CFD-коды: проблемы и перспективы в атомной энергетике
Текст: Андрей Велесюк, Иван Моргунов
На конференция NURETH‑2017, прошедшей недавно в Китае, больше всего внимания было уделено CFD-кодам — почти половина докладчиков так или иначе упоминали CFD-моделирование. Что же такое CFD-коды и как за последние 15 лет они стали темой № 1 в мире атомной энергетики?
Иллюстрация: Влад Суровегин
Крупнейшая международная конференция по теплогидравлике в атомной отрасли NURETH‑2017 (International Topical Meeting on Nuclear Reactor and Thermal Hydraulics) прошла 8 сентября в китайском городе Сиань. На ней было представлено 730 докладов, и более чем в 330 из них упоминалось CFD-моделирование.
«Причем акцент докладчики делали на разработку новых математических моделей, методологических подходов и решение прикладных задач теплофизики в атомной отрасли, — рассказал участник конференции, инженер-конструктор первой категории ОКБ «Гидропресс» Василий Волков. — Почти все эти работы идут через университеты и имеют господдержку. Вовсю идет отладка технологии проведения расчетов, методологий, которые потом внедряются в промышленность».
Нашим читателям очевидна перспективность такого источника энергии, как деление ядер. Равно как и то, что использование ядерного топлива требует обеспечения безопасности. Чтобы добиться необходимого уровня безопасности, нужны точные расчеты во время проектирования объектов ядерной энергетики. Один из методов, позволяющих сократить затраты на проектирование, — использование CFD-кодов — методов вычислительной гидродинамики (Computational Fluid Dynamics). Попытаемся популярно объяснить, в чем состоят эти методы.
«Причем акцент докладчики делали на разработку новых математических моделей, методологических подходов и решение прикладных задач теплофизики в атомной отрасли, — рассказал участник конференции, инженер-конструктор первой категории ОКБ «Гидропресс» Василий Волков. — Почти все эти работы идут через университеты и имеют господдержку. Вовсю идет отладка технологии проведения расчетов, методологий, которые потом внедряются в промышленность».
Нашим читателям очевидна перспективность такого источника энергии, как деление ядер. Равно как и то, что использование ядерного топлива требует обеспечения безопасности. Чтобы добиться необходимого уровня безопасности, нужны точные расчеты во время проектирования объектов ядерной энергетики. Один из методов, позволяющих сократить затраты на проектирование, — использование CFD-кодов — методов вычислительной гидродинамики (Computational Fluid Dynamics). Попытаемся популярно объяснить, в чем состоят эти методы.
Краткая история CFD-кодов
Начнем издалека, с середины 1960-х годов, когда для расчетных исследований в атомной отрасли стали применять так называемые системные коды. Они схематически описывают конструкцию реакторной установки и моделируют ее характеристики.
Их главная особенность в том, что для получения корректных результатов, в программу необходимо включить большое количество экспериментальных данных.Для предприятий, обладающих собственной производственной и экспериментальной базой, это не было проблемой. Но если необходимо было наполнить системные коды новыми экспериментальными данными, то приходилось привлекать сторонние предприятия или проводить натурные эксперименты, а это весьма затратно.
В начале XXI века мировое сообщество во главе с МАГАТЭ в качестве альтернативы системным кодам обратило внимание на CFD-коды, в основе которых лежит решение уравнений Навье-Стокса или Рейнольдса численными методами. Кстати, в атомной промышленности CFD-коды впервые применили еще в СССР, во время совместного проекта с Чехией по изучению тепломассообмена в топливных сборках для реакторов на быстрых нейтронах. А в аэрокосмической промышленности вычислительную гидроаэродинамику используют с конца 1960-х годов для расчета параметров камер сгорания ракетных двигателей, физико-химических процессов при обтекании головных частей боеголовок и сверхзвуковых самолетов.
В чем разница этих двух методов, проще всего объяснить на примере. Если 60 лет назад появлялся проект нового самолета, то вначале собирали специальный стенд, а затем проводили испытания: продували модель в аэродинамической трубе, фиксировали результаты, вносили изменения — и снова в трубу. CFD-коды на фоне этого — своего рода революция. Они позволяют смоделировать виртуальный образец и провести бóльшую часть необходимых испытаний на математической трехмерной модели. В результате теперь самолет приходится прогонять через аэротрубу не 100 раз, а, к примеру, всего два — чтобы подтвердить результаты.
Есть три фактора, объясняющих, почему в атомной отрасли так поздно обратили внимание на этот инструмент:
Итак, 15 лет назад Международное агентство по атомной энергии поставило перед собой цель развивать и совершенствовать CFD-технологии. И начиная с 2002 года МАГАТЭ ведет активную работу по синтезу имеющейся информации, анализу возможностей CFD-кодов, области их применения и потенциалов развития в атомной отрасли.
Начнем издалека, с середины 1960-х годов, когда для расчетных исследований в атомной отрасли стали применять так называемые системные коды. Они схематически описывают конструкцию реакторной установки и моделируют ее характеристики.
Их главная особенность в том, что для получения корректных результатов, в программу необходимо включить большое количество экспериментальных данных.Для предприятий, обладающих собственной производственной и экспериментальной базой, это не было проблемой. Но если необходимо было наполнить системные коды новыми экспериментальными данными, то приходилось привлекать сторонние предприятия или проводить натурные эксперименты, а это весьма затратно.
В начале XXI века мировое сообщество во главе с МАГАТЭ в качестве альтернативы системным кодам обратило внимание на CFD-коды, в основе которых лежит решение уравнений Навье-Стокса или Рейнольдса численными методами. Кстати, в атомной промышленности CFD-коды впервые применили еще в СССР, во время совместного проекта с Чехией по изучению тепломассообмена в топливных сборках для реакторов на быстрых нейтронах. А в аэрокосмической промышленности вычислительную гидроаэродинамику используют с конца 1960-х годов для расчета параметров камер сгорания ракетных двигателей, физико-химических процессов при обтекании головных частей боеголовок и сверхзвуковых самолетов.
В чем разница этих двух методов, проще всего объяснить на примере. Если 60 лет назад появлялся проект нового самолета, то вначале собирали специальный стенд, а затем проводили испытания: продували модель в аэродинамической трубе, фиксировали результаты, вносили изменения — и снова в трубу. CFD-коды на фоне этого — своего рода революция. Они позволяют смоделировать виртуальный образец и провести бóльшую часть необходимых испытаний на математической трехмерной модели. В результате теперь самолет приходится прогонять через аэротрубу не 100 раз, а, к примеру, всего два — чтобы подтвердить результаты.
Есть три фактора, объясняющих, почему в атомной отрасли так поздно обратили внимание на этот инструмент:
- цена ошибки слишком велика (поэтому работники атомной промышленности консервативны);
- масштабность конструкций (необходимость учитывать миллиметровые зазоры в конструкции размерами в десятки метров);
- общая канонизация знаний в отрасли.
Итак, 15 лет назад Международное агентство по атомной энергии поставило перед собой цель развивать и совершенствовать CFD-технологии. И начиная с 2002 года МАГАТЭ ведет активную работу по синтезу имеющейся информации, анализу возможностей CFD-кодов, области их применения и потенциалов развития в атомной отрасли.
Справка
CFD (Computational Fluid Dynamics), или ВГАД (вычислительная гидроаэродинамика), — подраздел механики сплошных сред, включающий совокупность физических, математических и численных методов, изучающий любые разновидности течения жидкости и газа.
В ОКБ «Гидропресс» для CFD-расчетов используют такие общепринятые программные продукты, как STAR-CCM+, STAR-CD, ANSYS CFX и ANSYS Fluent. В России есть и собственные аналоги этих кодов, в частности, «ЛОГОС» разработки РФЯЦ-ВНИИЭФ, Flow Vision компании «Тесис» и CONV3D разработки ИБРАЭ РАН.
В ОКБ «Гидропресс» для CFD-расчетов используют такие общепринятые программные продукты, как STAR-CCM+, STAR-CD, ANSYS CFX и ANSYS Fluent. В России есть и собственные аналоги этих кодов, в частности, «ЛОГОС» разработки РФЯЦ-ВНИИЭФ, Flow Vision компании «Тесис» и CONV3D разработки ИБРАЭ РАН.
Плюсы CFD-кодов для атомной отрасли
Упрощают работу
CFD-коды помогают выявлять в энергетической установке проблемные фрагменты. Это позволяет разработчикам на этапе проектирования принять все необходимые меры, чтобы улучшить конструкцию или отдельный ее узел.
К тому же вычислительная гидродинамика помогает снижать сроки и стоимость создания новых образцов и улучшает эксплуатационные характеристики.
Повышают безопасность
В 1957 году в Великобритании случился пожар, охвативший 8 тонн уранового топлива (авария в Уиндскейле); в результате произошли расплавление активной зоны реактора и выброс радиоактивности в атмосферу. Эта авария получила 5-й уровень опасности по INES (Международной шкале ядерных событий).
Современные компьютерные коды CFD-класса, такие как FDS (Fire Dynamics Simulator) или ANSYS CFX, позволяют при моделировании возгораний в помещении получить достаточно близкие к экспериментальным значения температур, понять механизмы развития возгораний, оптимизировать конструкцию АЭС и разработать способы тушения пожара.
К тому же эффективные средства 3D-моделирования помогают успешно решать целый ряд задач по повышению аварийной готовности на объектах атомной энергетики:
Незаменимы при разработке уникальных решений
Когда разрабатывается абсолютно новый проект, когда неизвестно конструкторское решение, нет референтности, преемственности решений и экспериментальных данных, — без CFD обойтись нельзя. Например, при расчетах реакторов малой мощности.
Дают новое знание
В интервью AtomInfo.Ru В. Волков назвал CFD-расчеты своего рода «рентгеновским аппаратом, или своеобразным компьютерным томографом, позволяющим понимать течения внутри реакторной установки». По его словам, это новое качество знаний о процессах, которые невозможно получить другими методами.
Упрощают работу
CFD-коды помогают выявлять в энергетической установке проблемные фрагменты. Это позволяет разработчикам на этапе проектирования принять все необходимые меры, чтобы улучшить конструкцию или отдельный ее узел.
К тому же вычислительная гидродинамика помогает снижать сроки и стоимость создания новых образцов и улучшает эксплуатационные характеристики.
Повышают безопасность
В 1957 году в Великобритании случился пожар, охвативший 8 тонн уранового топлива (авария в Уиндскейле); в результате произошли расплавление активной зоны реактора и выброс радиоактивности в атмосферу. Эта авария получила 5-й уровень опасности по INES (Международной шкале ядерных событий).
Современные компьютерные коды CFD-класса, такие как FDS (Fire Dynamics Simulator) или ANSYS CFX, позволяют при моделировании возгораний в помещении получить достаточно близкие к экспериментальным значения температур, понять механизмы развития возгораний, оптимизировать конструкцию АЭС и разработать способы тушения пожара.
К тому же эффективные средства 3D-моделирования помогают успешно решать целый ряд задач по повышению аварийной готовности на объектах атомной энергетики:
- реалистичный анализ аварийных планов, оптимизация мероприятий по предотвращению ЧС и ликвидации их последствий;
- разработка и научно-техническая поддержка территориальных и ведомственных систем аварийного реагирования;
- создание тренажеров и программных имитаторов радиационных аварий, предназначенных для обучения персонала кризисных центров и аварийно-спасательных формирований, отработки действий по управлению силами и средствами в условиях ЧС;
- подготовка и проведение противоаварийных учений и тренингов.
Незаменимы при разработке уникальных решений
Когда разрабатывается абсолютно новый проект, когда неизвестно конструкторское решение, нет референтности, преемственности решений и экспериментальных данных, — без CFD обойтись нельзя. Например, при расчетах реакторов малой мощности.
Дают новое знание
В интервью AtomInfo.Ru В. Волков назвал CFD-расчеты своего рода «рентгеновским аппаратом, или своеобразным компьютерным томографом, позволяющим понимать течения внутри реакторной установки». По его словам, это новое качество знаний о процессах, которые невозможно получить другими методами.
Главные проблемы использования
Кадровый дефицит
Сейчас в стране практически нет профильного образования, позволяющего подготовить квалифицированного CFD-инженера для научно-производственного предприятия; отсутствуют специализированная учебная литература на русском языке и общепринятые методики расчета.
За небольшими исключениями, пользователи CFD-пакетов при проведении расчетных исследований полагаются на опыт — собственный и коллег, и лишь иногда прибегают к справочным материалам и руководству пользователя, которые сопровождают программное обеспечение. Результат — низкая точность, а иногда недостоверность расчетов. Впрочем, подобная ситуация сложилась и за рубежом.
Но уже сейчас в мире активно создаются методики расчета оборудования и появляются центры компетенции; в Австралии, Бразилии и Германии созданы CFD-сообщества. В ОКБ «Гидропресс» также создан центр компетенции по CFD-технологиям, а в рамках 10-й международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», проводимой там же раз в два года, в этом году впервые прошла секция, посвященная вопросам разработки, верификации и применения CFD-кодов в атомной промышленности.
Дорогостоящая технология
К сожалению, сегодня вычислительная гидроаэродинамика затратна в плане ресурсов. Чтобы смоделировать течение в реакторной установке, ноутбука или стационарного компьютера недостаточно. Рабочее место CFD-инженера — мощная вычислительная система или кластер.
Для примера: модель реактора ВВЭР‑1200 занимает только на жестком диске порядка 200 Гб; столько же места занимают результаты расчетов. Время счета на суперкомпьютере (~1000 ядер) — до недели, столько же уходит на обработку и анализ результатов. Следовательно, массовые расчеты потребуют от атомной энергетики перехода на новую вычислительную базу.
Проблема верификации
Обычно для качественных CFD-расчетов необходимо выполнить следующие девять пунктов: постановка задачи исследования, выбор метода расчета, разработка физической модели, выбор расчетного кода, построение расчетной области, разработка компьютерной модели, обработка результатов, валидация и верификация результатов, разработка отчетной документации.
Чаще всего на отечественных конференциях обращаются к предпоследнему пункту — верификации. Утверждается, что самое сложное — получить экспериментальные данные, которые помогут оценить, правильно ли прошло моделирование.
