Теплообмін і гідродинаміка потоків у вертикальних каналах з фазовим переходом в умовах впливу збурюючих факторів
Вивчення нестаціонарних процесів гідродинаміки й теплообміну в каналах, що імітують елементи активної зони ядерного реактора та теплоенергетичного обладнання. Побудова математичної методики для розрахунку турбулентного потоку у вертикальному каналі.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 13.08.2015 |
| Размер файла | 798,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ
УДК 621.039.5: 536.24
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
ТЕПЛООБМІН І ГІДРОДИНАМІКА ПОТОКІВ У ВЕРТИКАЛЬНИХ КАНАЛАХ З ФАЗОВИМ ПЕРЕХОДОМ В УМОВАХ ВПЛИВУ ЗБУРЮЮЧИХ ФАКТОРІВ
05.14.06. ? технічна теплофізика та промислова теплоенергетика
СКІЦЬКО ОЛЕКСІЙ ІВАНОВИЧ
Київ 2011
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України, м. Київ.
Науковий керівник:доктор технічних наук, член-кореспондент НАН України, Авраменко Андрій Олександрович, Інститут технічної теплофізики НАН України, завідувач відділом.
Офіційні опоненти:доктор технічних наук, Шараєвський Ігор Георгійович Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України, провідний науковий співробітник.
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, Кобзар Сергій Григорович Інститут технічної теплофізики НАН України, провідний науковий співробітник.
Захист відбудеться «__» ________ 2011 р. о __ годині на засіданні спеціалізованої ради Д 26.224.01 в Інституті технічної теплофізики НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Желябова, 2а.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Желябова, 2а.
Автореферат розісланий «__» __________ 2011 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01
кандидат технічних наукО.І. Чайка
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Забезпечення безпечної експлуатації АЕС є однією з найважливіших проблем сучасної енергетики. Виникнення аварійної ситуацію та можливі її наслідки значною мірою визначаються закономірностями нестаціонарних теплогідравлічних процесів, що протікають в елементах теплоенергетичного устаткування. Звідси випливає, що необхідно достовірне передбачення змін основних параметрів в елементах теплоенергетичного обладнання. Вирішення цього завдання вимагає опису кількісних характеристик нестаціонарних теплогідравлічних процесів в елементах теплоенергетичного устаткування. У зв'язку з відсутністю повного емпіричного базису, єдино можливим засобом аналізу нестаціонарних теплогідравлічних процесів двофазних потоків в активній зоні реактору є розрахунковий аналіз.
Отже, актуальною науковою проблемою є створення адекватних математичних моделей теплообміну та гідродинаміки нестаціонарних теплогідравлічних процесів двофазних потоків в каналах, які дозволять вивчати данні процеси.
Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи пов'язана з дослідженнями, які проведені і проводяться відповідно до таких держбюджетних тем: «Дослідження теплогідравлічних процесів і удосконалення математичних моделей розрахунку кризи теплообміну в активній зоні ядерних реакторів в аварійних режимах та відновлення багатоцільових теплогідравлічних стендів для дослідження цих процесів» (номер державної реєстрації № 0106U004627), «Дослідження нестаціонарних процесів теплообміну одно- та двофазових середовищ в елементах теплообмінного обладнання АЕС та в технологіях енергетичного машинобудування» (№ 0109U001782), «Модернізація експериментального стенду для дослідження перехідних та аварійних режимів у циркуляційних контурах АЕС» (№ 0107U005476) та господарських договорів з НТЦ «ХФТІ» (№ 0107U005475, № 0109U006487).
Мета роботи полягає в чисельно-аналітичному дослідженні теплообміну і гідродинаміки в вертикальних каналах активної зони ядерного реактору та теплоенергетичного устаткування і встановлення закономірностей двофазної течії теплоносія в умовах дії збурюючих факторів.
Завдання досліджень, виконання яких зумовило досягнення поставленої мети:
? вдосконалення моделей теплообміну і гідродинаміки для двофазної течії з урахуванням фазового переходу;
? верифікація модифікованих моделей за експериментальними даними;
? чисельне дослідження нестаціонарної кризи теплообміну другого роду в вертикальних каналах теплоенергетичного устаткування;
? чисельне дослідження теплофізичних процесів в умовах нерівномірного обігріву, швидкого зростання теплової потужності і аварійного падіння витрати теплоносія;
? чисельне дослідження нестійкості двофазного потоку в одиночному вертикальному каналі;
? чисельно-аналітичне дослідження нестійкості потоків при змішаній конвекції і при обернено - фазовому дисперсно - кільцевому режимі течії.
