دراسة تجربة الكسارة السيفون ومحاكاة لمفاعل للأبحاث
Summary
وكان التحقيق السيفون كسر ظاهرة تجريبيا واقترح نموذجا نظرياً. تم تطوير برنامج محاكاة على أساس النموذج النظري وقورنت نتائج برنامج المحاكاة مع النتائج التجريبية. واستنتج أن نتائج برنامج محاكاة مطابقة النتائج التجريبية أيضا.
Abstract
يمكن أن يسبب ظاهرة السيفون الناجم عن تمزق الأنابيب تحت شروط تصميم مفاعل أبحاث، استمرار تدفق المياه إلى الخارج. لمنع هذا التدفق إلى الخارج، مطلوب جهاز تحكم. الكسارة سيفون هو نوع من سلامة الجهاز التي يمكن استخدامها للتحكم في فقدان الماء المبرد فعلياً.
لتحليل خصائص السيفون كسر، أجريت تجربة الحجم الحقيقي. واتضح من نتائج التجربة، أن هناك عدة عوامل التصميم التي تؤثر على السيفون كسر ظاهرة. ولذلك، هناك حاجة وضع نموذج نظري قادر على التنبؤ وتحليل السيفون كسر ظاهرة التصميم في ظروف مختلفة. باستخدام البيانات التجريبية، كان من الممكن لصياغة نموذج نظرية التي تتنبأ بدقة التقدم المحرز ونتيجة للسيفون كسر هذه الظاهرة. نموذج النظرية المتبعة تستند ميكانيكا الموائع ويتضمن نموذج تشيشولم لتحليل تدفق مرحلتين. من معادلة بيرنولي للسرعة، الكمية، السبب في ارتفاع منسوب المياه والضغط، ومعامل الاحتكاك، والعوامل المتصلة بتدفق مرحلتين يمكن الحصول عليها أو حساب. وعلاوة على ذلك، الاستفادة من نموذج المنشأة في هذه الدراسة، وضعت برنامج التحليل والتصميم الموجه سيفون. برنامج المحاكاة تعمل على أساس نموذج نظري وإرجاع النتيجة كرسم بياني. يمكن تأكيد المستخدم إمكانية السيفون كسر عن طريق التحقق من الشكل في الرسم البياني. وعلاوة على ذلك، حفظ نتيجة محاكاة كاملة من الممكن ويمكن استخدامه كمورد لتحليل السيفون الحقيقي كسر النظام.
وفي الختام، يمكن تأكيد المستخدم حالة كسر السيفون وتصميم النظام الكسارة السيفون باستخدام البرنامج المعد في هذه الدراسة.
Introduction
عدد المفاعلات باستخدام لوحة من نوع الوقود، مثل الأردن للبحث والتدريب المفاعل (جرتر) ومفاعل الأبحاث الجنود (كير)، وقد ازدادت في الآونة الأخيرة. من أجل توصيل الوقود من نوع اللوحة بسهولة، يتطلب مفاعل الأبحاث الذي تدفق نزولي أساسية. منذ مفاعلات البحوث تتطلب صافي رأس شفط إيجابية من نظام التبريد الرئيسي، يمكن تثبيت بعض مكونات نظام التبريد يحتمل أن تكون أسفل المفاعل. بيد في حالة حدوث تمزق الأنابيب في نظام التبريد الرئيسي أسفل المفاعل، يسبب تأثير سيفون التصريف المستمر لسائل التبريد يمكن أن تؤدي إلى تعرض المفاعل للهواء. وهذا يعني أن الحرارة المتبقية لا يمكن إزالتها، يمكن أن تؤدي إلى حادث خطير. ولذلك، في حالة فقدان المبرد الحادث (المحلي)، جهاز سلامة التي يمكن أن تمنع وقوع حادث خطير ضروري. الكسارة سيفون جهاز سلامة. فعالية منع تصريف المياه باستخدام إينروش الجو. ويسمى النظام بأكمله السيفون كسر النظام.
وأجريت عدة دراسات لتحسين سلامة المفاعلات البحثية. ماكدونالد ومارتن1 نفذت تجربة بغية التأكد من أداء السيفون كسر صمام الكسارة تعمل بنشاط. نيل وستيفنس2 إجراء تجربة استخدام الكسارة سيفون كجهاز تعمل بشكل سلبي في أنابيب صغيرة الحجم. واقترح ساكوراي3 نموذج تحليلي لتحليل السيفون كسر حيث تم تطبيق نموذج تدفق هواء والماء منفصلة تماما.
السيفون كسر معقدة للغاية لأن هناك الكثير من العوامل التي يتعين النظر فيها. وعلاوة على ذلك، لأنه قد لم يتم إجراء تجارب لمفاعلات البحوث الحجم الحقيقي، من الصعب تطبيق الدراسات السابقة لمفاعلات البحوث المعاصرة. ولذلك، لم تقدم الدراسات السابقة نموذج نظرية مرضية لكسر السيفون. ولهذا السبب، أجريت تجربة الحجم الحقيقي لوضع نموذج نظري.
للتحقيق في تأثير الكسارة السيفون على مفاعل لأبحاث، أجريت تجارب التحقق الحجم الحقيقي “جامعة بوهانج للعلوم” والتكنولوجيا (POSTECH) ومعهد بحوث الطاقة الذرية كوريا (أجروا)4،5 ،6. ويمثل الشكل 1 مرفق الفعلية للتجربة الكسارة السيفون. ويبين الشكل 2 الرسم تخطيطي المرفق ويتضمن علامة مرفق.
رقم 1. مرفق للسيفون كسر التجربة المظاهرة. حجم الأنبوب الرئيسي 16 في ويتم تثبيت نافذة بأكريليك للمراقبة. الفوهة جهاز أعد لوصف انخفاض الضغط. ولذلك، هناك جزء الجمعية فوهة في الجزء السفلي من الخزان العلوي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
رقم 2. الرسم التخطيطي لمرفق تجريبي- ويقدم موقع نقاط القياس. وتشير الأرقام إلى هذه المواقع ذات الصلة؛ قم بوضع نقطة 0 يعني مدخل الكسارة السيفون، النقطة 1 تعني أن مستوى المياه والنقطة 2 يدل على جزء متصل من قواطع السيفون والأنابيب الرئيسية والنقطة 3 يدل المحلي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
مرفق تجريبي السيفون الكسارة يتكون من دبابة العلوي، وخزان أقل، نظام أنابيب، ومضخة لعودة. قدرة الخزان العلوي هو 57.6 م3. منطقة القاع والعمق هي 14.4 م2 (4 م x 3.6 م) وم 4، على التوالي. أقل من الدبابات والموقف المحلي م 8.3 يقع أسفل الخزان العلوي. قدرة خزان أقل من 70 م3. يتم استخدام الخزان السفلي لتخزين المياه أثناء التجربة. الخزان السفلي متصل بالمضخة العودة. يتم ضخ المياه في الخزان السفلي في الخزان العلوي. حجم الأنبوب الرئيسي لنظام الأنابيب هو 16 في. النهاية لخط الكسارة السيفون (SBL) هو m 11.6 يقع أعلى الأنابيب أقل تمزق نقطة. وبالإضافة إلى ذلك، يتم تثبيت windows اﻷكريليك على الأنابيب للتصور، كما هو مبين في الشكل 1.
تم تركيب عدة أجهزة لقياس الإشارات الجسدية. واستخدمت اثنين من محولات طاقة الضغط المطلق (ابتس) وثلاثة محولات الضغط التفاضلي (دبتس). واستخدمت لقياس معدل تدفق كتلة الماء، مقياس تدفق الموجات فوق الصوتية. واستخدمت نظام الحصول على بيانات للحصول على كافة بيانات القياس في 250 ms الفواصل الزمنية. بالإضافة إلى معدات القياس، تم تركيب كاميرات للمراقبة ومسطرة كان يعلق على الجدار الداخلي للخزان العلوي للتحقق من مستوى المياه.
واعتبرت مختلف الأحجام الكسارة (SB) المحلي والسيفون وأنواع قواطع السيفون (خط/هول) ووجود الفوهة فيما يتعلق بوقود المفاعل ونقطة تمزق الأنبوب في التجربة. وبغية التحقق من تأثير الحجم المحلي و SBL، أحجام مختلفة من المحلي و SBL واستخدمت. تراوحت بين 6 في 16 في وأحجام SBL تتراوح بين 2 في 6 في أحجام المحلي. في هذه التجربة، واستخدمت نوع الخط وثقب من قواطع السيفون، ولكن المحتوى التالي من هذه الدراسة إلا يعتبر نوع SBL المستخدمة في جرتر وكجرر. كمثال للنتائج التجريبية، الرقم 3 هو رسم بياني يحتوي على البيانات معدل تدفق المياه والضغط. وأجريت التجربة في 4 أكتوبر 2013 وهو نموذج البيانات التجريبية LN23 (نوع الخط SB، لا الفوهة، 12 في المحلي، 2.5 في SBL).