В докладе «Текущее состояние развития и задачи верификации СFD-кодов» сотрудники ИБРАЭ РАН утверждают, что верификация CFD-кодов в объеме, необходимом для применения в атомной промышленности, далеко еще не завершена. Особенно актуальны задачи верификации в связи с применением CFD-кодов к жидкометаллическим теплоносителям — здесь остро стоит вопрос об экспериментальной базе.
Кадровый дефицит
Сейчас в стране практически нет профильного образования, позволяющего подготовить квалифицированного CFD-инженера для научно-производственного предприятия; отсутствуют специализированная учебная литература на русском языке и общепринятые методики расчета.
За небольшими исключениями, пользователи CFD-пакетов при проведении расчетных исследований полагаются на опыт — собственный и коллег, и лишь иногда прибегают к справочным материалам и руководству пользователя, которые сопровождают программное обеспечение. Результат — низкая точность, а иногда недостоверность расчетов. Впрочем, подобная ситуация сложилась и за рубежом.
Но уже сейчас в мире активно создаются методики расчета оборудования и появляются центры компетенции; в Австралии, Бразилии и Германии созданы CFD-сообщества. В ОКБ «Гидропресс» также создан центр компетенции по CFD-технологиям, а в рамках 10-й международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», проводимой там же раз в два года, в этом году впервые прошла секция, посвященная вопросам разработки, верификации и применения CFD-кодов в атомной промышленности.
Дорогостоящая технология
К сожалению, сегодня вычислительная гидроаэродинамика затратна в плане ресурсов. Чтобы смоделировать течение в реакторной установке, ноутбука или стационарного компьютера недостаточно. Рабочее место CFD-инженера — мощная вычислительная система или кластер.
Для примера: модель реактора ВВЭР‑1200 занимает только на жестком диске порядка 200 Гб; столько же места занимают результаты расчетов. Время счета на суперкомпьютере (~1000 ядер) — до недели, столько же уходит на обработку и анализ результатов. Следовательно, массовые расчеты потребуют от атомной энергетики перехода на новую вычислительную базу.
Проблема верификации
Обычно для качественных CFD-расчетов необходимо выполнить следующие девять пунктов: постановка задачи исследования, выбор метода расчета, разработка физической модели, выбор расчетного кода, построение расчетной области, разработка компьютерной модели, обработка результатов, валидация и верификация результатов, разработка отчетной документации.
Чаще всего на отечественных конференциях обращаются к предпоследнему пункту — верификации. Утверждается, что самое сложное — получить экспериментальные данные, которые помогут оценить, правильно ли прошло моделирование.
В докладе «Текущее состояние развития и задачи верификации СFD-кодов» сотрудники ИБРАЭ РАН утверждают, что верификация CFD-кодов в объеме, необходимом для применения в атомной промышленности, далеко еще не завершена. Особенно актуальны задачи верификации в связи с применением CFD-кодов к жидкометаллическим теплоносителям — здесь остро стоит вопрос об экспериментальной базе.
Вывод: будет хорошо, но потом
CFD-методы — не панацея, а относительно новый инструмент, который позволит быстрее и дешевле решать проблемы, стоящие перед отраслью. Возможности применения этих методов будут расти по мере роста производительности компьютеров.
И хотя сейчас CFD-моделирование в России представлено слабо, в будущем доля экспериментальной отработки многих вариантов элементов конструкций относительно расчетной будет снижаться. Но при этом необходима связь CFD и тех самых системных кодов, которые с большим успехом применяются уже 50 лет.
CFD-коды — безусловно, важнейший элемент будущей атомной энергетики. Но в ближайшее время они не смогут полностью заменить классические полуэмпирические подходы по трем причинам:
CFD-методы — не панацея, а относительно новый инструмент, который позволит быстрее и дешевле решать проблемы, стоящие перед отраслью. Возможности применения этих методов будут расти по мере роста производительности компьютеров.
И хотя сейчас CFD-моделирование в России представлено слабо, в будущем доля экспериментальной отработки многих вариантов элементов конструкций относительно расчетной будет снижаться. Но при этом необходима связь CFD и тех самых системных кодов, которые с большим успехом применяются уже 50 лет.
CFD-коды — безусловно, важнейший элемент будущей атомной энергетики. Но в ближайшее время они не смогут полностью заменить классические полуэмпирические подходы по трем причинам:
- количество ячеек, которые необходимо использовать для описания процессов при применении CFD-кодов, чаще всего превышает возможности вычислительной техники, которая сейчас используется в атомной отрасли;
- как правило, CFD-коды уступают по скорости вычислений кодам, основанным на полуэмпирических подходах;
- не всегда необходимо детальное моделирование рабочих процессов в трехмерной постановке.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА
