Расчеты в условиях неопределенности

Для атомной отрасли CFD-технологии — относительно новые: широкое распространение они получили в последние пятнадцать лет. Наибольший опыт их применения на всех этапах жизненного цикла реакторной установки наработал ОКБ «ГИДРОПРЕСС». Поговорим о том, что такое ­CFD-технологии и какую роль они играют в науке и на производстве.

Цифровая альтернатива

Аббревиатура CFD расшифровывается как Computational Fluid Dynamics, или, по-русски: вычислительная гидроаэродинамика. Эта научная дисциплина появилась с развитием компьютерных технологий, она дополняет экспериментальные и теоретические подходы к конструированию, а иногда выступает и в качестве альтернативы им.

Для наукоемких технологий, которые везде и всюду используются в атомной отрасли, знания имеют критически важное значение: чем больше имеешь информации о теплофизических процессах в оборудовании, тем надежнее и безопаснее будет АЭС. CFD­расчеты повышают этот уровень знаний, а также снижают затраты на разработку новых конструкций. Они позволяют предсказать характеристики будущего оборудования, провести сравнение различных конструкций еще на стадии проектирования.

Реальные эксперименты — занятие крайне затратное по времени и по деньгам, а CFD-коды частично заменяют и дополняют их математическими расчетами. Эти коды описывают непосредственно физику процесса и поведение среды. Они универсальны, то есть могут применяться для различного оборудования без привязки к конструкции. Получается, что при помощи CFD можно рассчитать поведение среды и для насосов, и для реакторов, и для парогенераторов (и даже аэродинамику автомобиля или самолета).

Например, эксперименты на гидравлических стендах ограничиваются определенным диапазоном чисел Рейнольдса. За пределами возможностей большинства экспериментальных установок оказывается также диапазон очень высоких температур. Многие исследования связаны со слишком большим масштабом в пространстве и недоступны для моделирования. Во всем этом может помочь технология CFD. Таким образом, сроки и стоимость проектирования новых конструкций реакторного оборудования существенно сокращаются, а качество возрастает.

Анализ в неопределенности

Без CFD не обойтись при расчете абсолютно новых проектов, когда конструкторское решение неизвестно, нет референтности, нет экспериментальных данных. Например, при расчетах для реакторов средней и малой мощности. МАГАТЭ уже сейчас позволяет применять CFD-расчеты для обоснования безопасности реакторной установки при условии проведения анализа неопределенности.

CFD находятся на стыке теоретических и практических знаний, программирования и физики. Современная наука движется в направлении мультифизичности и связи различных направлений в единые. Один из самых актуальных вопросов развития CFD — как увязать расчет одномерным и трехмерным кодом в одной модели. Это необходимо, чтобы рассчитывать ту часть исследуемой области, где преобладают трехмерные процессы (например, места соединения труб, где потоки смешиваются), и в то же самое время ту часть, где течение одномерное, по прямой.

Бенчмаркинги и конференции

Чтобы оценить возможность и точность применения CFD-кодов для решения различных практических вопросов, проводят международные бенчмаркинги (эталонные тестирования). Обычно в подобных мероприятиях участвуют десятки организаций из разных стран мира. Им отправляют исходные данные проведенного ранее эксперимента, и они их считают свои­ми CFD-кодами. Затем полученные результаты сравнивают, условно побеждает та команда, чьи результаты оказались наиболее близкими к эталонным. Команда ОКБ «ГИДРОПРЕСС» участвовала в нескольких международных бенчмаркингах, организованных АЯЭ ОЭСР совместно с МАГАТЭ, и преуспела в них. В расчетах течения теплоносителя в ТВС россияне заняли второе место, а при верификации CFD-кодов для проблем водородной безопасности — первое.

АО ОКБ «ГИДРОПРЕСС» регулярно проводит конференции молодых специалистов. Такие мероприятия — отличное начало для представления работ и хороший старт научной деятельности. Я и сам участвовал в такой конференции и считаю, что она помогла мне лучше понимать практические требования нашего опытно-конструкторского бюро.

В рамках международной научно­технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» создана секция «Вопросы разработки, верификации и применения CFD-кодов в атомной энергетике». Думаю, что подобную секцию нужно создать и в рамках конференции молодых специалистов.