Numerická simulace proudění chladiva v palivovém souboru reaktoru VVER1000 pomocí lattice Boltzmannovy metody

Ing. Václav HEIDLER

Doctoral thesis

Simulation of coolant flow inside a fuel assembly of VVER1000 type reactor using lattice Boltzmann method

Abstract:

Předkládaná práce se zabývá 3D numerickou simulací nestacionárního turbulentního proudění chladiva v palivovém souboru TVSA-T reaktoru VVER1000 jaderné elektrárny Temelín pomocí metody simulace velkých vírů (LES - Large-Eddy-Simulations). Z důvodu geometrické složitosti palivového souboru a velké výpočtové náročnosti LES, byl pro numerické simulace vyvinut řešič založený na lattice Boltzmannově metodě. Metoda je známá pro svou relativně jednoduchou algoritmizaci, iterační rychlost a schopnost velmi efektivní paralelizace. Cílem práce je řešit intenzitu laterálních toků chladiva vyvolaných turbulencemi od mřížek palivových souborů. Dosažené numerické výsledky nestacionárního turbulentního proudění ve formě pole rychlostí a tlaků přispívají ke stanovení budících sil palivových proutků. Znalost těchto nestacionárchních sil přináší vhled do problematiky vzniku netěsností palivových proutků jejich otěrem o distanční mřížky nazývané Grid-to-Rod fretting. Autor se domnívá, že podle jemu dostupných informací byl první, který aplikoval lattice Boltzmannovu metodu na řešení úloh v oblasti problematiky Grid-to-Rod fretting, což lze považovat za přínos této disertační práce. Přednostmi této metody jsou zejména výpočetní rychlost a efektivní paralelizovatelnost, což umožňuje simulovat proudění chladiva v oblastech zachycujících větší části palivového souboru a pro delší časové intervaly. Tím lze získat přesnější znalost charakteristik proudového pole. Alpikace lattice Boltzmannovy metody pro řešení úloh v oblasti Grid-to-Rod fretting je z tohoto důvodu významným přínosem.

Abstract:

The paper deals with numerical simulation of 3D unsteady turbulent coolant flow inside a fuel assembly TVSA-T of the VVER1000 type reactor operated in Nuclear Power Plant Temelín using Large-Eddy-Simulations (LES). Because of complex geometry of the fuel assemblies and very computational demanding technique LES, we have developed an own solver based on lattice Boltzmann method. The method is famous for its simplicity to algorithmize, fastness and its efficiency in parallel computing. The aim of the present study is to calculate the lateral flow intensity evoked by grids inside the fuel assemblies. Numerical results of the unsteady turbulent flow simulation in the form of velocity and pressure fields contribute to asses exciting force on fuel rods. The knowledge of this unsteady excitation offers an insight into area of solving problems of fuel rod failures by fretting wear in the contact points between rods and spacer grids. This phenomenon is called Grid-to-Rod fretting. The author believe that to the best of his knowledge is first who have applied lattice Boltzmann method for solving tasks in the area of Grid-to-Rod fretting. This can be regarded as a contribution of this thesis. The advantages of the method, especially fastness and effective implementation on parallel computing systems, provide simulating coolant flow in domains representing larger part of fuel assembly and for longer time periods. It gives better knowledge of flow field characteristics. Application of the lattice Boltzmann method for solving tasks in the area of Grid-to-Rod fretting is from that reason a significant contribution.

Keywords

Lattice Boltzmannova metoda, izotermické proudění nestlačitelné newtonovské kapaliny, palivový soubor, Grid-to-Rod fretting, Large-Eddy-Simulations, hierarchicky zjemněná výpočetní síť, CFD.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 1. 2018

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Applied Mechanics