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通过备用FATE计算验证GOTHIC房间加热分析

张贴者 The 福斯克Team 在08.15.17

作者:核工程师Matthew Kennedy& Dr. Sung Jin Lee, Sr. Consulting Engineer, 福斯克& Associates, LLC

现代工程学经常利用复杂的计算机建模作为工具来辅助设计和分析。数学表示,假设和数字方案通常仅由各个开发人员知道,并且对最终用户不容易理解。使用的潜在陷阱  命运 _Manual_vol_8-1.jpg由于提供了输出并且该软件未提供任何错误或警告消息,因此诱惑人们认为结果是准确的,因此产生了复杂的代码。实际上,这是工程师需要非常谨慎以确保他们完全理解基础物理的关键点。这通常涉及使用备用软件工具进行独立验证,人工计算和专家审核。

最近,福斯克&Associates,LLC(FAI)支持客户的请求,以核能行业中用于核安全度分析的标准代码(GOTHICTM,由EPRI电力研究所拥有并许可)验证浮力支配下的房间升温结果。这是使用FAI内部开发的FATE(设施流量,气溶胶,热力和爆炸)软件包完成的,用于预测设施内的环境条件。在设计和定位安全设备时,对车厢内环境条件的预测是重要的考虑因素。确保安全系统组件的设计和制造能够在预期的环境条件下生存,这是确保设施安全运行的关键的第一步。

在里面 核工业 GOTHIC是一种标准工​​程工具,用于预测由于热源,散热片以及流入和流出隔室边界的综合作用而在隔室中形成的环境条件。它包含许多有用的相关性和特征,以对浮力主导的流量进行建模。在缺乏通风的情况分析中,对隔室进行了细分,以预测关键组件所在的局部气体温度。尝试分析和使用结果做出明智的决策时,这会带来大量的复杂性。当用GOTHIC子节点化体积时,必须解决的问题是:结果是预测浮力驱动的流量,还是子室密度之间产生“幻像”流量的数值差异很小?在尝试使用结果进行预测并告知有关设施安全操作的决策时,回答此问题至关重要。
命运 软件是根据FAI的核QA计划开发的,并获得了能源部(DOE)技术创新奖的认可,它是一种灵活,运行速度快的代码,能够为流程和设施的各种工程问题建模。它旨在对设施内的传热和传质,流体流动和气溶胶行为进行建模,并已用于从福岛事后氢气评估到DOE设施安全分析的广泛应用。该代码可以模拟常见的组件,例如热交换器,泵,风扇,滤清器组,阀门,风门,防喷板,降液管排气孔和爆破片。它是一个独立开发的代码,其中包含针对设施中发生的流动和传热现象的备用模型,这使其成为独立验证从其他模型生成的结果的理想工具。

所分析的场景是具有大的热源(柴油发电机,泵,电动机等)的设施舱的环境预测,即瞬态温度,被激活以执行安全功能。在这种情况下,假定由于电力损失,车厢的所有强制通风都失败了。为了给舱室提供冷却,门被撑开以通过与相对凉爽的外部环境的连通来提供浮力驱动的流动。下表提供了分析中包含的关键建模输入。关于该输入列表,除了隔间体积节点化以外,这些模型基本上相同。总隔室的体积是相同的,但是GOTHIC要求将隔室的体积进行次节点化,以最好地预测在开放边界条件下隔室的温度分布和浮力驱动的流量,而FATE假定为单个隔室的体积。


               •隔间量                    •边界流区(准备开门)
               •环境温度               •初始隔间温度
               •初始散热器温度         •结构散热器的面积和厚度


图1比较了两个模型预测的车厢内平均气体温度。 命运 预测最高室温约为160oF,而GOTHIC预测最高室温约为150oF(基于较高温度下的亚结点体积)。总的来说,两个模型对平均气体温度显示出相同的总体趋势。温度的差异主要归因于瞬态的初始(在门被撑开之前)热源模型的差异。在最初的瞬态分析中,允许主热源(设备)在一段时间内(从线性变化)从环境条件增加到完全工作温度。为方便起见(快速周转),验证模型在此初始时间段内仅将整个工作温度用作边界条件。因此,在过渡的早期,如预期的那样,简化模型将预测较高的平均气体温度。这种差异可以在图1中看到,并且初始差异在整个瞬态过程中都会持续存在。有趣的是,在模拟结束时,恒定热负荷与原始模型中的固定和可变热负荷几乎相同(相差约2%),再次提供了进一步的信心,即两个模型都在预测相似的热损失通过结构性散热器和支撑的敞开门。

图2描绘了通过大型结构散热器(例如隔室中的混凝土墙)移动的热波。如预期的那样,结果表明,随着室内气体温度的升高,壁的内表面开始温度升高。随着瞬态的进行,通过散热器的温度分布会发展。结果表明,在24小时的分析时间内,温度梯度完全渗透到混凝土墙的外部。这与通过大型厚混凝土散热器进行热传递的预期非常吻合。

图3显示了在支撑打开的门上同时发生的单向和逆流流量贡献的流量预测。不出所料,由于问题的浮力驱动性质,跨边界的流动以逆流为主。在两个代码之间,此流边界条件的处理方式明显不同。 GOTHIC仅对通过结点的单向流动进行建模。因此,对于自然对流,需要两个结点以确保实现正确的逆流。在这种情况下,挑战来自为每个结点指定正确的损耗系数以模仿逆流。另一方面,FATE使用已建立并经过实验验证的逆流相关性[Epstein,1988]。跨边界流动(通过敞开的门)是主要的热损失机制。因此,气体温度的合理一致性(图1)使人相信这两个模型对于浮力驱动的流量给出了一致的结果。原始计算文字未包含细节,例如流过门的逆流强度或流到墙壁和天花板的热量损失的大小。 命运 结果提供了热流的详细说明以及各种排热路径的相对重要性,并为GOTHIC计算提供了信心。

总之,FAI专家使用一种独立的工具来验证房间的加热结果,并确信原始分析可以准确地预测热量的产生,浮力驱动的流量以及通过结构散热器的热量损失。这使工程师能够适当地设计安全系统和组件,并支持操作,以便他们可以在非标称条件下就设施的安全操作做出明智的决定。


图1:车厢气体温度比较

图2:通过大型结构散热器的FATE温度穿透

图3:通过结的FATE逆流和单向流速

参考文献
     马萨诸塞州的爱泼斯坦,1988年,“通过水平分区中的小开口进行浮力驱动的交换流”,ASME                           热传递杂志,卷。 110,第885-893页,11月。

 

For more information, or to discuss, contact Matthew Kennedy, 福斯克&Associates,LLC,630-323-8750或 [email protected]

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 #加热分析#核软件

 

话题: 命运 , , 核软件

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