Tương tác chất lưu kết cấu FSI nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng trong công nghiệp

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

HOÀNG TÂN HƢNG

TƢƠNG TÁC CHẤT LƢU – KẾT CẤU (FSI): NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT TÍNH TOÁN

Hà Nội – 2017

Trang 1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

HOÀNG TÂN HƢNG

TƢƠNG TÁC CHẤT LƢU – KẾT CẤU (FSI): NGHIÊN CỨU
LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT TÍNH TỐN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT TÍNH TỐN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄN VIỆT HÙNG

Hà Nội Trang
– 20172


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Lời cam đoan
Tơi, Hồng Tân Hƣng, xin cam đoan luận án là cơng trình nghiên cứu
của bản thân tơi dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Việt Hùng.
Các kết quả nêu trong báo cáo luận án là trung thực, không sao chép
của bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

HỌC VIÊN

HOÀNG TÂN HƢNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. NGUYỄN VIỆT HÙNG

i


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Lời cảm ơn
Để hoàn thành luận án này, trƣớc hết tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và
biết ơn tới PGS.TS. Nguyễn Việt Hùng ,ngƣời thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn ,
giúp đỡ tơi trong q trình học tập và thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô của Viện Nghiên cứu quốc tế về
Khoa học và Kỹ thuật tính tốn, các anh chị của cơng ty Công Nghệ Tiên
Tiến, các đồng nghiệp Trung tâm An toàn hạt nhân, Viện Khoa học và Kỹ
thuật hạt nhân đã giúp đỡ, tạo điều kiện để tơi có thể hồn thành luận án này.
Tơi xin gửi lời cảm ơn đến công ty Cổ phần Công nghệ tiên tiến
( đã cung cấp bản quyền phần mềm ANSYS và các tài liệu liên
quan giúp tơi có thể thực hiện nghiên cứu.

Cuối cùng tơi xin cảm ơn gia đình và những ngƣời bạn vì sự động viên
trong suốt thời gian thực hiện luận văn.

ii


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Đại học Bách Khoa Hà Nội

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: Tƣơng tác chất lƣu – kết cấu (FSI): Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng
trong cơng nghiệp
HỒNG TÂN HƢNG
Viện Nghiên cứu Quốc tế vê Khoa học và Kỹ thuật tính tốn
Trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội
Từ khóa: FSI, VIV, tai nạn lị phản ứng hạt nhân, Monju
Tƣơng tác chất lƣu – kết cấu (FSI) là một bài tốn có vai trị quan trọng trong
nhiều ngành công nghiệp khác nhau, tuy nhiên đây là một lĩnh vực đầy thách thức
trong kỹ thuật phân tích địi hỏi sự phát triển của cả kỹ thuật mơ phỏng lẫn sức
mạnh của máy tính. Trong luận văn này thực hiện nghiên cứu hiện tƣợng Dịng
xốy sinh ra dao động (VIV), là một trong những bài toán FSI để nghiên cứu tai nạn
rò rỉ chất làm mát lò phản ứng hạt nhân Monju, Nhật Bản, vốn đƣợc coi là giải pháp
năng lƣợng của tƣơng lai.
Trong luận văn sẽ tập trung nghiên cứu những đặc trƣng của VIV tác động
lên ống chứa cảm biến nhiệt độ khiến cho bộ phần này bị bẻ gãy dẫn đến tai nạn.
Các phân tích đƣợc mơ phỏng bằng phần mềm mơ phỏng cơng nghiệp ANSYS với
sự kết hợp của trƣờng kết cấu (Mechanical) và trƣờng chất lỏng (Fluent) thông qua
modun kết nối (System Coupling,) để trao đổi dữ liệu. Do sự phức tạp của bài toán
FSI nên các kết quả ban đầu của luận văn cần đƣợc hoàn thiện và kiểm chứng thêm
trong các nghiên cứu trong tƣơng lai trƣớc khi có thể đƣa đánh giá và thực tế.

iii


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Mục lục
Lời cam đoan ............................................................................................................. i
Lời cảm ơn ................................................................................................................ ii
Danh mục các ký tự viết tắt .................................................................................... vi
Danh mục hình vẽ................................................................................................... vii
Danh mục bảng ..........................................................................................................x
Mở đầu .......................................................................................................................1
Chƣơng 1: Tổng quan ...............................................................................................4
1.1.

Lò phản ứng Monju và tai nạn rò rỉ chất tải nhiệt .....................................4

1.1.1.

Diễn biến tai nạn ...................................................................................6

1.1.2.

Khảo sát nguyên nhân ...........................................................................8

1.2.

Giới thiệu về bài toán tƣơng tác chất lƣu – kết cấu (FSI) .......................10

1.2.1.

Hệ thống kết nối (System Coupling) ...................................................10

1.2.2.

Tƣơng tác FSI một chiều .....................................................................11

1.2.3.

Tƣơng tác FSI hai chiều ......................................................................11

1.3.

Lý thuyết về động lực học dịng chảy......................................................11

1.3.1.

Bảo tồn khối lƣợng và bảo tồn động lƣợng .....................................12

1.3.2.

Dịng chảy đi qua ống trụ trịn .............................................................13

1.3.3.

Lớp biên...............................................................................................13

1.3.4.

Mơ hình rối ..........................................................................................13

1.3.5.

Dịng xốy sinh ra dao động ................................................................14

1.3.6.

Dịng xốy ...........................................................................................15

1.3.7.

Số Strouhal ..........................................................................................17

1.3.8.

Lock in .................................................................................................18
iv


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

1.3.9.

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hệ số lực kéo và lực nâng ...................................................................19

1.3.10. Phƣơng pháp thể tích hữu hạn .............................................................20
1.4.

Lý thuyết cơ học kết cấu. .........................................................................21

1.4.1.

Phân tích Modal ..................................................................................21

1.4.2.

Phân tích động lực chất rắn .................................................................21

Chƣơng 2: Phƣơng pháp phân tích .......................................................................23
2.1. Mơ hình hóa bài tốn .....................................................................................23
2.2. Phân tích dao động riêng ...............................................................................26
2.3. Phân tích dịng xốy trong mơ hình 2D ..........................................................32
2.4. Phân tích bài toán tƣơng tác chất lƣu – kết cấu 3D .......................................41
2.4.1. Mơ hình hình học 3D ...............................................................................41
2.4.2. Thiết lập mơ phỏng ..................................................................................41
Chƣơng 3: Kết quả tính tốn .................................................................................51
3.1. Bài tốn tƣơng tác FSI một chiều ...................................................................51
3.2. Bài toán tƣơng tác FSI hai chiều ....................................................................53
Kết luận ....................................................................................................................56
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................57

v


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Danh mục các ký tự viết tắt
Ký tự viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

FSI

Fluid Structural Interaction

Tƣơng tác chất lƣu – kết cấu

VIV

Vortex-Induced Vibrations

Dịng xốy gây ra dao động

FBR

Fast Breeder Reactor

Lị tái sinh nhanh (hạt nhân)

SC

System Coupling

Ghép nối hệ thông

CFD

Computational Fluid Dynamics

Động lực học lƣu chất

2D

2 Dimension

Không gian 2 chiều

3D

3 Dimension

Không gian 3 chiều

IHX

Intermediate Heat Exchanger

Vòng trao đổi nhiệt trung gian

vi


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1: Dự trữ tài nguyên năng lƣợng trên thế giới (trang 8, [11]) .........................2
Hình 1.2: Vị trí xảy ra tai nạn (trang 160, [8 ]) ...........................................................7
Hình 1.3: Vị trí xảy ra tai nạn nhìn từ trên cao (trang 162 [8]) ...................................8
Hình 1.4: Hình học của cảm biến nhiệt độ vịng thứ cấp (trang 47, [1]) ....................9
Hình 1.5: Đƣờng rò rỉ của natri lỏng (trang 48, [1]) ...................................................9
Hình 1.6: Minh họa về tƣơng tác FSI........................................................................10
Hình 1.7: Biên dạng vận tốc của dòng chảy đi qua mặt cong ...................................13
Hình 1.8: Các chế độ của dịng xốy (trang 5,[2]) ....................................................16
Hình 1.9: Mối liên hệ giữa số Strouhal và số Re cho ống trụ. (trang 7,[2]) .............17
Hình 1.10: Mối liên hệ giữa độ giảm vận tốc và tỷ số khối lƣợng (trang 9,[2]) .......19
Hình 2.1: Quy trình thực hiện phân tích ...................................................................23
Hình 2.2: Hình học của phần chất rắn trong bài tốn mơ phỏng ..............................24
Hình 2.2: Lịch sử vận hành của hệ thống tải nhiệt thứ cấp lò phản ứng Monju (trang
120,[9]) ......................................................................................................................25
Hình 2.3: Cài đặt trong phân tích dao động riêng .....................................................26
Hình 2.4: Các dạng dao động của ống chứa cảm biến nhiệt độ ................................27
Hình 2.5: Sơ đồ kích thích cùng phƣơng và vng góc và vùng lock in (trang 7, [6])
...................................................................................................................................28
Hình 2.6: Phản hồi độ lớn ứng suất do lực tác động bởi dòng chảy (trang 8, [6]) ...29
Hình 2.7: Ví dụ về thiết kế ống chứa cảm biến nhiệt độ vƣợt qua đỉnh cộng hƣởng
cùng phƣơng (trang 10, [6]) ......................................................................................30
Hình 2.8: Ví dụ về thiết kế của ống chứa cảm biến nhiệt độ không vƣợt qua đƣợc
cộng hƣởng cùng phƣơng (trang 10, [6]) ..................................................................30
Hình 2.9: Ví dụ về đánh giá cộng hƣởng dòng của Emerson (thiết kế khơng đƣợc
chấp nhận) (trang 7, [6])............................................................................................31
Hình 2.10. Hình học phân tích dịng xốy 2D ..........................................................33
vii


