ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ СМЕШЕНИЯ ПОТОКОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ЭЛЕМЕНТАХ ОБОРУДОВАНИЯ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Coolant flow mixing processes with different temperatures and concentrations of diluted additives widely known in nuclear power units operation. In some cases these processes make essential impact on the resource and behavior of the nuclear unit during transient and emergency situations. The aim of the study was creation of measurement system and test facility to carry out basic tests and to embed spatial conductometry method in investigation practice of turbulent coolant flows. In the course of investigation measurement system with sensors and experimental facility was designed, several first tests were carried out. A special attention was dedicated to calibration and clarification of conductometry sensor application methodologies in studies of turbulent flow characteristics. Investigations involved method of electrically contrast tracer jet with concurrent flow in closed channel of round crosssection. The measurements include both averaged and unsteady realizations of measurement signal. Experimental data processing shows good agreement with other tests acquired from another measurement systems based on different physical principles. Calibration functions were acquired, methodical basis of spatial conductometry measurement system application was created. Gathered experience of spatial sensor application made it possible to formulate the principles of further investigation that involve large-scale models of nuclear unit equipment. Spatial wire-mesh sensors proved to be a perspective type of eddy resolving measurement devices.Процессы смешения потоков с различной температурой и концентрацией растворенной примеси весьма распространены в оборудовании ядерных энергетических установок. В ряде случаев такие процессы значительно влияют на ресурс реакторной установки и ее поведение в переходных и аварийных режимах работы. Целью работы было создание измерительной системы и тестового экспериментального стенда, проведение первичных исследований, внедрение метода пространственной кондуктометрии в практику исследования турбулентных потоков теплоносителя. В ходе работы создан измерительный комплекс, включая сами пространственные датчики, и экспериментальный стенд для проведения исследований; выполнены первичные тесты. Особое внимание уделено процедурам калибровки и методической отработке применения кондуктометрических датчиков при измерении характеристик турбулентных потоков теплоносителя. Исследования проводили методом электрически контрастного трассера при спутно-струйном течении в закрытом канале круглого поперечного сечения. В ходе измерений получали как осредненные, так и нестационарные реализации измерительного сигнала. Выполненная обработка данных эксперимента показывает хорошее их согласование с данными, полученными при помощи измерительных систем, основанных на других физических принципах действия. Получены калибровочные зависимости, создана методическая база настройки и применения измерительных систем с пространственными кондуктометрическими датчиками. Приобретенный опыт работы с пространственными кондуктометрами позволил сформулировать принципы проведения исследований на крупномасштабных моделях основного оборудования ядерных энергетических установок. Пространственные датчики сетчатой конструкции зарекомендовали себя как перспективный тип вихреразрешающих измерительных устройств

РАЗРАБОТКА И АДАПТАЦИЯ ВИХРЕРАЗРЕШАЮЩЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВЕРИФИКАЦИОННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА КРУПНОМАСШТАБНОЙ МОДЕЛИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

The last decades development of applied calculation methods of nuclear reactor thermal and hydraulic processes are marked by the rapid growth of the High Performance Computing (HPC), which contribute to the active introduction of Computational Fluid Dynamics (CFD). The use of such programs to justify technical and economic parameters and especially the safety of nuclear reactors requires comprehensive verification of mathematical models and CFD programs. The aim of the work was the development and adaptation of a measuring system having the characteristics necessary for its application in the verification test (experimental) facility. It’s main objective is to study the processes of coolant flow mixing with different physical properties (for example, the concentration of dissolved impurities) inside a large-scale reactor model. The basic method used for registration of the spatial concentration field in the mixing area is the method of spatial conductometry. In the course of the work, a measurement complex, including spatial conductometric sensors, a system of secondary converters and software, was created. Methods of calibration and normalization of measurement results are developed. Averaged concentration fields, nonstationary realizations of the measured local conductivity were obtained during the first experimental series, spectral and statistical analysis of the realizations were carried out.The acquired data are compared with pretest CFD-calculations performed in the ANSYS CFX program. A joint analysis of the obtained results made it possible to identify the main regularities of the process under study, and to demonstrate the capabilities of the designed measuring system to receive the experimental data of the «CFD-quality» required for verification.The carried out adaptation of spatial sensors allows to conduct a more extensive program of experimental tests, on the basis of which a databank and necessary generalizations will be created. The received information allows to answer a number of questions related to scaling up the results of CFD calculations at the fullscale parameters of pressurized nuclear reactors. Последние десятилетия развитие методов прикладных расчетов теплогидравлических процессов, происходящих в ядерном реакторе, ознаменовано бурным ростом вычислительных мощностей суперкомпьютеров (High Performance Computing, HPC), способствующих активному внедрению методов вычислительной гидродинамики (английская аббревиатура CFD). Использование таких программ для обоснования технико-экономических показателей, в особенности безопасности ядерных реакторов, требует проведения всесторонней верификации математических моделей и самих CFD-программ. Целью работы являлась разработка и адаптация измерительной системы, обладающей характеристиками, необходимыми для ее применения в составе верификационного экспериментального стенда. Стенд предназначен для исследования процессов смешения потоков теплоносителя с различными физическими свойствами (например, концентрацией растворенных примесей) внутри крупномасштабной модели реактора. Основной метод, применяемый для регистрации пространственного поля концентрации в области смешения, – метод пространственной кондуктометрии.В ходе работы создан измерительный комплекс, включающий пространственные кондуктометрические датчики, систему вторичных преобразователей и программное обеспечение. Разработаны методики калибровки и нормировки результатов измерений. В ходе первой серии экспериментов получены осредненные поля концентрации примеси в потоке теплоносителя, нестационарные реализации измеряемой локальной проводимости, проводился их спектральный и статистический анализ.Проведено сравнение полученных данных с претестовыми CFD-расчетами, выполненными в программе ANSYS CFX. Совместный анализ полученных результатов позволил выявить основные закономерности исследуемого процесса, продемонстрировать возможности созданной измерительной системы в части получения экспериментальных данных требуемого для верификации «CFD-качества».Проведенная адаптация пространственных датчиков позволяет провести более обширную программу экспериментальных исследований, на основе которой будет создан банк данных и необходимых обобщений. Полученная информация дает возможность ответить на ряд вопросов, связанных с масштабированием результатов CFD-расчетов на натурные параметры работы водо-водяных ядерных реакторов.

