоков теплоносителя. Приводятся методы эквивалентных замещений выделенной ячейки и всей измерительной области датчика. Предложены методы оценки приемлемости упрощений для пересчета измеряемой проводимости в поле удельной электропроводности среды. Проведена декомпозиция источников неопределенности результатов измерений.Выполнены эксперименты и численное моделирование сетчатого датчика для выяснения интенсивности межъячеечного влияния и погрешности тарировки. Результаты расчетов показали существенную зависимость показаний датчика от контрастности измеряемого поля и геометрического размера возмущений. Предложенная методика оценки неопределенности апробирована на конкретных датчиках и измерительной системе. Полученные результаты актуальны для постановки валидационных экспериментов с применением трассеров и метода кондуктометрии

Измерение температурного и напряженно-деформированного состояний трубного образца при воздействии локальных стохастических температурных пульсаций

Provding a high level of durability of heat exchange equipment of water-cooled reactors under local stochastic temperature pulsations is an important scientific and technical problem for the nuclear power industry. Temperature pulsations produced by mixing non-isothermal coolant flows with high temperature gradient are most dangerous. This work is an experimental study of temperature and stress-strain state of a tube sample under local stochastic temperature pulsations caused by mixing of coolant flows.To solve the problems posed, a Y-junction with «counter injection» was built, which was included in the thermal-hydraulic research facility. The design of the Y-junction allows study of the thermal-hydraulic characteristics and durability of tube samples made of austenitic steel of 60 × 5 мм. Some tube samples had developed for measuring the temperature, stress-strain state of tube material and temperature field of coolant flow in mixing zone of single-phase coolants with different temperatures. Measuring tube samples were equipped with micro thermocouples and strain gauges.The experimental data of temperature pulsations, time-averaged temperature field in the coolant flow and on the outer surface of the sample were obtained, and statistical and spectral correlation characteristics of temperature pulsations were analyzed. According to results of measuring the relative strain, values of stresses were calculated.Devices and research techniques are developed. The combination of coolant flows parameters that provide thermal load of the metal surface at the highest level of stress intensity amplitude was obtained. The study results are used to verify the method for evaluating fatigue of reactor installations materials under stochastic temperature pulsations.Обеспечение ресурса теплообменного оборудования водоохлаждаемых реакторных установок при случайных пульсациях температуры является важной научно-технической задачей атомной энергетики. Наиболее опасны термопульсации, вызываемые смешением потоков рабочих сред при высоких градиентах температуры. Целью работы являлось экспериментальное исследование температурного и напряженно-деформированного состояний трубного образца при воздействии локальных термопульсаций, обусловленных смешением потоков теплоносителя.Для решения поставленных задач изготовлен тройниковый узел типа «встречный впрыск», включенный в состав теплофизического исследовательского стенда. Конструкция узла позволяет проводить исследования теплогидравлических и ресурсных характеристик трубных образцов 60 × 5 мм, изготовленных из сталей аустенитного класса. Разработаны средства измерения температурного, напряженно-деформированного состояний трубного образца и температурного поля потока теплоносителя в зоне смешения однофазных сред с различной температурой. Измерительные модели оснащены микротермопарами и тензорезисторами. В результате исследований получены массивы экспериментальных данных, содержащих реализации термопульсаций, осредненные во времени профили температуры потока и наружной поверхности трубного образца, статистические и спектрально-корреляционные характеристики термопульсаций. По результатам измерения относительных деформаций определены значения усталостных напряжений.Разработаны устройства и методики исследования. Установлены комбинации режимных параметров, обеспечивающих термосиловое нагружение поверхности металла с наиболее высоким уровнем амплитуд переменных напряжений. Полученные данные используются для верифицирования метода оценки усталостной долговечности конструкционных материалов реакторных установок при случайных термопульсациях

APPLICATION OF MULTIHOLE PRESSURE PROBE FOR RESEARCH OF COOLANT VELOCITY PROFILE IN NUCLEAR REACTOR FUEL ASSEMBLIES

Development of heat and mass transfer intensifiers is a major engineering task in the design of new and modernization of existing fuel assemblies. These devices create lateral mass flow of coolant. Design of intensifiers affects both the coolant mixing and the hydraulic resistance. The aim of this work is to develop a methodology of measuring coolant local velocity in the fuel assembly models with different mixing grids. To solve the problems was manufactured and calibrated multihole pressure probe. The air flow velocity measuring method with multihole pressure probe was used in the experimental studies on the coolant local hydrodynamics in fuel assemblies with mixing grids. Analysis of the coolant lateral velocity vector fields allowed to study the formation of the secondary vortex flows behind the mixing grids, and to determine the basic laws of coolant flow in experimental models. Quantitative data on the coolant flow velocity distribution obtained with a multihole pressure probe make possible to determine the magnitude of the flow lateral velocities in fuel rod gaps, as well as to determine the distance at which damping occurs during mixing

Method of Measurement Representativeness Assessment for Spatial Conductometric Sensors as Applied to Investigation of Hydrodynamics in Single Phase Flows

The well-known method of spatial conductometry is widely used for hydrodynamical investigations in the frame of validation benchmarks. The aim of the work was to develop the method of representativeness substantiation for use of the conductometric sensors in single-phase applications.The paper presents aspects of wire-mesh sensors (WMS) applications in non-uniform conductivity fields. The equivalent electrical circuits for the measurement cell and WMS are proposed and investigated. The methods of translation from measured conductance to conductivity of the water are discussed. Decomposition of the uncertainty sources and their propagation through measurements are investigated.To obtain the «cross-talk» effect of the measurements the fi model of WMS fl domain was created. The results of calculations showed the dependence of the measurement results on the conductivity contrast in the cells as well as on the size of the contrast domain. The proposed method of the measurement uncertainty estimate was applied to the real WMS and it’s measurement system. The obtained results are topical for validation tests with the use of tracer methods and WMS

REGULARITIES OF FORMATION OF FLOW OF COOLANT BEHIND THE TVS-KVADRAT MIXING SPACING GRID OF THE PWR-TYPE REACTOR

Tgratinghis paper presents the results of experimental investigations of the influence of mixing spacer gratings with different types of deflectors on the coolant flow in the TVSKvadrat fuel assembly of the PWR-type reactor. Experimental model of the TVS-Kvadrat of the PWR reactor was made in complete geometric similarity with the full-scale cassettes. Studies were carried out by modeling the flow of coolant in the core with the use of an experimental stand; the latter was an aerodynamic open loop through which air is pumped. To measure the local hydrodynamic characteristics of the coolant flow, special pneumatic sensors were used that were able to measure the full velocity vector at the point by its three components. During the studies of the local fluid dynamics of the coolant, the transverse flow rates were measured; also, the coolant flow rates were measured by cells of the TVS-Kvadrat experimental model. The analysis of the spatial distribution of the projections of the absolute flow velocity made it possible to detail the pattern of the coolant flow behind the mixing spacing gratings with different variants of the deflector design, as well as to choose the deflector of the optimal design. Accumulated data base on the flow of the coolant in the TVS-Kvadrat fuel assembly formed the basis of the engineering justification of the structures of the active zones of PWR reactors. Guidelines for choosing optimal designs mixing spacing grids have been considered by designers of the “Afrikantov OKBM” JSC when they created implementations of the latest TVS-Kvadrat assemblies. The results of experimental studies are used to verify CFD-codes of both foreign and domestic origin, as well as the programs for detailed cell-by-cell calculation of active zones in order to reduce conservatism in the justification of thermal reliability

Simulation of Turbulent Convection at High Rayleigh Numbers

The paper considers the possibility of using different approaches to modeling turbulence under conditions of highly developed convection at high Rayleigh numbers. A number of industrially oriented problems with experimental data have been chosen for the study. It is shown that, at Rayleigh numbers from 109 to 1017, the application of the eddy-resolving LES model makes it possible to substantially increase the accuracy of modeling natural convection in comparison with the linear vortex viscosity model SST. This advantage is most pronounced for cases of a vertical temperature difference with the formation of a large zone of convection of strong intensity. The use of the Reynolds stress model EARSM is shown for cases of natural convective flow in domains with dihedral angles in the simulated region and the predominance of secondary currents. When simulating a less intense convective flow, when the temperature difference is reached at one boundary, the differences in the approaches used to model turbulence are less significant. It is shown that, with increasing values of Rayleigh numbers, errors in the determination of thermohydraulic characteristics increase and, for more accurate determination of them, it is expedient to use eddy-resolving approaches to the modeling of turbulence. © 2018 Sergey Dmitriev et al