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 2.11: Mơ hình lƣới tổng thể và chi tiết vị trí đặt ống chứa cảm biến nhiệt độ
2D ..............................................................................................................................33
Hình 2.12: Trƣờng vận tốc với các xoáy đƣợc tạo thành TH1 .................................34
Hình 2.13: Trƣờng vận tốc với các xốy đƣợc hình thành ở TH5 ............................35
Hình 2.14: Thay đổi hệ số lực cản và lực nâng theo thời gian TH1 .........................35
Hình 2.15: Thay đổi hệ số lực cản và lực nâng theo thời gian TH1 trong giai đoạn
ổn định .......................................................................................................................36
Hình 2.16: Thay đổi hệ số lực cản và lực nâng theo thời gian TH5 .........................36
Hình 2.17: Thay đổi hệ số lực cản và lực nâng theo thời gian TH1 trong giai đoạn
ổn định .......................................................................................................................37
Hình 2.18: So sánh hệ số lực cản theo thời gian giữa TH1 và TH5 .........................37
Hình 2.19: So sánh hệ số lực cản theo thời gian giữa TH1 và TH5 giai đoạn ổn định
...................................................................................................................................38
Hình 2.20: So sánh vận tốc tại một điểm trong vùng xoáy theo thời gian giữa TH1
và TH5 .......................................................................................................................38
Hình 2.21: So sánh vận tốc tại một điểm trong vùng xoáy theo thời gian giữa TH1
và TH5 giai đoạn ổn định ..........................................................................................39
Hình 2.22: Tần số dao động phân tích phổ ...............................................................40
Hình 2.23: Sơ đồ thiết lập cho bài tốn FSI một chiều .............................................42
Hình 2.24: Sơ đồ thiết lập cho FSI hai chiều ............................................................42
Hình 2.25: Thiết lập trao đổi dữ liệu trong bài toán FSI một chiều ..........................43
Hình 2.26: Lựa chọn thời điểm và kết quả truyền dữ liệu áp suất ............................44
Hình 2.27: Thiết lập tải và ràng buộc trong Transient Structural. ............................45
Hình 2.28: Thiết lập Remeshing và Smoothing ........................................................47
Hình 2.29: Cài đặt System Coupling cho phần ống chứa cảm biến nhiệt độ ...........48
Hình 2.30: Thiết lập thời gian và bƣớc thời gian trong System Coupling ................49
Hình 2.31: Thiết lập trao đổi dữ liệu trong System Coupling...................................50

Hình 3.1: Dịng xốy xuất hiện phía sau ống chứa cảm biến nhiệt độ......................51
Hình 3.2: Phân bố ứng suất trên ống chứa cảm biến, ...............................................52
viii


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 3.3: Vị trí xuất hiện ứng suất lớn nhất..............................................................52
Hình 3.4: Dịng xốy xuất hiện phía sau ống chứa cảm biến nhiệt độ......................53
Hình 3.5: Phân bố ứng suất trên ống chứa cảm biến nhiệt độ ..................................54
Hình 3.6: Vị trí xuất hiện ứng suất lớn nhất tại thời điểm 0.00288s ........................54
Hình 3.7: Thay đổi ứng suất lớn nhất theo thời gian ................................................54

ix


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Danh mục bảng
Bảng 1.1. Các thơng số chính của lị Monju (trang 44, [1])........................................4
Bảng 2.1: Thông số vật liệu của inox 304 sử dụng trong mô phỏng ........................24
Bảng 2.2: Đặc tính vật liệu của natri lỏng sử dụng trong mơ phỏng ........................26
Bảng 2.3 Tần số dao động tự nhiên của ống chứa cảm biến nhiệt độ .......................27
Bảng 2.4. Các trƣờng hợp tính tốn với bài tốn 2D ................................................32
Bảng 2.5: Giá trị tần số dao động trong các trƣờng hợp phân tích ...........................40