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

APPLICATION FEATURES OF SPATIAL CONDUCTOMETRY SENSORS IN MODELLING OF COOLANT FLOW MIXING IN NUCLEAR POWER UNIT EQUIPMENT

Coolant flow mixing processes with different temperatures and concentrations of diluted additives widely known in nuclear power units operation. In some cases these processes make essential impact on the resource and behavior of the nuclear unit during transient and emergency situations. The aim of the study was creation of measurement system and test facility to carry out basic tests and to embed spatial conductometry method in investigation practice of turbulent coolant flows. In the course of investigation measurement system with sensors and experimental facility was designed, several first tests were carried out. A special attention was dedicated to calibration and clarification of conductometry sensor application methodologies in studies of turbulent flow characteristics. Investigations involved method of electrically contrast tracer jet with concurrent flow in closed channel of round crosssection. The measurements include both averaged and unsteady realizations of measurement signal. Experimental data processing shows good agreement with other tests acquired from another measurement systems based on different physical principles. Calibration functions were acquired, methodical basis of spatial conductometry measurement system application was created. Gathered experience of spatial sensor application made it possible to formulate the principles of further investigation that involve large-scale models of nuclear unit equipment. Spatial wire-mesh sensors proved to be a perspective type of eddy resolving measurement devices

DEVELOPMENT AND ADAPTATION OF VORTEX REALIZABLE MEASUREMENT SYSTEM FOR BENCHMARK TEST WITH LARGE SCALE MODEL OF NUCLEAR REACTOR

The last decades development of applied calculation methods of nuclear reactor thermal and hydraulic processes are marked by the rapid growth of the High Performance Computing (HPC), which contribute to the active introduction of Computational Fluid Dynamics (CFD). The use of such programs to justify technical and economic parameters and especially the safety of nuclear reactors requires comprehensive verification of mathematical models and CFD programs. The aim of the work was the development and adaptation of a measuring system having the characteristics necessary for its application in the verification test (experimental) facility. It’s main objective is to study the processes of coolant flow mixing with different physical properties (for example, the concentration of dissolved impurities) inside a large-scale reactor model. The basic method used for registration of the spatial concentration field in the mixing area is the method of spatial conductometry. In the course of the work, a measurement complex, including spatial conductometric sensors, a system of secondary converters and software, was created. Methods of calibration and normalization of measurement results are developed. Averaged concentration fields, nonstationary realizations of the measured local conductivity were obtained during the first experimental series, spectral and statistical analysis of the realizations were carried out.The acquired data are compared with pretest CFD-calculations performed in the ANSYS CFX program. A joint analysis of the obtained results made it possible to identify the main regularities of the process under study, and to demonstrate the capabilities of the designed measuring system to receive the experimental data of the «CFD-quality» required for verification.The carried out adaptation of spatial sensors allows to conduct a more extensive program of experimental tests, on the basis of which a databank and necessary generalizations will be created. The received information allows to answer a number of questions related to scaling up the results of CFD calculations at the fullscale parameters of pressurized nuclear reactors

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