Termohydraulický návrh jaderných zařízení 4

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra jaderných reaktorů

Anotace:

Předmět Termohydraulický návrh jaderných zařízení 4 rozšiřuje základní vědomosti studentů v problematice termohydrauliky jaderných zařízení. Studenti se dozví více o proudění stlačitelných tekutin (plyny, páry, ..), dvoufázovém proudění a metodách jeho výpočtu a možnostech termohydraulické analýzy aktivní zóny. Součástí je rovněž širší výklad turbulentního proudění a modelů vyvinutých pro jeho výpočet. Výklad je zaměřen na pochopení a aplikaci těchto vědomostí zejména pro standardní termohydraulický návrh jaderných zařízení a havarijní analýzy, ukazuje současně i dnešní limity vědomostí v těchto oblastech. Samostatná přednáška se týká speciálních případů sdílení tepla s méně tradičními teplonositeli (nadkritická voda, tekuté kovy a soli a plyny), uplatnitelných např. při výpočtech reaktorů IV generace.

Požadavky:

THNJ1, THNJ2, THNJ3 nebo ekvivalentní

Osnova přednášek:

1. Proudění stlačitelných tekutin

Rozsah: 2 přednášky

Rychlost zvuku a stlačitelnost tekutin, využití 1. termodynamického zákona pro otevřený termodynamický systém, kritický výtok tekutiny ze zásobníku, Lavalova dýza (princip, výpočet, konstrukce, využití), stacionární rovinná rázové vlna u ideálního plynu a reálného plynu, další typy rázových vln.

2. Dvoufázové proudění

Rozsah: 7 přednášek:

a) Základy dvoufázového proudění a principy jeho výpočtu: rovnice zákonů zachování, konstitutivní vztahy a hraniční podmínky, redukce rovnic, homogenní rovnovážný model, nehomogenní rovnovážný model se skluzem, definice základních veličin a jejich výpočetb) typy 2F proudění (horizontální a vertikální kanál), charakteristika (diagram) proudění, vlivy na charakteristiku proudění, příklad na určení typu proudění

c) drift-flux model a jeho vybrané korelace, ostatní modely pro výpočet skluzu, příklad na výpočet skluzu

d) tlakové ztráty při 2F proudění, homogenní a nehomogenní modely pro určení ztrát třením, ztráty na místních odporech, ztráta hydrostatickým tlakem a ztráta na urychlení, příklad na výpočet tlakových ztrát 2F prouděním,

e) nestability 2F proudění: typy nestabilit a jejich původ (Ledineggova nestabilita, gejzírování), vlivy na nestability, kritický 2F výtok

f) neadiabatické 2F proudění - ohřev v kanálu a jeho jednotlivé fáze, určení objemového podílu páry a součinitele přestupu tepla, tlakové ztráty, kondenzace v kanálu

3. Turbulentní proudění

Rozsah: 2 přednášky

Principy a vznik turbulentního proudění, nestability, možnosti popisu a výpočtu turbulentního proudění, přehled a klasifikace modelů turbulentního proudění a jejich principy, podrobné popisy a principy modelů turbulence: K-epsilon, K-omega, RNG, modely s Reynoldsovým napětím, LES modely, atd., celkové srovnání jednotlivých modelů a jejich použití.

4. Termohydraulická analýza AZ a dalších zařízení JE

Rozsah: 1 přednáška

Přístupy k řešení termohydrauliky AZ, principy a problematika CFD, výhody a nevýhody CFD, principy subkanálové analýzy a její použití při výpočtech palivových souborů, přepis základních rovnic proudění pro subkanálovou analýzu, doplňující rovnice subkanálové analýzy (turbulentní míšení, tlakové ztráty, atd.), aplikace subkanálové analýzy ve výpočetních kódech a jejich stručný přehled a charakteristiky, výhody a nevýhody subkanálové analýzy, integrální termohydraulické kódy, jejich princip a možnosti použití.

5. Speciální případy sdílení tepla

Rozsah: 1 přednáška

Srovnání různých chladiv, sdílení tepla v tekutých kovech: termofyzikální vlastnosti nejpoužívanějších tekutých kovů (sodík, eutektikum Pb-Bi), nucená i přirozená konvekce. Sdílení tepla v plynech: termofyzikální vlastnosti helia jako teplonositele, vliv vysokých rychlostí proudění na výpočty, principy termohydraulického výpočtu vrstvy s kulovými palivovými články. Sdílení tepla do nadkritické vody: termofyzikální vlastnosti nadkritické vody, korelace po výpočty přestupu tepla a tlakových ztrát, problematika zhoršení přestupu tepla. Sdílení tepla v tekutých solích: termofyzikální vlastnosti fluoridových solí, nucená i přirozená konvekce, problematika vnitřních zdrojů tepla.

Osnova cvičení:

V rámci přednášek jsou vybrané probírané kapitoly doplněny výpočty praktických příkladů. Výpočet příkladů na téma: kritický výtok, Lavalova dýza, rázová vlna, rozlišení typu dvoufázového proudění, tlakové ztráty při dvoufázovém proudění, ohřev v kanálu.

Cíle studia:

Znalosti: teoretické znalosti vybraných kapitol mechaniky tekutin, termodynamiky a sdílení tepla (viz přehled témat přednášek) uplatnitelné při návrhu či popisu jaderných zařízení, zejména aktivní zóny a primárního okruhu, ale i ostatních komponent jaderných zařízení (např. parních generátorů, lopatkových mříží turbín apod.

Schopnosti: Orientace v dané problematice, uplatnění získaných znalostí v dalších navazujících předmětech zabývajících se termomechanikou, konstrukcí jednotlivých zařízení na elektrárnách i chování a řízení jaderné elektrárny jako celku. Schopnost jednoduchých výpočtů a kritického posouzení výsledků.

Studijní materiály:

Povinné: 1. Todreas, N.E., Kazimi M.S.: Nuclear systems, volume I, CRC Press, 2012, ISBN 978-1-4398-0887-0

2. Mareš R. - Šifner O. - Kadrnožka J.: Tabulky vlastností vody a vodní páry podle průmyslové formulace IAPWS-IF97, VUTIUM , 1999, ISBN 80-214-1316-6

3. Uruba V.: Turbulence - nakladatelství ČVUT, 2009, ISBN 978-80-01-04330-1

4. Bar-Meir, G.: Fundamentals of Compressible Fluid Mechanics, Chicago, Version 0.4.9.8, 2013

Doporučené:

1. Todreas, N.E., Kazimi M.S.: Nuclear systems, volume II, Tailor and Francis, 2001, ISBN 1-56032-079-6

2. Tong, L.S., Weisman, J.: Thermal Analysis of Pressurized Water Reactors, American Nuclear Society, Illinois USA, 1996, ISBN: 0-89448-038-3

3. Wilcox, D. C.: Turbulence modeling for CFD, DCW Industries, California, 2002

4. Weseeling, P.: Principles of Computational Fluid Dynamics, Springer, 2000

5. Kobylka, D.: Odvod tepla z ADS systémů chlazených roztavenými solemi jako palivo-chladivo, Disertační práce, ČVUT v Praze, 2005

6. Tang Y.S., Coffield R.D., Markley R.A.: Thermal Analysis of Liquid Metal Fast Breeder Reactors, American Nuclear Society, Madison USA, 1978, ISBN: 0-89448-011-1

Poznámka:

Další informace:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů: