Mặc dù đƣợc phát triển từ nhiều thập niên trƣớc đây, năng lƣợng hạt nhân vẫnđang còn là một ngành năng lƣợng quan trọng trong chính sách an toàn năng lƣợng của nhiều quốc gia, trong đó có cả Việt Nam. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, với việc xảy ra sự cố Fukushima tháng 3 năm 2011, buộc chính phủ Việt Nam và các nƣớc trên thế giới cân nhắc lại nên xây dựng hay loại bỏ ngành năng lƣợng này ra khỏi chính sách năng lƣợng. Nguyên nhân chính ở đây là do tính an toàn của các nhà máy điện hạt nhân màchúng ta luôn nghi ngờ nó. Với việc nghiên cứu và phát triển khoa học hạt nhân ngàycàng phát triển nhƣ hiện nay, chúng ta có thể cải thiện tính an toàn của nhà máy điện hạtnhân từ đó phát triển các thế hệ lò mới, đảm bảo nhà máy điện luôn an toàn trong quátrình hoạt động cũng nhƣ khi xảy ra các sự cố. Một trong những lĩnh vực nghiên cứu quantrọng trong ngành năng lƣợng hạt nhân đó chính là lĩnh vực thủy nhiệt hạt nhân, mục đíchlà nghiên cứu và dự đoán các hiện tƣợng thủy nhiệt xảy ra trong lò phản ứng. Từ đó đemđến các bƣớc tiến mới trong phân tích an toàn nhà máy điện hạt nhân. Một số hiện tƣợngthủy nhiệt xảy ra trong lò phản ứng nhƣ quá trình trao đổi nhiệt giữa thanh nhiên liệu vànƣớc làm mát, quá trình trao đổi nhiệt từ vòng sơ cấp và vòng thứ cấp đối với lò nƣớc áplực PWR… Một trong những hiện tƣợng quan trọng trong phân tích an toàn hạt nhân đóchính là quá trình sôi đối lƣu trong các kênh dẫn đứng của bó nhiên liệu và nƣớc làm mát.Đây là một hiện tƣợng phức tạp, ứng với mỗi công suất lò xảy ra các chế độ sôi khác nhaunhƣ mô tả ở hình 1.1 dƣới đây.Trên hình 1.1, nƣớc ở trạng thái dƣới bão hòa đƣợc bơm vào lối dƣới của ống.Trạng thái đầu tiên là quá trình sôi bọt dƣới bão hòa (subcooled nucleat boiling). Trongquá trình này, chế độ trao đổi nhiệt chủ yếu là đối lƣu cƣỡng bức dòng đơn pha. Quá trìnhsôi bọt sẽ xuất hiện khi nƣớc vùng nằm tiếp giáp với lớp tƣờng đƣợc gia nhiệt lớn hơn, bịbay hơi và hình thành dần các bọt ở vùng này. Các bọt này đạt đến kích thƣớc tới hạn thìsẽ tách ra khỏi tƣờng, di chuyển trong khối nƣớc, bị làm nguội dƣới bão hòa và ngƣng tụnên pha nƣớc sẽ đƣợc gia nhiệt. Trong trƣờng hợp nhiệt độ tƣờng càng tăng lên, vùng đốilƣu đơn pha sẽ giảm dần, đồng thời vùng sôi bọt tăng lên. Khi vùng sôi bọt chiếm toàn bộbề mặt thì chế độ sôi bọt đƣợc phát triển hoàn toàn (fullydeveloped).
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU - XÂY DỰNG MODULE TÍNH TỐN MƠ PHỎNG DỊNG PHA TRONG KÊNH DẪN ĐỨNG SỬ DỤNG CHƢƠNG TRÌNH OpenFOAM Họ tên Phan Bá Giáp Mã số sinh viên 20124185 Lớp, khóa Kỹ thuật hạt nhân, khóa 57 Viện Kỹ thuật hạt nhân vật lý môi trƣờng Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Giáo viên hƣớng dẫn TS Nguyễn Văn Thái Hà Nội, tháng năm 2017 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN KÝ HIỆU SỬ DỤNG DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƢƠNG MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỘNG HỌC DÒNG HAI PHA TRONG KÊNH DẪN ĐỨNG 13 1.1 Phƣơng trình bảo tồn khối lƣợng 15 1.2 Phƣơng trình bảo tồn động lƣợng 18 1.3 Mô hình chảy rối 22 1.3.1 Mơ hình dòng chảy rối pha lỏng (The turbulence of the liquid phase) 22 1.3.2 Pha khí chảy rối (The turbulent of the gas phase) 24 1.4 Hàm tƣờng (Wall function) 25 1.5 Phƣơng trình áp suất thuật giải PIMPLE 26 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN SỐ MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC DỊNG PHA TRONG KÊNH DẪN ĐỨNG 31 2.1 Giới thiệu chung 31 2.2 Phƣơng pháp tính tốn số 32 2.2.1 Rời rạc miền nghiệm 32 2.2.2 Sắp xếp lƣu trữ biến 35 2.2.3 Rời rạc phƣơng trình 36 2.2.4 Rời rạc phƣơng trình động học dịng pha 46 2.2.5 Giải hệ phƣơng trình đại số 47 CHƢƠNG MODULE TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC DỊNG HAI PHA TRONG KÊNH DẪN ĐỨNG SỬ DỤNG CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN MÃ NGUỒN MỞ OpenFOAM 51 3.1 Giới thiệu chung OpenFOAM 51 3.1.1 Đƣa vào phƣơng trình 52 3.1.2 Thƣ mục case chạy mô 53 3.2 Module tính tốn số cho dòng pha kênh dẫn đứng sử dụng chƣơng trình tính tốn OpenFOAM 54 3.2.1 Module rời rạc miền nghiệm 54 3.2.2 Module rời rạc phƣơng trình 59 3.2.3 Giải thuật toán kiểm soát 61 3.2.4 Thuật tốn vịng lặp giải ma trận 64 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 69 4.1 Hệ thực nghiệm PURDUE 2001 69 4.2 Kết mô 71 4.2.1 Đánh giá mơ hình sử dụng 71 4.2.2 Đánh giá sai số phƣơng pháp tính tốn số 73 4.3 Kết luận 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 LỜI CẢM ƠN Lời em xin cảm ơn mái trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt Viện Kỹ thuật hạt nhân vật lý môi trƣờng tạo môi trƣờng học tập tốt cho sinh viên chúng em suốt thời gian năm học vừa qua Kính chúc thầy trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội nói chung Viện Kỹ thuật hạt nhân vật lý mơi trƣờng nói riêng ln ln có nhiều sức khỏe, nhiều niềm vui thành cơng sống để giảng dạy đào tạo cho đất nƣớc kỹ sƣ chất lƣợng, giúp ích cho nghiệp cơng nghiệp hóa đại hóa nƣớc nhà Xin cảm ơn gia đình, bạn bè ln bên để động viên, tiếp sức cho em suốt quãng thời gian qua Đặc biệt, để hoàn thành đồ án này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Nguyễn Văn Thái, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn bảo em thời gian làm đồ án vừa qua Mặc dù trình làm đồ án, có đơi lúc khó khăn tƣởng chừng nhƣ bỏ nhƣng thầy kịp thời động viên em, giúp em có thêm động lực để hồn thành đồ án Một lần em xin chân thành cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đồ án tốt nghiệp tơi thực hiện, số liệu thu thập kết phân tích đề tài trung thực có dẫn chứng đầy đủ Đề tài không trùng với đề tài khoa học Những thông tin tham khảo đồ án đƣợc trích dẫn cụ thể Nếu sai, tơi xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Hà Nội, tháng năm 2017 Sinh viên thực Phan Bá Giáp KÝ HIỆU SỬ DỤNG M m N m/s N/kg3=kg/m2/s2 p S Pa - t T U z/D W / m2 kg / s3 s K °C m/s - kg / m3 / s kg / m3 σ N / m2 kg / m / s kg/s2 Ý nghĩa Hệ số lực lift Hệ số lực drag Hệ số lực tƣờng Hệ số lực turbulent dispersion Hệ số lực virtual mass Đƣờng kính Sauter Lực Vận tốc riêng pha Gia tốc trọng trƣờng Lực tác dụng lên mặt biên đơn vị thể tích Áp suất Nguồn sinh thể tích hữu hạn Thơng lƣợng nhiệt Thời gian Nhiệt độ Vận tốc Tỷ lệ vị trí đo đạc độ dài ống Hệ số thể tích pha Tốc độ trao đổi khối lƣợng đơn vị thể tích Mật độ khối Tensor độ nhớt Lực căng bề mặt Ψ a b corr eff ε μ R s2/m2 m2/s3 Pa.s N/m3 Hệ số nén Pha khí Pha lỏng Corrected Effective Phân tán lƣợng rối Độ nhớt học Stress tensor Ký hiệu F j g Đơn vị - DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Các chế độ dòng chảy truyền nhiệt kênh dẫn đứng Hình Đƣờng cong sôi chế độ trao đổi nhiệt 10 Hình Phân loại mẫu dịng chảy hai pha dựa hình học mặt biên 10 Hình Thể tích điều khiển CV 14 Hình Phân bố vận tốc gần tƣờng 25 Hình Vòng lặp PIMPLE 30 Hình Quá trình rời rạc hóa phƣơng trình sử dụng lý thuyết FVM 32 Hình 2 Rời rạc miền nghiệm 33 Hình Cell mặt cell 33 Hình Cấu trúc lƣới ống đứng 34 Hình Sắp xếp biến phụ thuộc lƣới a) Lƣới collocated b) Lƣới staggered 35 Hình Lƣới collocated 36 Hình Sai phân trung tâm 40 Hình Biên CV 44 Hình Ma trận miền nghiệm 50 Hình Tổng quan cấu trúc OpenFOAM 51 Hình Cấu trúc case 53 Hình 3 Lƣới hình nêm 54 Hình Ví dụ cấu trúc gộp lƣới thơ 67 Hình Hệ đo đạc thực nghiệm PURDUE 2001 [14] 69 Hình Profile phân bố void fraction ống đứng cơng cụ Paraview 71 Hình Phân bố void fraction vị trí z/D = (trái) z/D =53.5 (phải) 71 Hình 4 Các lực tác dụng lên bọt 72 Hình Sơ đồ nội suy thông lƣợng mặt sử dụng upwind linear vị trí trí z/D = (trái) z/D =53.5 (phải) 73 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Mơ hình lực 19 Bảng Ký hiệu rời rạc hóa 45 Bảng Bảng phân bố ma trận số hạng rời rạc 49 Bảng Thông số hệ thực nghiệm PURDUE 2001 [14] 70 MỞ ĐẦU Mặc dù đƣợc phát triển từ nhiều thập niên trƣớc đây, lƣợng hạt nhân ngành lƣợng quan trọng sách an tồn lƣợng nhiều quốc gia, có Việt Nam Tuy nhiên, thời gian gần đây, với việc xảy cố Fukushima tháng năm 2011, buộc phủ Việt Nam nƣớc giới cân nhắc lại nên xây dựng hay loại bỏ ngành lƣợng khỏi sách lƣợng Nguyên nhân tính an toàn nhà máy điện hạt nhân mà ln nghi ngờ Với việc nghiên cứu phát triển khoa học hạt nhân ngày phát triển nhƣ nay, cải thiện tính an tồn nhà máy điện hạt nhân từ phát triển hệ lị mới, đảm bảo nhà máy điện ln an tồn q trình hoạt động nhƣ xảy cố Một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng ngành lƣợng hạt nhân lĩnh vực thủy nhiệt hạt nhân, mục đích nghiên cứu dự đốn tƣợng thủy nhiệt xảy lị phản ứng Từ đem đến bƣớc tiến phân tích an tồn nhà máy điện hạt nhân Một số tƣợng thủy nhiệt xảy lò phản ứng nhƣ trình trao đổi nhiệt nhiên liệu nƣớc làm mát, trình trao đổi nhiệt từ vòng sơ cấp vòng thứ cấp lò nƣớc áp lực PWR… Một tƣợng quan trọng phân tích an tồn hạt nhân q trình sơi đối lƣu kênh dẫn đứng bó nhiên liệu nƣớc làm mát Đây tƣợng phức tạp, ứng với cơng suất lị xảy chế độ sơi khác nhƣ mơ tả hình 1.1 dƣới Trên hình 1.1, nƣớc trạng thái dƣới bão hịa đƣợc bơm vào lối dƣới ống Trạng thái q trình sơi bọt dƣới bão hịa (subcooled nucleat boiling) Trong trình này, chế độ trao đổi nhiệt chủ yếu đối lƣu cƣỡng dòng đơn pha Q trình sơi bọt xuất nƣớc vùng nằm tiếp giáp với lớp tƣờng đƣợc gia nhiệt lớn hơn, bị bay hình thành dần bọt vùng Các bọt đạt đến kích thƣớc tới hạn tách khỏi tƣờng, di chuyển khối nƣớc, bị làm nguội dƣới bão hòa ngƣng tụ nên pha nƣớc đƣợc gia nhiệt Trong trƣờng hợp nhiệt độ tƣờng tăng lên, vùng đối lƣu đơn pha giảm dần, đồng thời vùng sơi bọt tăng lên Khi vùng sơi bọt chiếm tồn bề mặt chế độ sơi bọt đƣợc phát triển hồn tồn (fully-developed) Hình 1 Các chế độ dòng chảy truyền nhiệt kênh dẫn đứng Chế độ sơi bọt dƣới bão hịa quan trọng việc nghiên cứu q trình khủng hoảng sơi, thể rõ đồ thị đƣờng cong sơi ( hình 1.2) Khi thông lƣợng nhiệt qua tƣờng điểm tới hạn thông lƣợng nhiệt (Critical Heat Flux), hệ số trao nhiệt giảm đột ngột, dẫn đến nhiệt độ tƣờng tăng vọt nguồn nhiệt cung cấp từ nhiên liệu hạt nhân khơng đổi Điều dẫn đến nhiên liệu bị hƣ hại có khả chất phóng xạ bị giải phóng vào hệ thống chính, vi phạm ngun tắc phịng thủ theo chiều sâu Trên hình 2, thơng lƣợng nhiệt tới hạn xảy chế độ sôi chuyển từ sôi bọt sang sôi màng, đƣợc gọi vùng Departure from Nucleate Boiling (DNB), tƣơng ứng với điểm C lên đồ thị Vùng DNB tạo mức giới hạn để điều chỉnh lƣợng sinh từ nhiên liệu Trong lò nƣớc áp lực PWR (Pressure Water Reactor), chế độ sôi dƣới bão hịa xảy phía vùng hoạt ảnh hƣởng đến phân bố công suất Còn lò nƣớc sối BWR ( Boiling Water Reactor ), phân bố không đồng di chuyển bọt ảnh hƣởng đến độ phản ứng Vì thế, nghiên cứu trình động học bọt (bubble) chế độ sôi bọt kênh dẫn đứng cần phải đƣợc nghiên cứu cách cẩn thận nghiêm túc ... 53 3 .2 Module tính tốn số cho dòng pha kênh dẫn đứng sử dụng chƣơng trình tính tốn OpenFOAM 54 3 .2. 1 Module rời rạc miền nghiệm 54 3 .2. 2 Module rời rạc phƣơng trình ... SỐ MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC DỊNG PHA TRONG KÊNH DẪN ĐỨNG 31 2. 1 Giới thiệu chung 31 2. 2 Phƣơng pháp tính tốn số 32 2 .2. 1 Rời rạc miền nghiệm 32 2 .2. 2 Sắp... cập sửa đổi thuật toán giải bên code phần mềm Với ý nghĩa quan trọng tốn dịng chảy hai pha, em xin chọn đề tài “ Nghiên cứu, xây dựng module tính tốn mơ dịng pha kênh dẫn đứng sử dụng chương trình