Василий Волков: для CFD важна квалификация

AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 22.09.2017

На вопросы электронного издания AtomInfo.Ru отвечает инженер-конструктор I категории АО ОКБ "ГИДРОПРЕСС", к.т.н. Василий ВОЛКОВ.

ПРОДОЛЖЕНИЕ ПОСЛЕ ФОТО

Василий Волков, фото AtomInfo.Ru

Расчёты от первых принципов

Василий Юрьевич, Вы занимаетесь CFD-расчётами. Поясните, пожалуйста, что это такое.

CFD-моделирование - это отдельный раздел механики сплошных сред, который включает совокупность физических, математических и численных методов, изучающий любые разновидности течения жидкости и газа. Оно идёт от "первых" принципов, с использованием уравнений Навье-Стокса и замыкающих соотношений.

Какие подходы можно выделить при CFD-моделировании течения жидкостей и газов?

Чаще всего разделяют подходы моделирования турбулентности. Прежде всего, используется прямое численное моделирование (direct numerical simulation, DNS), с помощью которого разрешаются все вихри вплоть до самых маленьких колмогоровского масштаба турбулентности.

Есть метод крупных вихрей (large eddy simulation, LES) - подход, при котором большие вихри моделируются напрямую, а более мелкие вихри моделируются подсеточными моделями турбулентности.

Наконец, есть метод RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes), использующий осреднения уравнений Навье-Стокса по времени, предложенные Рейнольдсом.

К уравнениям добавляются замыкающие соотношения, моделирование теплообмена и другие связанные эффекты.

В авиации и ряде других отраслей CFD-моделирование в массовом порядке начало применяться с 80-ых годов, а самые первые попытки его внедрения восходят к 60-ым годам.

Атомная отрасль с этой точки зрения оказалась одной из наиболее консервативных, и к нам CFD-методы пришли относительно недавно. Сейчас интерес к ним большой, достаточно упомянуть о специализированном проекте по CFD, организованном под эгидой МАГАТЭ. Наше предприятие, кстати, в этом проекте принимает активное участие.

Что принципиально новое можно получить от CFD-расчётов по сравнению с традиционными для атомной отрасли расчётами?

В первую очередь хотелось бы отметить, что CFD коды - это не развитие той или иной ветки одномерных кодов, это отдельная, параллельная ветвь гидродинамики и тепломассообмена.

Расчётные методики, которые у нас использовались ранее, хороши в тех случаях, когда нужно определить интегральные характеристики - средние по входу и средние на выходе. Расчёты делались приблизительно так - модель собиралась из блоков, работающих по принципу чёрного ящика, а данные для заложенных в блоки моделей получались из экспериментов.

Но интересно - и нужно! - получать больше информации о локальных эффектах. Что делается на стенках? Как проходит пространственное смешение? Ответы на эти и другие вопросы, касающиеся локальных параметров, позволяют дать CFD-расчёты. Фактически, CFD позволяет проводить численные эксперименты.

Конечно, правильно и корректно подготавливать и обрабатывать модели для CFD-расчётов нужно уметь. Для оценки возможностей CFD в атомной отрасли проводятся международные стандартные задачи (бенчмарки). Так для этих целей раз в два года проводятся большие международные бенчмарки под эгидой OECD/NEA.

Можете уточнить, какие именно бенчмарки?

Один из первых бенчмарков - моделирование смешения в тройнике. Следующий бенчмарк был посвящён течению в пучках труб, требовалось определить поля скоростей. Был бенчмарк по водородной безопасности, а сейчас проходит бенчмарк по методам анализа неопределённостей для CFD-расчётов.

Что представлял собой бенчмарк по водородной безопасности?

В швейцарском институте Пауля Шеррера есть экспериментальный стенд PANDA. По сути, это бочка несколько метров в диаметре и десять метров в высоту.

В этом объёме через трубочку диаметром в несколько сантиметров в объём подаётся гелий, в верхней части установки есть предварительно сформированный стратифицированный слой гелия. От участников бенчмарка требовалось рассчитать, как гелий будет распространяться в объёме.

Фактически таким образом моделируется авария с выходом водорода. Почему в эксперименте использовался гелий? Потому что всё-таки с водородом эксперименты достаточно опасны, а гелий его неплохо имитирует.

Результаты расчётов сравнивались с экспериментальными данными - распределением концентрации гелия, пульсацией скорости струи газа, и другими. Приятно, что результаты расчётов, выполненных в ОКБ "ГИДРОПРЕСС", в этом бенчмарке оказались наилучшими в сравнении с результатами других участников со всего мира.

Рентген для конструктора

Что такое CFD-расчёт в цифрах?

Это затратные расчёты. Обычный компьютер или ноутбук не могут служить инструментом CFD-инженера. Мы работаем с кластерами и вычислительными системами, состоящими из суперкомпьютеров.

Приведу конкретные цифры из нашего недавнего доклада по расчётам ВВЭР. Наша модель состояла из 700 миллионов контрольных объёмов, при этом в каждом контрольном объёме рассчитывалось порядка 20 переменных на каждой из тысяч итерации. Это суперкомпьютерные технологии.

Что CFD-расчёты дают Вам как конструктору?

Я бы назвал CFD-расчёты своего рода рентгеновским аппаратом, или своеобразным компьютерным томографом, позволяющим понимать течения внутри реакторной установки. Это новое качество знаний о процессах, которые невозможно получить другими методами.

Но насколько это всё будет точно?

Да, погрешности остаются. Например, никуда не деться от погрешностей геометрии, возникающих при изготовлении оборудования. Вы можете возразить: "Есть методы трёхмерного сканирования". Да, они есть, но применять их для каждого узла невозможно, слишком дорогое получится удовольствие. Поэтому любое численное моделирование - это всегда компромисс.

Есть погрешности, вносимые граничными и начальными условиями. Граничное условие для CFD-модели - не значение средней скорости, а её пространственный профиль. Хорошо, если течение на границе модели ламинарное, а если оно турбулентное и меняется во времени?

Поэтому у мирового расчётного сообщества сегодня есть потребность в CFD-grade экспериментах, удовлетворяющих качеству, необходимому для CFD-расчётов по граничным и другим условиям и параметрам.

Возвращаясь к вопросу о практическом применении CFD-расчётов, могу привести конкретный пример - моделирование парового объёма парогенератора ВВЭР-ТОИ. В нём был сделан ряд изменений, и от нас требовалось спрофилировать пароприёмные дырчатые листы таким образом, чтобы распределение расходов по ним было равномерным. CFD-моделирование позволило решить эту задачу.

Проверять расчёты будете на Курской АЭС-2 после пуска?

Как и любой другой расчёт. Реальный блок покажет качество работы конструктора. Но я хочу сказать, что ждать пуска блока совершенно необязательно.

Есть процедуры по обеспечению качества расчётов. В частности, это моделирование стендов и уже имеющихся референтных конструкций, с помощью которых можно выполнять верификацию программ и моделей.

Так, для данной задачи был промоделирован эксперимент, проведённый на стенде в ГНЦ РФ - ФЭИ, и наши расчёты показали хорошую сходимость с измеренными данными, а также проведено сравнение с базовой конструкцией парогенератора.

Коды и квалификация

Какими программами Вы пользуетесь для CFD-расчётов?

В ОКБ "ГИДРОПРЕСС" мы используем коммерческое программное обеспечение. Иностранные программные продукты - это STAR-CCM+, STAR-CD, ANSYS CFX и ANSYS Fluent.

В России есть аналоги этих кодов - в частности, ЛОГОС, разработанный во ВНИИЭФ, и ряд других. Коды развиваются, но пока не столь быстрыми темпами, как нам хотелось бы. Однако, в данных кодах имеется ряд воплощённых идей и моделей, которые не имеют зарубежных аналогов.

Особенность CFD-расчётов - для них характерен сильный "эффект пользователя". К ним в полной мере подходит латинская поговорка: "Если двое делают одно и то же, то это не одно и то же". Поэтому для нас очень важны и квалификация расчётчика, и постоянный обмен опытом.

У нас в ОКБ "ГИДРОПРЕСС" имеется вычислительный кластер, в котором порядка 2 тысяч вычислительных ядер. Это не так уж много для наших задач. Для сравнения, "Westinghouse" имеет выход на кластер из примерно 300 тысяч вычислительных ядер.

Но при таком превосходстве в вычислительной мощности ни "Westinghouse", ни AREVA пока не смогли достичь в расчётах международных бенчмарков той точности моделирования, которую сумели обеспечить мы в ОКБ "ГИДРОПРЕСС".

Так что вопрос квалификации для CFD-инженера на сегодняшний день остаётся принципиально важным. Но и отставание в вычислительных мощностях от западных компаний нам тоже необходимо постепенно сокращать.

В целях обмена опытом у нас в ОКБ "Гидропресс" мы сделали отдельную секцию по CFD на конференции "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР", а раз в два года в "ОКБМ Африкантов" проводится специализированный семинар по CFD-расчётам.

Разработкой собственных CFD-кодов в ОКБ "ГИДРОПРЕСС" занимаются?

Я сошлюсь на опыт иностранных коллег. За рубежом индустрия применяет готовые продукты, а разработкой новых моделей, улучшением численных алгоритмов занимаются, в первую очередь, университеты.

Мы общаемся на конференциях с коллегами из "Westinghouse" и ведущих мировых университетов. У них есть доступ к библиотекам ограниченного доступа, отсутствующих в коммерческом программном обеспечении. Они их использовать могут, а мы - нет.

Я считаю, что нам в России нужно наладить аналогичное сотрудничество с разработчиками программного обеспечения. Нужно совместно разрабатывать коды, библиотеки, обсуждать их и передавать их по запросу в индустрию, внедрять...

Наши университеты заинтересованы в подобном сотрудничестве?

Вопрос не ко мне. Могу сказать только, что сильная группа работает в СПбГУ, и у них есть коды собственной разработки, в МГУ активно занимаются численными алгоритмами. Мы сотрудничаем с коллегами из МГУ, стараемся быть в курсе работ и готовы к опытному внедрению у себя новых методов и тестированию моделей.

Китайский прогресс

В начале сентября Вы принимали участие в международной конференции по теплогидравлике в Китае.

Крупнейшая конференция по теплогидравлике "NURETH" прошла с 3 по 8 сентября в городе Сиань. На ней было представлено 730 статей, из них более 330 статей так или иначе содержали ссылки на CFD-моделирование.

Представительство стран на конференции было широким, но я бы особенно отметил рост квалификации китайских специалистов. По направлению CFD-моделирования они прогрессируют не линейными темпами, а по экспоненте.

Мы имеем возможность сравнивать, как меняется качество китайских докладов по CFD. Если пять лет назад это были, я бы сказал, ученические работы, то сегодня у них есть как минимум три сильные группы расчётчиков - причём это группы, созданные при университетах.

Кроме того, большое внимание CFD-направлению на конференции уделили западные компании. Так, от EDF было более 20 докладов, в том числе, 17 или 18 по CFD-тематике, а от "Westinghouse" - 13 докладов, в том числе, семь по CFD.

Нужно отметить, что ряд западных докладов был посвящён моделированию ВВЭР.

Откуда их авторы получают исходные данные по нашим проектам?

На такие вопросы они отвечают прямо. Данные по блокам с ВВЭР им передают из стран Восточной Европы.

Так что, как видите, CFD-моделирование в наши дни становится не только инструментом исследователя, но и инструментом конкурентной борьбы - ведь по итогам расчётов делаются выводы о преимуществах и недостатках тех или иных конструкторских решений.

Спасибо, Василий Юрьевич, за интервью для электронного издания AtomInfo.Ru.

Фото предоставлено ОКБ "ГИДРОПРЕСС".
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Ключевые слова: Теплофизика и теплогидравлика, ОКБ Гидропресс, Интервью, Статьи

---

Другие новости:

Новый тысячник создаёт 200 тысяч человеко-лет занятости - исследованние NEA и МАГАТЭ

50 тысяч человек-лет собственно блок, 50 тысяч человек-лет - поставки и 100 тысяч человеко-лет - косвенная занятость.

Китай создаст компанию для TWR

Ведущий акционер - дочерняя компания CNNC.

Третья партия электротехнического оборудования отправлена в международную организацию ИТЭР

Самая крупная поставка электротехнического оборудования для ITER из России.

---

---

---

---

Поиск по сайту: