Занимательная гидродинамика

Компьютерное моделирование упрощает жизнь инженерам и сокращает объем дорогостоящих экспериментов. В том, как работает один из таких методов, CFD, «СР» помог разобраться инженер-конструктор первой категории из «Гидропресса» Василий Волков.
Что такое CFD?
Сomputational Fluid Dynamics (вычислительная гидродинамика) — это расчетный метод, позволяющий моделировать и изучать потоки жидкостей и газов. В расчетах учитываются такие параметры, как передача тепла или массы, фазовые изменения веществ, химические реакции, механическое движение, напряжение и деформация твердых материалов под воздействием среды. В общих чертах CFD — смесь теоретических и практических знаний, программирования, физики и математики.
Вычислительную гидродинамику начали использовать в конце 1970-х годов в аэрокосмической промышленности — для расчета параметров камер сгорания ракетных двигателей, физико-химических процессов при обтекании головных частей боеголовок и сверхзвуковых самолетов. В атомную отрасль технология пришла в начале XXI века. С помощью CFD моделируют процессы в реакторных установках, в перспективе с ними можно будет обосновывать работоспособность элементов конструкции и безопасность.
Есть и другие методы расчета движения жидкости и газов, но они не так распространены.
В чем преимущества?
С 1960-х в атомной отрасли для расчета характеристик оборудования АЭС использовали системные коды (модели работы сложной системы) на основе методов сосредоточенных параметров и модели пористого тела. Эти коды демонстрируют поведение среды в конкретной конструкции — и только в ней. Кроме того, для системных кодов требуется множество экспериментальных данных.
CFD-коды позволяют заменить реальные эксперименты математическими расчетами, благодаря чему сроки и стоимость проектирования существенно сокращаются, а качество проработки повышается. CFD-коды универсальны: их описание физики процесса и поведения среды можно применять для проектирования разного оборудования. Например, одним кодом можно рассчитать поведение среды и в насосах, и в реакторах, и в парогенераторах — даже аэродинамику автомобиля или самолета.
CFD-расчеты расширяют знания о теплофизических процессах в оборудовании, повышают надежность и безопасность реакторной установки, упрощают обоснование продления срока эксплуатации блоков АЭС.
CFD-моделирование легко освоит любой инженер или нужно учиться?
CFD еще иронично расшифровывают как Сolors for Directors — «раскрашенные» результаты расчетов производят гипнотический эффект на руководителей. Красивая картинка создает у некоторых ложное ощущение простоты. Но CFD-код — это лишь инструмент расчета, саму задачу решает человек. Многое зависит от квалификации инженера-расчетчика и правильной постановки задачи — физические условия, начальные и граничные условия дифференциальных уравнений — для формирования геометрии модели. Инженер, работающий с CFD-кодом, должен знать основные математические и численные методы, разбираться в моделируемых физических процессах, уметь читать чертежи, владеть навыками программирования.
И у нас, и за рубежом дефицит высококлассных специалистов по CFD-направлению. Во многих странах создаются сообщества для обмена опытом, а международных площадок катастрофически мало. В «Гидропрессе», кстати, есть центр компетенции по CFD-технологиям.
Кто создает программное обеспечение для CFD?
Мировые лидеры — американские Cd-adapco (коды Star-CCM+ и Star-CD) и ANSYS (коды CFX и Fluent). Из российских стоит выделить РФЯЦ-ВНИИЭФ («Логос») и «Тесис» (FlowVision). У каждого кода своя специфика. «Гидропресс», ОКБМ и Westinghouse, например, используют наиболее подходящий для атомной отрасли Star-CCM+, сочетающий быстрые вычислительные алгоритмы, высокую точность решений, разнообразие физических моделей, удобство интерфейса и большие возможности обработки результатов.
CFD-моделирование — это дорого?
Это ресурсоемкая технология. Чтобы моделировать течение теплоносителя в реакторной установке, нужен целый вычислительный кластер. Кластер «Гидропресса» состоит из 2 тыс. ядер. Для сравнения: в кластере Westinghouse примерно 300 тыс. Расчет одного варианта задачи для реактора ВВЭР-1000 занимает до недели, на обработку и анализ результатов уходит столько же. Основная статья операционных расходов — электроэнергия. Но энергоэффективность технологий повышается.
От чего зависит точность вычислений?
Ювелирная работа — настройка точности расчетов. Ее можно сравнить с калибровкой измерительных приборов — CFD-модель тоже нужно тарировать. Сначала СFD-модель нужно верифицировать. Для определения погрешности моделирования проводятся тестовые расчеты. Самый достоверный способ проверить — провести эксперимент и на основе полученных значений рассчитать CFDмодель и сравнить реперные точки. Так мы верифицируем расчеты и получаем возможность рассчитывать параметры (давление, температуру, скорость и расход теплоносителя) в любой точке конструкции, в том числе той, куда нельзя установить датчики во время реального эксперимента.
Чтобы оценить точность CFD-кодов, проводят международные бенчмаркинги — эталонное тестирование. Обычно в них участвуют около 40 организаций. Им отправляют данные эксперимента, чтобы просчитать его с помощью CFD-кодов. Побеждает та команда, чьи результаты ближе всех к эталонным. Команда «Гидропресса» принимала участие в нескольких бенчмаркингах, организованных Агентством по ядерной энергии ОЭСР и МАГАТЭ, и очень преуспела. Так, при расчете течения теплоносителя в ТВС в обобщенном рейтинге специалисты «Гидропресса» заняли второе место, а в бенчмаркинге по водородной безопасности — первое.
Какие перспективы у CFD?
CFD-моделирование незаменимо при расчете абсолютно новых проектов, когда большая часть конструкторских решений неизвестна, нет референтности, экспериментальных данных. Например, при расчетах для реакторов малой мощности.
В CFD-кодах уже можно использовать современные вычислительные алгоритмы, например искусственные нейронные сети. Новый тренд: МАГАТЭ позволяет применять CFD-расчеты для обоснования безопасности реакторной установки при условии проведения анализа неопределенности.
Один из актуальных вопросов: как увязать в модели одномерный код, системный, и трехмерный, CFD? Допустим, в местах соединения труб потоки смешиваются — это трехмерный процесс, в другой части течение одномерное, по прямой,— зачем микроскоп там, где можно обойтись очками?

ДОСЬЕ

Василий Волков входит в число штучных специалистов по CFD. Он следит за развитием направления, ездит на международные конференции по теплогидравлике в атомной отрасли и представляет Россию на международных соревнованиях по CFD-моделированию.
Учился в физико-математическом классе тульского лицея № 2. В 2006 году поступил в два института — Тульский политех и МГТУ. Выбрал «Бауманку», кафедру ядерных реакторов и установок. Еще студентом устроился техником в конструкторский отдел НИКИЭТ. «Там я понял, что работа конструктора не мое призвание — мне ближе расчеты и моделирование»,— говорит Василий Волков. Когда писал диплом, увидел на кафедре объявление о наборе группы для обучения трехмерному моделированию STAR-CD и записался.
После вуза работал во ВНИИАЭС — занимался CFD-расчетами, в 2013 году перешел в «Гидропресс». В 2015 году защитил кандидатскую диссертацию на тему «Разработка метода расчета сложных разветвленных пневматических систем».