x


Luận văn Thạc sỹ

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Mở đầu
Năng lƣợng là vấn đề sống còn của nhân loại, từ lúc con ngƣời bắt đầu khai
thác các dạng năng lƣợng sơ khai nhƣ sử dụng củi đốt, sau đó khai thác các nguồn
năng lƣợng hóa thạch nhƣ than, dầu mỏ, trải qua các cuộc cách mạng công nghiệp
cũng nhƣ bùng nổ dân số thế giới khiến cho nhu cầu năng lƣợng ngày càng tăng
cao. Sự ra đời của điện năng và các nguồn cung cấp năng lƣợng mới nhƣ điện hạt
nhân hay năng lƣợng tái tạo ngày càng trở nên quan trọng trong việc thay thế các
nguồn năng lƣợng hóa thạch vốn gây ra những hậu quả nặng nề với mơi trƣờng.
Theo ƣớc tính với tốc độ khai thác hiện tại so với trữ lƣợng hiện có thì dầu
mỏ sẽ hết trong khoảng 40 năm, khí tự nhiên sẽ hết trong khoảng 60,4 năm, than đá
sẽ cạn kiệt trong 230 năm và điện hạt nhân với công nghệ hiện tại sẽ hết trong 70
năm nữa (hình 1.1). Điều này có nghĩa là con ngƣời cần tìm kiếm nguồn năng lƣợng
để thay thế cho các nguồn bị hết để tiếp tục sinh tồn cho thế hệ con cháu chúng ta.
Có nhiều giải pháp đƣợc đƣa ra nhƣ sử dụng lò phản ứng nhiệt hạch ( tƣơng tự nhƣ
hoạt động của mặt trời), sử dụng năng lƣợng tái tạo nhƣ điện gió, điện mặt trời…
Tuy nhiên việc kiểm soát phản ứng nhiệt hạch hiện nay cịn khá khó khăn dù đó là
nguồn năng lƣợng gần nhƣ vơ tận, cịn đối với năng lƣợng tái tạo thì nguồn khơng
ổn định (phụ thuộc vào thiên nhiên) sẽ không thể là nguồn năng lƣợng chạy nền
phát điện cùng với giá cả đắt đỏ cũng là một thách thức lớn để phát triển nguồn
năng lƣợng này.
Một giải pháp khác cũng đƣợc cộng đồng quốc tế chú ý là sử dụng lò phản
ứng hạt nhân thế hệ mới, lò tái sinh nhanh (FBR - fast breeder reactor) là loại lị
phản ứng có thể sinh ra nhiên liệu phân hạch nhiều hơn lƣợng tiêu thụ. Ƣớc tính sẽ

giúp cung cấp năng lƣợng cho thế giới trong khoảng hơn 2000 năm nữa, một
khoảng thời gian đủ dài để con ngƣời có thể nghiên cứu cũng nhƣ tìm ra những
nguồn năng lƣợng mới.

Trang 1


Luận văn Thạc sỹ

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Các nƣớc phát triển nhƣ Mỹ, Anh, Pháp, Liên Bang Nga, Ấn độ, Nhật Bản
và Trung Quốc đã thực hiện xây dựng các lị phản ứng FBR thử nghiệm trƣớc khi
có thể thƣơng mại hóa chúng.
Nhật Bản cũng tiến hành xây dựng hai lò phản ứng FBR là lò phản ứng Joyo
và Monju để thực hiện một dự án quốc gia về phát triển lị phản ứng FBR. Trong
đó, lị phản ứng FBR thử nghiệm Monju với công suất 280 MWe (714 MWt) sử
dụng nguyên liệu là hỗn hợp oxit của Plutonium và Uranium, làm mát bằng natri
lỏng. Đƣợc xây dựng từ năm 1985 và lần đầu đạt tới hạn vào tháng 4 năm 1994.
Một tai nạn đã xảy ra vào 08/12/1995 tại lò phản ứng Monju khi natri lỏng
vòng thứ cấp bị rỏ rỉ thông qua vết vỡ của một ống chứa cảm biến nhiệt độ gần vị trí
bộ phận trao đổi nhiệt trung gian. Nguyên nhân dẫn đến sai hỏng của ống chứa cảm
biến nhiệt độ là do hiện tƣợng mỏi sau nhiều chu kỳ (hight cycle fatigue) do hiện
tƣợng dòng chảy gây ra dao động. Điều này đã ảnh hƣởng rất lớn đến quá kế hoạch
phát triển lò phản ứng FBR của Nhật Bản, một quốc gia vốn nghèo tài nguyên năng
lƣợng.

Hình 1.1: Dự trữ tài nguyên năng lượng trên thế giới (trang 8, [11])
Để tìm hiểu nguyên nhân dẫn đến tai nạn trong lò phản ứng Monju, trong
luận văn, tác giả sẽ thực hiện phân tích mơ phỏng tƣơng tác của dòng natri lỏng tác

động lên ống chứa cảm biến nhiệt độ nhằm tái hiện lại tai nạn lị phản ứng thơng
qua mơ phỏng số tƣơng tác Chất lƣu – Kết cấu (FSI) bằng phần mềm mô phỏng
Trang 2


Luận văn Thạc sỹ

Đại học Bách Khoa Hà Nội

công nghiệp ANSYS. Bài tốn phân tích đa trƣờng bao gồm trƣờng chất lỏng,
trƣờng kết cầu kết nối giữa hai trƣờng sử dụng lần lƣợt các modul Fluent, Transient
Structural và System Coupling (SC).
Việt Nam có ý định xây dựng nhà máy điện hạt nhân, nhằm cung cấp năng
lƣợng cho phát triển kinh tế, các vấn để về an toàn hạt nhân đặc biệt đƣợc quan tâm
trong các nghiên cứu của Viện năng lƣợng Nguyên tử Việt Nam. Cùng với các
nghiên cứu của tác giả về tai nạn trong nhà máy điện hạt nhân [12] thì FSI cũng là
một vấn đề mới có tính ứng dụng cao trong phân tích an tồn nhà máy điện hạt
nhân.
Nội dung của luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng với nội dung nhƣ sau:
Chƣơng 1 đƣa ra cái nhìn tổng quan về sự cố xảy ra tại lò phản ứng Monju
đồng thời đƣa ra những lý thuyết tổng quát về FSI cũng nhƣ các đặc tính của hiện
tƣợng VIV.
Chƣơng 2 thể hiện các bƣớc tính tốn để thực hiện mô phỏng. Đầu tiên là
xác định tần số dao động tự nhiên của ống chứa cảm biến so sánh với tần số của
dịng xốy (2D) để tìm ra trƣờng hợp nguy hiểm nhất dùng để phân tích trong bài
toán FSI một chiều và FSI hai chiều trong bài toán 3D.
Chƣơng 3 đƣa ra những kết quả và thảo luận về các tính tốn FSI một chiều
và hai chiều tác động lên ống chứa cảm biến nhiệt độ thông qua so sánh với giới
hạn bền mỏi.

Trang 3


Luận văn Thạc sỹ

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Chƣơng 1: Tổng quan
1.1.

Lò phản ứng Monju và tai nạn rò rỉ chất tải nhiệt
Lò phản ứng Monju là lò phản ứng FBR thử nghiệm với công suất: 280 Mwe

(714 MWt) , sử dụng nhiên liệu là hỗn hợp oxit Plutonium và Uranium, với chất
làm mát là natri lỏng trong hai vòng tải nhiệt đầu tiên. Đƣợc bắt đầu xây dựng từ
năm 1985 và tới hạn lần đầu vào tháng 4 năm 1994, Monju đƣợc coi là cột mốc
quan trọng trong chiến lƣợc phát triển năng lƣợng hạt nhân dài hạn của Nhật Bản,
đƣợc gọi là lò phản ứng trong mơ khi có thể sinh ra nhiên liệu nhiều hơn so với
nhiên liệu tiêu thụ. Lò phản ứng bao gồm ba vòng độc lập, vòng sơ cấp, vòng thứ
cấp và vòng biến đổi nƣớc – hơi. Các thơng số chính của lị phản ứng này đƣợc đƣa
ra trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Các thơng số chính của lị Monju (trang 44, [1])
Thơng số

Mơ tả

Loại lị phản ứng

Kiểu vịng tuần hồn

Số lƣợng vịng

3

Cơng suất nhiệt

714 MWt

Công suất điện

280 MWe

Nhiên liệu

PuO2 – UO2
Thông số vùng hoạt

Đƣờng kính tƣơng đƣơng

1,790 mm

Chiều cao

930 mm
Độ làm giàu Plutonium (trong vùng hoạt/ ngoài vùng hoạt)
(Pu phân hạch %)

Vùng hoạt ban đầu

15/20

Vùng hoạt tƣơng đƣơng

16/21

Dự trữ nhiên liệu
Vùng hoạt (kim loại U+Pu)

5,9 tấn

Phần bao ngoài (kim loại U)

17,5 tấn
Trang 4


Luận văn Thạc sỹ

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Độ sâu cháy trung bình

80000 MWD/T

Vật liệu vỏ thanh nhiên liệu

SUS316

Đƣờng kính ngoài vỏ / chiều

6.5/0.47 mm

dày
Chiều dày phần bao ngoài
Trên/ dƣới/ bán kính

30/35/30 cm

Tỷ số tái sinh

1,2
Thùng lị phản ứng

Cao/đƣờng kính

18/7 m
Hệ thống làm mát sơ cấp

Khối lƣợng natri trong vòng

760 tấn

sơ cấp
Nhiệt độ đầu vào/ đầu ra của

397/529 °C

lò phản ứng
5.1 ×106 kg/h/vịng

Lƣu lƣợng dịng chảy sơ cấp
Vận tốc dịng chảy sơ cấp

6 m/s (đầu vào), 4m/s (đầu ra)
Hệ thống làm mát thứ cấp

Khối lƣợng natri lỏng

760 tấn

Nhiệt đầu vào/ đầu ra hệ

325/505 °C

thống trao đổi nhiệt thứ cấp
3.7 ×106 kg/h/vòng

Lƣu lƣợng chất tải nhiệt vòng
thứ cấp
Vận tốc dòng chảy thứ cấp

Khoảng 5 m/s
Hệ thống nƣớc – hơi
113.7 ×104 kg/h

Lƣu lƣợng nƣớc cấp
Nhiệt độ hơi đầu vào tua bin

483 °C

Áp suất hơi đầu vào tua bin

12.7 MPa

Lò phản ứng Monju lần đầu phát điện vào tháng 8 năm 1995 và đƣợc nâng
cơng suất nên từ từ cho một chƣơng trình kiểm tra đƣợc thực hiện và sẽ đạt công
Trang 5


Luận văn Thạc sỹ

Đại học Bách Khoa Hà Nội

suất định mức vào tháng 6 năm 1996. Trong q trình đó thì tai nạn xảy ra khi một
ống chứa cảm biến nhiệt độ vòng thứ cấp bị gãy dẫn đến rò rỉ natri lỏng vào ngày 8
tháng 12 năm 1995, (trang 43- 48 [1]).
1.1.1. Diễn biến tai nạn
Sau một thử nghiệm dập lò phản ứng, Monju đƣợc khởi động lại vào ngày 6
tháng 12 năm 1995. Vào ngày 08/12, công suất đã đang đƣợc nâng lên cho thí
nghiệm tiếp theo, một phần của thí nghiệm ở cơng suất điện 40%. Cơng suất nhiệt
đã đạt tới 43% thì có âm thanh cảnh báo vào lúc 19:47 do nhiệt đô của natri lỏng tại
lối ra của IHX trong vòng thứ cấp C. Một tín hiệu báo cháy (cảm biến khói) đƣợc
phát ra trong cùng thời điểm. Một tín hiệu rị rỉ natri lỏng cũng đƣợc phát ra ngay
sau đó. Tình trạng tai nạn của nhà máy đƣợc mơ tả ở hình 1.2. Sự xuất hiện của
khói đƣợc xác nhận khi cánh cửa của phòng chứa các ống đƣợc mở. Tổ vận hành
nhà máy quyết định bắt đầu q trình dập lị bình thƣờng do họ đánh giá là có một
lƣợng nhỏ natri lỏng đã bị rị rỉ. Cơng suất vận hành nhà máy giảm xuống bắt đầu
lúc 20:00h.
Trạng thái bên trong phòng chứa ống (C) đƣợc kiểm tra một lần nữa cho thấy
rằng lƣợng khói trắng tăng lên. Theo đó, lị phản ứng đƣợc dập tắt bằng tay lúc

21:20. Sau khi dập lò, lò phản ứng đƣợc làm mát bằng hệ thống làm mát phụ trợ
(ACS) và đƣợc duy trì trong trạng thái nhiệt độ thấp. Để giảm thiểu rò rỉ, natri trong
vòng thứ cấp (nhánh C) đã đƣợc tháo ra vào lúc 22:55 và q trình tháo ra hồn tất
vào 00:15 ngày hơm sau.
Rị rỉ natri lỏng xảy ra tại vịng thứ cấp nên khơng giải phóng các vật liệu
phóng xạ ra ngồi mơi trƣờng do đó khơng có những tác động đến con ngƣời và
môi trƣờng xung quanh.
Một cuộc thanh tra đã đƣợc tiến hành vào ngày 9/12 xác nhận sự tồn tại của
vật liệu rắn với rò rỉ natri xung quanh vị trí gần một cảm biến nhiệt độ tại gần đầu ra
của bình trao đổi nhiệt trung gian. Trạng thái của phòng chứa ống sau khi rò rỉ natri
đƣợc thể hiện trong hình 1.2. Khoảng 1 m3 natri oxit trên sàn thép dày 6 mm tạo

Trang 6


Luận văn Thạc sỹ

Đại học Bách Khoa Hà Nội

thành dạng nửa hình trịn với đƣờng kính 3m và dày 30 cm. Dạng sol khí của natri
nhẹ hơn khuếch tán và tích tụ lại trên sàn nhà cũng nhƣ tƣờng của căn phịng.
Cảm biến nhiệt độ và ơng chứa nơi xảy ra rò rỉ đƣợc kiểm tra cẩn thận điều
tra nguyên nhân. Vào ngày 7, 8 tháng 1, chụp X – quang đƣợc tiến hành ở khu vực
xung quanh cảm biến để ƣớc tính lƣợng natri dính xung quanh cảm biến nhiệt độ và
đánh giá tình trạng của kết cấu. Cảm biến nhiệt độ đƣợc tìm thấy trong tình trạng bị
bẻ cong 45 độ theo hƣớng dòng chảy. Ống bảo vệ phía ngồi bị điền đầy bởi hợp
chất của natri. Vào ngày 9 tháng 1, cảm biến nhiệt độ đƣợc cắt ra ngồi để thực hiện
những khảo sát chi tiết. [1]

Hình 1.2: Vị trí xảy ra tai nạn (trang 160, [8 ])

