Быстро и безопасно: в России создали уникальный программный комплекс для инженерных теплогидравлических расчётов
В АО «ОКБМ Африкантов» (предприятие Росатома) разработали оригинальное решение для проведения теплогидравлических расчётов, которое является альтернативой иностранным расчётным кодам и значительно ускоряет исследование большинства режимов работы проектируемых атомных реакторов.
Атомные станции вырабатывают 1/4 всей электроэнергии в стране. Кроме того, часть территории России располагается в таких суровых климатических условиях, в которых дальнейшее развитие невозможно без атомной электроэнергетики. В российской Арктике, к которой относится 22% территории страны, малогабаритные АЭС — это единственная возможность обеспечить отдалённые населённые пункты постоянным доступом к электроэнергии и теплоснабжению. Реакторные установки — это и сердце ледокольного флота России, который доставляет в арктические поселения продовольствие и другие жизненно важные товары, прокладывает Северный морской путь из Европы в Азию, что позволяет почти в два раза ускорить доставку грузов между этими частями света.
Как эксплуатация, так и создание атомных реакторов сопряжены с определёнными рисками, которые требуют от конструкторов выполнения множества сложных расчётов.
Расчёты и ресурс
Создание любого оборудования сопровождается испытаниями: только они могут подтвердить или опровергнуть заявленные конструкторами характеристики. Однако далеко не всегда такие испытания можно провести физически. Например, испытаний на ресурс атомных реакторов провести невозможно, ведь на такие испытания потребовались бы десятки лет — именно столько служит атомный реактор.
Тем не менее, ввести в эксплуатацию реактор без данных о его ресурсе невозможно: иначе мы не будем знать, до какого времени его использование будет безопасным.
В такой ситуации конструкторы прибегают к расчётным методам, а чтобы сложные расчёты производить точнее и быстрее — создаётся специальное программное обеспечение, в основе которого находятся так называемые прецизионные расчётные коды. Коды называются «прецизионными» (высокоточными), потому что они, в рамках определённой погрешности, совпадают с экспериментальными данными, полученными с измерительных приборов в контрольных точках оборудования.
В случае с кодами для обоснования ресурса атомного реактора необходим предварительный расчёт температурного состояния, так как прочностные свойства материалов реактора существенно зависят от температуры. Реакторное оборудование создаётся из определённых материалов, зная тепловые свойства которых можно рассчитать распределение температуры в узлах реактора — эти данные передаются в программы прочностного расчёта, на выходе которых получаются результаты, позволяющие прогнозировать, сколько прослужит реактор или его отдельные узлы при эксплуатации в определённом режиме.
— Безусловно, никакие расчётные данные не являются 100% гарантией, что изделие прослужит именно такое количество времени. Поэтому после того, как произведена расчётная оценка ресурса, мы корректируем полученный результат с учётом дополнительных коэффициентов, которые позволяют определить ресурс с запасом. Таким образом, после того как мы получили расчётные данные, исходя из опыта предыдущей эксплуатации подобного оборудования, мы этот ресурс корректируем, чтобы снизить вероятность ошибки при оценке ресурса. Условно говоря, если программа насчитала определённое количество лет ресурса, мы целенаправленно снижаем эту цифру, — рассказывает инженер-конструктор 1 категории Григорий Малышев.
Импортозамещение и оптимизация
В процессе обоснования ресурса часто приходится исследовать конструкции, в которых происходит течение жидкости. Распределение тепла в жидкости и твёрдых телах описывается разными уравнениями, а потому особенно важно смоделировать процесс передачи тепла от жидкости к твёрдой среде и наоборот. Данную задачу называют сопряжённой.
До недавних пор решение сопряжённой задачи теплогидравлики и теплопроводности производилось в зарубежных программных комплексах, самым известным среди которых считается ANSYS.
В последнее время, уходя от зависимости в иностранном программном обеспечении, российские разработчики стали предлагать на рынке отечественные решения. Коды FlowVision и ЛОГОС неплохо зарекомендовали себя в обеспечении расчётов. Однако эти продукты нуждаются в определённых доработках. Кроме того, данные коды (также как и коды ANSYS) нельзя отнести к быстродействующим.
Дело в том, что в указанных программных комплексах реализуются методы вычислительной гидродинамики, которые позволяют корректно смоделировать взаимное влияние поля температуры в потоке жидкости и распределения тепла в твёрдой оболочке. Данные коды являются универсальными, позволяют учесть сложные явления в жидкости, например, вихри, температурное расслоение в массе теплоносителя. Но за универсальность приходится платить: для обоснования ресурса атомных реакторов использование таких кодов требует огромных временных и ресурсных затрат — недели расчётов на суперкомпьютерах для одного режима работы.
В то же время, опыт расчётного обоснования в ОКБМ показывает, что для 80% конструируемых узлов температура теплоносителя зависит только от одной координаты. То есть для широкого класса задач возможен подход, основанный на методах одномерной теплогидравлики: распространение тепла в жидкости будет моделироваться в одномерной постановке, а распределение температуры в стенках, контактирующих с жидкостью, будет рассчитываться на двумерной сетке. При этом важно учесть тепловое влияние потока жидкости на стенку и наоборот. Особенность разработанного в «ОКБМ Африкантов» кода состоит как раз в том, что он решает сопряжённую задачу одномерной теплогидравлики и теплопроводности: моделируется распространение тепла в жидкости, влияние данного процесса на распределение температуры в твёрдом теле, а также обратное влияние, связанное с передачей тепла от стенки к жидкости.
Совместное использование прецизионных кодов типа ANSYS для анализа самых сложных режимов течения и разработанного специалистами «ОКБМ Африкантов» инженерного кода, не требующего значительных вычислительных мощностей и считающего в тысячи раз быстрее, по сравнению с универсальными пакетами (минуты по сравнению с неделями), позволяет выполнять анализы конструкций на качественно новом уровне и в приемлемые сроки. В итоге получается экономия в сотни миллионов рублей в год с учётом стоимости человеко-дня на предприятии.
Важно задуматься о выводе созданного продукта на рынок. Для того, чтобы предлагаемый код был конкурентоспособным, разработчики реализовали ряд оригинальных идей. Во-первых, была оптимизирована расчётная сетка, накладываемая на стенки изделия, что позволило обеспечить улучшенную сходимость решения и добиться дополнительного повышения скорости счёта. Решение сопряжённой задачи и построение оптимальной сетки выгодно отличает созданный теплогидравлический код от всех существующих кодов расчёта тепла, и он может найти самое широкое применение.
Наконец, предлагаемый программный комплекс создан по канонам сквозной технологии, когда CAD геометрия может быть записана в формате, пригодном для импорта в программу расчёта тепловых полей, а сами поля, в свою очередь, передаются в программу прочностных расчётов. Качество передачи данных из разработанной в ОКБМ программы не хуже, чем из программ компании ANSYS.
Широкий потенциал применения
На сегодняшний день программный комплекс позволяет производить расчёт распределения температур в теплоносителе (для случая, когда не нужен учёт тепловых потоков в объёме жидкости) и твёрдых материалах. Код прекрасно зарекомендовал себя при теплогидравлических расчётах системы компенсации давления реактора, которая считается одной из наиболее сложных в плане расчётов. Сама система крайне важна для функционирования реактора, поскольку именно благодаря ей удаётся избежать избыточного давления в трубопроводах реактора, приводящего к выходу его из строя.
Однако тепловые и теплогидравлические расчёты нужны не только в атомной промышленности. Они применяются при создании широкого класса машин и устройств: в топливно-энергетическом комплексе, в тяжёлом машиностроении и даже электронике (от температуры существенно зависят свойства проводников и полупроводников). Это позволяет говорить о широком потенциале применения разработанного программного комплекса. И его создатели рассматривают возможность его адаптации под нужды других отраслей промышленности.
Уже сейчас программный комплекс активно используется для реализации проектов национального значения, таких как создание реакторов для атомных электростанций малой мощности и плавучих станций. Кроме того, реакторы данного типа будут сердцем перспективных отечественных ледоколов «Лидер», которые обеспечат круглогодичную навигацию по Северному морскому пути, развитие которого позволит осваивать самые отдалённые уголки Арктики, нести туда свет и тепло.
Благодаря высокому быстродействию и учёту взаимного влияния тепловых полей в потоке жидкости и твёрдой оболочке, программный комплекс заменит для ряда режимов универсальные коды, что ускорит расчётное обоснование ресурса атомных реакторов и обеспечит своевременное выполнение задач, поставленных государством.
Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России