من بيانات التجربة، تم إنشاء النموذج النظري الذي يمكن التنبؤ بسيفون كسر هذه الظاهرة. ويبدأ النموذج النظري معادلة بيرنولي. يتم الحصول على سرعة السائل من معادلة بيرنولي ويمكن الحصول على معدل التدفق الحجمي بضرب سرعة السائل بمنطقة الأنابيب. وبالإضافة إلى ذلك، أن مستوى المياه يمكن الحصول عليها باستخدام معدل التدفق الحجمي. المفهوم الأساسي للنموذج النظري الذي وصفه أعلاه. ومع ذلك، منذ السيفون كسر هذه الظاهرة تدفق مرحلتين، هناك نقاط إضافية النظر. بالنظر في نموذج تحليل تدفق مرحلتين، تم إنجازها اختبار تحقق من دقتها. نظراً لأن نموذج تشيشولم أكثر دقة من طراز متجانسة، يتم استخدام نموذج تشيشولم لتحليل هذه الظاهرة. وفقا لنموذج تشيشولم، هو التعبير عن صيغة المضاعف مرحلتين معادلة 17. في هذه المعادلة، ф يمثل مضاعف مرحلتين، يمثل ρ الكثافة، ويمثل X الجودة.
(1)
وعلاوة على ذلك، تم تطوير برنامج محاكاة مع واجهة المستخدم الرسومية (GUI). بانتقال بيانات الضغط المطلق في الشكل 3، هذه الظاهرة يمكن تقسيمها إلى ثلاث مراحل: فقدان المبرد (تدفق على مرحلة واحدة)، وكسر السيفون (تدفق مرحلتين)، وحالة مستقرة. ولذلك، عملية الحساب الرئيسي خوارزمية يتضمن ثلاث خطوات عملية المقابلة للمراحل الثلاث لظاهرة حقيقية. بما في ذلك عملية الحساب، يبين الشكل 48الخوارزمية كامل لوصف عملية المحاكاة.
باستخدام البرمجيات (انظر تكميلية الفيديو 1) للبدء في عملية المحاكاة، يقوم المستخدم بإدخال معلمات الإدخال المطابق لشروط التصميم ومعلمات الإدخال يتم تخزينها كقيم ثابتة. إذا كان المستخدم العائدات مع المحاكاة بعد إدخال المعلمات، يقوم البرنامج حساب الخطوة الأولى. تتمثل الخطوة الأولى العملية الحسابية على مرحلة واحدة، وهو حساب للخسارة من المبرد بسبب تأثير السيفون بعد تمزق الأنبوب. المتغيرات التي يتم حسابها تلقائياً بالنموذج النظري (كما هو الحال في معادلة بيرنولي في، والحفاظ على تدفق جماعي، إلخ)، والحساب العائدات من معلمات الإدخال من المستخدم. نتائج الحساب تسلسلياً مخزنة في ذاكرة الكمبيوتر حسب الوحدة الزمنية المعين من قبل المستخدم.
إذا ضع قطرات الماء مستوى أدناه 0، فهذا يعني أن ينتهي تدفق على مرحلة واحدة، لأنه يبدأ الهواء الاندفاع إلى SBL في هذه اللحظة. ولذلك، الخطوة الأولى لمرحلة واحدة تدفق العائدات حتى يصل مستوى الماء إلى موضع 0. عندما يكون مستوى الماء في الموضع 0، وهذا يعني أن ارتفاع أونديرشوتينج هو صفر. ارتفاع أونديرشوتينج هو ارتفاع الفرق بين مدخل SBL وأن مستوى المياه في خزان العلوي بعد كسر السيفون. وبعبارة أخرى، السبب الارتفاع يشير إلى مدى منسوب المياه قد انخفض خلال سيفون كسر. ولذلك، ارتفاع أونديرشوتينج معياراً هاما، نظراً لأنها ستسمح لتحديد كمية فقدان المبرد مباشرة. ونتيجة لذلك، أن البرنامج يحدد نهاية حساب الخطوة الأولى وفقا لارتفاع أونديرشوتينج.
إذا كان ارتفاع أونديرشوتينج أكبر من الصفر، يقوم البرنامج حساب خطوة ثانية التي يمكن محاكاة تدفق مرحلتين. نظراً لتدفق المياه والهواء في السيفون كسر المرحلة، يجب النظر في الخصائص الفيزيائية للسوائل على حد سواء. ولذلك، تعتبر قيم المضاعف مرحلتين، ونوعية، والكسر باطلة في هذه الخطوة العملية الحسابية. خاصة، كقيمة الكسر باطلة المنتهي في معيار لحساب الخطوة الثانية. ويمكن التعبير عن الكسر باطلة كنسبة تدفق الهواء إلى مبلغ الهواء ومجاري المياه. عائدات حساب الخطوة الثانية حتى تنتهي 0.9 قيمة الكسر باطلة (α). وعند 0.9 α، عائدات حساب الخطوة الثالثة التي تصف حالة ثابتة. نظرياً، هو معيار السيفون كسر النهاية α = 1 حيث يوجد فقط من الهواء في الأنابيب في هذا الوقت. ومع ذلك، في هذا البرنامج، ومعايير نهاية السيفون كسر هو α = 0.9 لتجنب أي خطأ في عملية الحساب. ولذلك، فقدان جزئي للنتائج أمر لا مفر منه، ولكن يمكن أن يكون هذا الخطأ لا يعتد بها.
حالة ثابتة حساب العائدات خلال فترة يحددها المستخدم. لأنه لا يوجد أي تغيير، تتميز الدولة ثابت في ذلك القيم نتيجة الحساب دائماً ثابتة. إذا السيفون كسر بنجاح، ستبقى المستوى النهائي للمياه في الخزان العلوي في قيمة معينة غير الصفر. ومع ذلك، إذا لم يتم كسر السيفون بنجاح، المبرد ستفقد تقريبا، والمستوى النهائي للمياه نهج القيمة صفر. ولذلك، إذا كانت قيمة مستوى المياه يساوي صفر في حالة مستقرة، تشير إلى أن شروط تصميم معين ولا تكفي لاستكمال كسر السيفون.
بعد الحساب، المستخدم يمكن تأكيد النتائج بطرق مختلفة. وتظهر النتائج الحالة للسيفون كسر، السيفون كسر التقدم والتفرد. يمكن لبرنامج المحاكاة التنبؤ وتحليل الظاهرة واقعية والمساعدة في تصميم نظام قواطع السيفون. وترد في هذا الورق، وبروتوكول التجربة، نتائج التجربة، وتطبيق برنامج المحاكاة.
Protocol
Representative Results
Discussion
الكسارة سيفون جهاز سلامة تعمل بصورة سلبية تستخدم للحيلولة دون فقدان المبرد عند حدوث حادث تمزق أنبوب. ومع ذلك، من الصعب تطبيق لمفاعلات البحوث المعاصرة لأن هناك لا تجربة لمفاعلات البحوث الحجم الحقيقي. ولهذا السبب، أجرى POSTECH وأجروا التجربة الحجم الحقيقي. وكان الغرض من هذه التجربة للتأكد من أ…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا العمل كان تدعمها المؤسسة الوطنية للبحوث في كوريا (جبهة الخلاص الوطني) منحة ممولة من حكومة كوريا (مسيب: وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات وتخطيط المستقبل) (رقم NRF-2016M2B2A9911771).
Materials
| Absolute pressure transducer | Sensor Technics | CTE9000 | 0.05% full-scale error |
| Differential pressure transducer | Setra | C230 | 0.25% full-scale error |
| Ultrasonic flow meter | Tokyo Keiki | UFP-20 | Resolution 0.01m^3/h |
| Visual Studio 2012 | Microsoft | Windows 8 | Microsoft Foundation Class |
| E.R.W. steel pipe | Hyundai Hysco | KS D 3507(SPP) | 400A(out dia.) x 7.9mm(thickness) |
Referências
- McDonald, J., Marten, W. . A Siphon Break as a Blocking Valve. , (1958).
- . Siphon Breaker Design Requirements 12. Experimental and Analytical Study Available from: https://www.osti.gov/scitech/biblio/6623426 (1993)
- Sakurai, F. JAERI-Research 99-016. Study for Improvements of Performance of the Test and Research Reactors. , (1999).
- Kang, S. H., et al. . Final Report of Experimental Studies on Siphon Breaker. , (2011).
- Kang, S. H., et al. . Experimental Study of Siphon breaker. , (2013).
- Kang, S. H. . Siphon Breaker Design on Research Reactor with Real-Scale Experiment. , (2015).
- Fossa, M., Guglielmini, G. Pressure Drop and Void Fraction Profiles during Horizontal Flow through Thin and Thick Orifices. Exp. Thermal Fluid Sci. 26, 513-523 (2002).
- Lee, K. Y., Kim, W. S. Development of siphon breaker simulation program for investing loss of coolant accident of a research reactor. Ann. Nucl. Energy. 101, 49-57 (2017).
- Lee, K. Y., Kim, W. S. Theoretical Study on Loss of Coolant Accident of a Research Reactor. Nucl. Eng. Des. 309, 151-160 (2016).
- Lee, K. Y., Seo, K. W., Chi, D. Y., Yoon, J. H., Kang, S. H., Kim, M. H. Experimental and analytical studies on the siphon breakers in research reactor. European Research Reactor Conference. , 18-22 (2012).