Trang 7


Luận văn Thạc sỹ

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.3: Vị trí xảy ra tai nạn nhìn từ trên cao (trang 162 [8])
1.1.2. Khảo sát nguyên nhân
Một lực lƣợng đặc nhiệm đƣợc thành lập để chỉ đạo cho việc điều tra sự việc.
Lực lƣợng này đƣợc tổ chức bởi Cơ quan Khoa học công nghệ (STA) và các thành
viên bao gồm các chuyên gia về An toàn hạt nhân. Sau quá trình khảo sát xác định
đƣợc nguyên nhân gây ra nứt gãy bề là do hiện tƣợng mỏi sau nhiều chu kỳ (high
cycle fatigue) với vết nứt ban đầu, một quá trình lan truyền rất chậm cuối cung dẫn
đến gãy ống chứa đầu đo nhiệt độ nhƣ hình 1.4. Các phân tích rung động gây ra bởi
dịng chảy đƣợc tiến hành, các khảo sát khẳng định rằng nguyên nhân gây ra nứt vỡ
của ống chứa cảm biến nhiệt độ là do mỏi sau nhiều chu kỳ do hiện tƣợng dòng
chảy gây ra rung động (VIV). Theo phân tích vết nứt do mỏi dựa trên lịch sử tốc độ
dòng chảy, vết nứt đƣợc hình thành ban đầu với 100% cơng suất dịng chảy, sau đó
vết nứt phát triển từ từ và cuối cùng bị hỏng khi dòng chảy vận hành ở 40% suất.

Trang 8


Luận văn Thạc sỹ

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.4: Hình học của cảm biến nhiệt độ vịng thứ cấp (trang 47, [1])

Hình 1.5: Đường rị rỉ của natri lỏng (trang 48, [1])

Trang 9


Luận văn Thạc sỹ

1.2.

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Giới thiệu về bài toán tƣơng tác chất lƣu – kết cấu (FSI)
Bài toán FSI là một lĩnh vực đầy thách thức trong lĩnh vực phân tích kỹ thuật

địi hỏi cả phƣơng pháp tính tốn lẫn khả năng của máy tính. Bài tốn rung động
gây ra bởi dịng chảy (VIV) là một trong những bài tốn thuộc lớp FSI. Để phân
tích bài tốn cần có sự hiểu biết về cả trƣờng kết cấu và trƣờng lƣu chất cũng nhƣ
hiện tƣợng VIV. Trong chƣơng này sẽ trình bày lý thuyết chung của FSI thông qua
lý thuyết kết cấu và lƣu chất.
1.2.1. Hệ thống kết nối (System Coupling)
Trong một hệ thống kết nối, có hai hoặc nhiều hơn trƣờng vật lý tƣơng tác
với nhau. Một ví dụ của hệ thống kết nối là FSI, trong đó cả trƣờng chất lƣu và
trƣờng kết cấu tƣơng tác với nhau. Kết cấu có thể chuyển động/biến dạng và dịng
chảy có thể là bên ngồi/bên trong. Lực do chất lƣu chuyển động đƣợc đặt lên kết
cấu dƣới dạng áp suất, gây ra biến dạng kết cấu và sự biến dạng của kết cấu sẽ dẫn
đến thay đổi dòng chảy. Bài tốn FSI có thể chia thành 2 nhóm, tƣơng tác FSI một
chiều và tƣơng tác FSI hai chiều. Nếu khơng có phản hồi từ trƣờng kết cấu đến
trƣờng lƣu chất thì ta gọi đó là bài tốn FSI một chiều. Nếu có sự phản hồi giữa các
trƣờng với nhau thì ta gọi đó là bài tốn FSI hai chiều. (trang 4, [5])

\
Hình 1.6: Minh họa về tương tác FSI
Trang 10


Luận văn Thạc sỹ

Đại học Bách Khoa Hà Nội

1.2.2. Tƣơng tác FSI một chiều
Tƣơng tác FSI một chiều là tính tốn ảnh hƣởng của dịng chảy lên kết cấu,
đƣợc áp dụng khi chuyển động và biến dạng của kết cấu là nhỏ và khơng ảnh hƣởng
lớn tới chất lƣu. Ví dụ khi một chất lỏng gia nhiệt hoặc làm mát một cấu trúc cứng
đƣợc ràng buộc, sẽ sinh ra tải nhiệt độ hoặc biến dạng trong cấu trúc. Biến dạng của
cấu trúc rất nhỏ để có thể ảnh hƣởng đến dịng chảy.
Quy trình phỏng chung của bài tốn FSI một chiều tính tốn biến dạng dịng
chảy bắt đầu với mơ phỏng CFD để tính tốn áp suất tác động lên kết cấu. Bƣớc tiếp
theo là chạy mô phỏng kết cấu với áp suất đƣợc tính tốn và tính ra chuyển vị cũng
nhƣ ứng suất của kết cấu. (trang 4, [5])
1.2.3. Tƣơng tác FSI hai chiều
FSI hai chiều đƣợc sử dụng khi tƣơng tác giữa chất lƣu và kết cấu là đáng kể.
Ví dụ khi chuyển vị của kết cấu đủ lớn và hình dạng mới của kết cấu có thể tác
động tới trƣờng lƣu chất và sau đó thay đổi tải trọng tác động lên kết cấu. Đối với
bài toán dịng xốy sinh ra dao động (VIV, mục 1.3.5), FSI hai chiều là phù hợp để
mơ tả lại q trình trên. Tƣơng tác FSI hai chiều là một quá trình chuyển tiếp và các
thông tin về áp suất, lực tác động và chuyển vị liên tục đƣợc truyền giữa các miền
tính tốn.
Khơng phụ thuộc vào phƣơng pháp giải, hai điều kiện chung sau phải đƣợc
đảm bảo. Chuyển vị tại mặt phân các phải liên tục ( truyền chuyển động), công thức

1.1 và sự cân bằng lực kéo (truyền moment) công thức 1.2 cần đƣợc thỏa mãn tại
biên giữa chất lỏng và kết cấu. (trang 4, [5])

1.3.

df = ds

(1.1)

Pf =Ps

(1.2)

Lý thuyết về động lực học dòng chảy
Tất cả các dòng chảy và các hiện tƣợng vận chuyển đều đƣợc mô tả là các

phƣơng trình cơ bản là các phƣơng trình bảo tồn khối lƣợng, moment và năng
lƣợng. Các phƣơng trình cơ bản này đƣợc giải theo mơ hình chất lỏng đƣợc thiết lập
theo phƣơng trình vi phân từng phần gọi là các phƣơng trình điều khiển của chất
Trang 11


Luận văn Thạc sỹ

Đại học Bách Khoa Hà Nội

lỏng. Trong các phần sau sẽ mô tả nền tảng lý thuyết của CFD và cách sử dụng
CFD trong bài toán này.
1.3.1. Bảo toàn khối lƣợng và bảo toàn động lƣợng
Định luật bảo toàn khối lƣợng chỉ ra rằng tốc độ tăng khối lƣợng của một

chất lƣu trong một phần tử bằng với tốc độ của khối lƣợng đi vào phần tử đó. Áp
dụng định luật này và mơ hình chất lƣu ta có phƣơng trình liên tục. Phƣơng trình
liên tục cho một chất lƣu có chịu nén đƣợc viết nhƣ sau:
(

)

(1.3)

là khối lƣợng riêng và u là vận tốc của dòng chảy. Thành phần thứ

Với

nhất của công thức là tốc độ thay đổi khối lƣợng riêng theo thời gian và thành phần
tiếp theo là lƣu lƣợng khối lƣợng đi ra khỏi biên phần tử.
Định luật 2 Newton và phƣơng trình bảo toàn moment
Định luật 2 Newton chỉ ra rằng tốc độ thay đổi moment của các hạt chất lỏng
bằng với tổng lực tác động lên nó. Các lực tác động lên một vật thể bao gồm lực bề
mặt và lực khối. Khi áp dụng cho lƣu chất Newton ( ứng suất nhớt tỷ lệ với tốc độ
biến dạng) kết quả ra là phƣơng trình Navier Stokes. Cơng thức này dƣới dạng
phƣơng trình bảo tồn.
(

)

(

)

(

)

(1.4 a)

(

)

(

)

(

)

(1.4 b)

(

)

(

Trong đó

)

(

)

(1.4 c)

là mật độ, u là vector vận tốc, u, v, w là các thành phần vận tốc

theo hệ trục tọa đồ đề các,

là độ nhớt động học và SM thể hiện cho thành phần

nguồn moment. Vì các vấn đề này khơng liên quan vấn đề truyền nhiệt nên phƣơng
trình năng lƣợng đƣợc bỏ qua. (trang 7, [5])

Trang 12


Luận văn Thạc sỹ

Đại học Bách Khoa Hà Nội

1.3.2. Dòng chảy đi qua ống trụ tròn
Dòng chảy tác động lên ống chứa cảm biến nhiệt độ đƣợc mô tả dạng trụ
trịn, đặc tính của dịng chảy đƣợc xác định thơng qua số Reynolds, đƣợc định nghĩa
nhƣ sau:
Re =

(1.5)

Với U là vận tốc dịng chảy tự do, D là đƣờng kính hình trụ, và

là độ nhớt

động học.
1.3.3. Lớp biên
Một trong những khía cạnh quan trọng trong việc dự đốn lực tác động lên
ống chứa cảm biến nhiệt độ liên quan đến mơ hình vật lý của lớp biên. Trong lớp
biên, năng lƣợng tiêu hao do cản nhớt và phần còn lại của dịng chảy khơng đủ động
năng sẽ bị tách ra tại một điểm.Việc dự đốn chính xác điểm phân tách vốn phụ
thuộc vào cả độ nhám bề mặt và số Reynolds là một bài tốn khó. Điểm phân tách
xảy ra khi độ chênh áp suất ngƣợc trở nên tới hạn.

Hình 1.7: Biên dạng vận tốc của dòng chảy đi qua mặt cong
Hiện tƣợng tách xảy ra khi
( )

(1.6)

1.3.4. Mơ hình rối
Hiện tƣợng dịng rối là một hiện tƣợng vơ cùng phức tạp trong bài toán CFD.
Trong phần này sẽ giới thiệu hai mơ hình rối cơ bản đƣợc áp dụng rộng rãi trong
cơng nghiệp.
-

Mơ hình rối k –
Trang 13