Об'єкт дослідження - вертикальні канали теплоенергетичного устаткування.
Предмет дослідження - нестаціонарні процеси гідродинаміки і теплообміну турбулентного потоку теплоносія та його нестійкості, що мають місце в вертикальних каналах теплоенергетичного устаткування.
Методи дослідження. Для вирішення вказаних задач використовувалось математичне моделювання на основі чисельних методів інтегрування вихідних рівнянь (метод контрольного об'єму) та порівняння результатів чисельного дослідження з експериментальними даними власних експериментів та запозичених із літератури.
Наукова новизна отриманих результатів:
1. Вдосконалено одномірну нестаціонарну модель двофазного закипаючого потоку в частині замикаючих рівнянь, що описують тепломасопереніс в дисперсно-кільцевому режимі течії теплоносія.
2. Вперше на основі ренормгрупового підходу з урахуванням фазового переходу і нестаціонарності теплофізичних процесів модифіковано просторову математичну модель теплообміну і гідродинаміки двофазного потоку.
3. Встановлено, що нестаціонарна криза теплообміну другого роду може виникнути не тільки в результаті зникнення тонкої пристінної плівки рідини, але - і в результаті руйнування достатньо товстої плівки.
4. Вперше показано, що при нестаціонарних режимах з різким збільшенням потужності можливе виникнення кризи теплообміну першого роду.
5. Вперше знайдено, що критерії гідродинамічної нестійкості не монотонно залежать від витратних характеристик потоку. Визначено області теплогідродинамічної нестійкості двофазного потоку в одиночному каналі в залежності від зміни параметрів потоку.
Достовірність отриманих в роботі результатів забезпечена коректним використанням сучасних методів фізичного і математичного моделювання, адекватністю фізичних припущень у постановці задач й задовільним узгодженням отриманих розрахункових даних із експериментальними даними.
Практичне значення отриманих результатів. Практичне значення роботи полягає в тому, що запропоновані в роботі математичні моделі, що враховують нестаціонарність, дозволяють моделювати теплофізичні процеси в реальних елементах активних зон теплоенергетичного устаткування, зокрема АЕС.
Результати, отримані на основі дослідження нестаціонарних процесів, що виникають при падінні витрат теплоносія, дозволяють визначити час, необхідний для спрацювання системи аварійного захисту до настання пошкодження конструкційних матеріалів та тепловиділяючих елементів.
Результати, отримані завдяки дослідженню нестаціонарного режиму, що пов'язаний з різким збільшенням тепловиділення на поверхні тепловиділяючого елементу, дозволяють визначити час виходу теплогідравлічних параметрів на новий стаціонарний рівень.
Впровадження. В НТЦ «Харківський фізико-технічний інститут» за результатами чисельних розрахунків на основі модифікованої математичної моделі на експериментальному стенді проведено дослідження структури двофазного потоку та розроблено рекомендації щодо використання методу розрахунку кризи теплообміну в каналах активної зони реакторів ВВЕР-1000 при аварійних режимах. Результати використовувались при обґрунтуванні безпеки і продовженні строку експлуатації енергоблоків реакторів ВВЕР.
В ВП НТЦ «Енергоатом» результати дисертаційної роботи використані при обґрунтуванні безпеки і продовженні строку експлуатації енергоблоку №1 Південно-Української АЕС.
Науково-виробничою фірмою «Інформація та технології», використовуючи запропоновану методику, проведено серію чисельних розрахунків значень рівня теплоносія при різних умовах штатної роботи реактора ВВЕР-1000, які були використані при випробуванні датчиків індикації рівня теплоносія.
Результати використання матеріалів дисертаційної роботи підтверджені отриманими трьома актами використання.
Особистий внесок. Вдосконалено та модифіковано ренормгрупову математичну модель турбулентності. На її основі проведено чисельні дослідження гідродинамічних і теплофізичних характеристик потоку теплоносія в вертикальних каналах, які моделюють елементи активної зони ядерного реактору та теплоенергетичного устаткування в стаціонарних і нестаціонарних умовах протікання теплофізичних процесів.
Апробація результатів. Основні результати роботи доповідалися на V Міжнародній конференції «Проблеми промислової теплоенергетики» (Київ, 2007), на VI Міжнародній конференції «Комунальна й промислова теплоенергетика» (Київ, 2009), на VII Міжнародній конференції «Проблеми промислової теплоенергетики» (Київ, 2011), та на спільних семінарах у відділах тепло масообміну та гідродинаміки в елементах теплоенергетичного устаткування (ТГЕТУ) та теплофізичних основ енергозберігаючих технологій (ТОЕТ ) (ІТТФ НАН України).
Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи відображено в 11 публікаціях в журналах, що входять до переліку фахових видань, які затверджені ВАК України, а також в 2 статтях розміщених в збірниках тез наукових конференцій.
Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел. Повний обсяг дисертації становить 160 сторінок, 60 рисунків, 8 таблиць і 117 бібліографічних посилань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі стисло обґрунтовано стан наукової проблеми, актуальність і важливість дисертаційної роботи; сформульовано мету роботи та конкретні задачі досліджень для її досягнення; наведено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів.
У першому розділі виконано огляд сучасного стану особливостей забезпечення безпечної експлуатації АЕС. Розглянуто особливості існуючих одно-, дво- і тривимірних математичних моделей гідродинамічних і теплових процесів гідродинаміки і теплообміну двофазного потоку. Наведено сучасні підходи для визначення кризи теплообміну: емпіричні залежності і скелетні таблиці (СТ), що використовуються для обгрунтування безпеки АЕС. Проаналізовано механізм виникнення нестійкості в двофазному потоці. Проведено аналіз нестійкості двофазного потоку в циклах з природною і примусовою циркуляцією теплоносія.
В результаті аналізу літературних джерел зроблено висновки з літературного огляду і сформульовано мету роботи та задачі досліджень.
У другому розділі роботи були розглянуті одновимірна та тривимірна математичні нестаціонарні моделі. Одновимірна нестаціонарна математична модель базується на негомогенному нерівноважному описі двофазного потоку. Основна система рівнянь математичної моделі містить осереднені по простору і в часі рівняння збереження кількості руху, маси і енергії нерівноважного двофазного потоку з ковзанням і рівним тиском фаз записаних у вигляді
(1)
Представлена одновимірна модель не дозволяє адекватно описати двофазні течії. Тому в даній роботі були також використані більш повні дво- і тривимірна моделі. Модель включає рівняння руху (Нав'є-Стокса), збереження маси, переносу теплоти (Фур'є-Кіркгофа) для кожної фази. Так як розглядається турбулентний рух середовища, перераховані рівняння повинні бути замкнуті моделлю турбулентності. В якості такої моделі в роботі запропоновано RNG k- модель, для якої були модифіковані рівняння переносу кінетичної енергії турбулентності k і рівняння для швидкості дисипації Оскільки турбулентність формується тільки за рахунок динамічних взаємодій, то виникають проблеми опису турбулентності на основі аналізу статистичних розв'язків рівнянь гідродинаміки. Зазначені труднощі вирішуються за допомогою методу ренормалізаційної групи. За допомогою нього визначається усереднений вплив дрібномасштабних (високочастотних) мод на великомасштабні (низькочастотні), за допомогою ітераційного усереднення по вузькій смузі спектра хвильових чисел дрібномасштабних мод. Усереднений вплив зводиться до перенормування параметрів, що характеризують систему. При дослідженні турбулентності такими параметрами є ефективна в'язкість й амплітуда ефективних випадкових сил. Застосування ренормгрупового підходу дало можливість повністю позбутися від застосування в моделі будь-яких емпіричних констант. У загальному вигляді система має наступний вигляд:
(2)
,(3)
(4)
(5)
(6)
Замикається вказана система виразів рівнянням для турбулентної в'язкості
(7)
де - ренормгрупове значення константи Колмогорова.
і виразом для турбулентного числа Прандтля
(8)
а також виразами, що враховують міжфазний обмін
, , ,
,
,
,
,
,
,
,
,
, ,(9)
- число Вебера,,,,
,
С1 = 1,42 и С2 =1,68,
Для чисельної реалізації приведеної математичної моделі був вибраний метод контрольного об'єму.
У третьому розділі проведено дослідження гідродинаміки та теплообміну двофазних потоків в каналі при різних режимах. В рамках одновимірної моделі були досліджені різноманітні залежності, що визначають критичну щільність теплового потоку.
За допомогою цієї моделі розраховувався час до настання кризи теплообміну другого роду tкр - час від початку падіння витрати теплоносія до моменту настання кризи. Розглянуті результати показали, що кращий збіг з експериментом за часом до виникнення кризи теплообміну в режимах з падінням витрат теплоносія у вертикальній парогенеруючій трубі дає залежність
.(10)
В результаті розрахунків по одновимірній моделі отримано час до виникнення кризи теплообміну в режимі падіння витрат теплоносія tкр(q), як по досягненню щільності теплового потоку критичного значення, так і tкр(), визначеного по граничному значенню товщини плівки рідини , що дорівнює 0,08 мм (рис.1).
Рис. 1. Товщина плівки рідини на виході
гідродинаміка турбулентний ядерний реактор
На основі багатовимірної моделі визначались просторові зміни параметрів двофазного потоку. З метою апробації даної моделі були проведені розрахунки для параметрів, що досліджувались експериментально.
У випадку, коли на виході із каналу відносна ентальпія теплоносія від'ємна (лінія 1 рис.2), поперечний профіль дійсного об'ємного паровмісту має сідловидну форму з мінімумом в центрі каналу. Вся пара, що генерується, рухається біля стінки труби у вигляді кільцевого шару. При вищому значенні температури на вході 465 K профіль об'ємного паровмісту на виході (лінія 2 рис. 2) приймає рівномірний характер.
Рис. 2. Розподіл дійсного об'ємного паровмісту в розрізі труби на відстані 0,997м від входу. МПа, кг/(м2·с), МВт/ м2, 1-, 2-
Рис. 3. Розподілення масової швидкості пари у відносних велечинах
На рис. 3 приводиться порівняння експериментальних та розрахункових даних для відносних величин масової швидкості пари. З цього рисунка видно, що профіль розрахованої масової швидкості має сідловидну форму з максимумом в області біля стінки і добре співпадає з експериментальними даними.
Аналіз отриманих розрахункових даних показує (рис. 4), що незалежно від температури води на вході, швидкості, тиску і теплового потоку на стінці у всіх розрахованих випадках профіль паровмісту по довжині труби має подібну форму - плоска ділянка з малим паровмістом, потім коротка ділянка різкого збільшення паровмісту і остання полога ділянка високого паровмісту на якому значення паровмісту асимптотично прямує до постійної величини. На першій ділянці йде прогрів потоку з генерацією малої кількості пари біля стінок каналу (режим початку поверхневого кипіння). На другій ділянці відбувається різке збільшення кількості пари в потоці (режим неврівноваженого бульбашкового кипіння). На третій ділянці перехід до режиму розвиненого бульбашкового кипіння.
Рис. 4. Розподіл дійсного об'ємного паровмісту в середньому перерізі по довжині труби.
Також були розраховані і інші параметри потоку: теплові характеристики (профілі температур), гідродинамічні характеристики потоку (профілі швидкості, кінетична енергія турбулентності, швидкість дисипації енергії, в'язкість).
Розглянуто на основі багатовимірної моделі вплив на теплофізичні процеси в каналах енергетичного устаткування різноманітних збурюючих факторів. До таких факторів відносяться нерівномірне тепловиділення по висоті і в перетині активної зони, скачки потужності, падіння витрат теплоносія. Для кожного із зазначених випадків проведено чисельне моделювання. Областю моделювання був вертикальний канал діаметром 10мм і довжиною 1200 мм.
Значення теплового потоку при моделюванні нерівномірного по висоті каналу теплового навантаження задавалося наступним виразом, який відповідає розподілу по висоті активної зони реактору теплового навантаження з початку паливної кампанії:
(11)
при рівномірному qnom=0,2 МВт/м2. Задавалися наступні параметри на вході: масова швидкість 900 кг/(м2·с), температура теплоносія 465 K. При моделюванні рівномірного і нерівномірного обігріву отримані дані з розподілу теплофізичних параметрів потоку.
Рис. 5. Розподіл дійсного об'ємного паровмісту по перетину труби в трьох перетинах для рівномірного і нерівномірного обігріву: 1 - 0.6 м, 2 - 0.9 м, 3 - 1.15 м
Рис. 6. Профілі температури води в перетинах:
1 - 0.6 м, 2 - 0.9 м, 3 - 1.15 м
На рис. 5 дано порівняння профілів паровмісту для рівномірного і нерівномірного обігріву каналу. З рисунка видно, що на стінках значення паровмісту максимально у всіх перетинах і мінімально в центрі каналу для рівномірного і нерівномірного обігріву.
У перетині 1 на відстані 0,6 м від входу в канал, значення паровмісту при нерівномірному обігріві менше, ніж при рівномірному. Це пов'язано з характером профілю обігріву каналу.
На початку труби тепловий потік невеликий, тому підведеної енергії недостатньо для фазового переходу. Це призводить до великої різниці між профілями пароутворення при рівномірному і нерівномірному обігріві. Далі в нерівномірному режимі тепловий потік на стінці каналу по довжині зростає, що веде до збільшення паровмісту (перетин 2), і на виході профілі пароутворення двох режимів вирівнюються (перетин 3).
На рис. 6 представлені профілі температури води в трьох перетинах так само як і для пароутворення.
У зв'язку з тим, що питомий тепловий потік на початку каналу при нерівномірному обігріві менше, середньо інтегральна температура також має менше значення, ніж при рівномірному обігріві (перетин 1), різниця складає 3 °С. Далі вниз по потоку відбувається вирівнювання температур тому, що в нерівномірному режимі питомий тепловий потік на стінці збільшується (перетин 2 і 3).
В роботі досліджено режим зі швидким збільшенням значення теплового потоку на стінці каналу з рівномірним по висоті тепловиділенням, що моделює неконтрольований стрибок реактивності ядерного реактора. Зміна в часі значення теплового потоку на стінці каналу задавалася виразом, який відповідає стрибку потужності:
(12)
Рис. 7. Зміна в часі дійсного об'ємного паровмісту поблизу стінки каналу і в ядрі при швидкому збільшенні значення теплового потоку на стінці каналу.
На рис. 7 представлено зміну в часі паровмісту поблизу стінки і в ядрі потоку. У початковий момент часу зі збільшенням теплового потоку на стінці каналу спостерігається швидке зростання паровмісту поблизу стінки і незначне в ядрі потоку, що характерно для настання кризи теплообміну першого роду.
Далі поблизу стінки спостерігається незначне зниження паровмісту і одночасно його зростання в ядрі потоку. Це пов'язано з відривом від стінки великого скупчення парових бульбашок і переміщенням їх в ядро потоку. Надалі картина зростання і відриву бульбашок поблизу стінки стабілізується і йде поступове збільшення паровмісту в ядрі потоку, встановлюється режим розвиненого бульбашкового кипіння.
Рис. 8. Графік зміни в часі температури води поблизу стінки при швидкому збільшенні значення теплового потоку на стінці каналу.
На рис. 8 профіль температури на 1 сек., 2 сек. і 4 сек. має увігнуту форму - йде прогрів потоку, і найбільше значення температури спостерігається біля стінки каналу. На 2 сек. температура води досягає максимального значення, близького до температури насичення, далі на 5 сек. відбувається викид пари в ядро потоку, до стінки каналу підходить холодніша вода з ядра потоку і температура води поблизу стінки знижується. Далі встановлюється розвинений режим кипіння з поступовим вирівнюванням значення температури потоку поблизу стінки і в центрі каналу.
Досліджено режим з падінням витрат теплоносія в активній зоні реактора, що відбувається під час аварійних режимах при розриві труб парогенератора, протіканні холодної нитки ГЦТ, повної втрати живлячої води парогенератором. При моделюванні процес падіння витрат теплоносія задавався зменшенням значення швидкості потоку на вході в канал залежністю
,(13)
де початкове значення швидкості на вході.
Рис. 9. Зміна в часі дійсного об'ємного паровмісту по перетину труби при падінні витрат теплоносія на вході в канал. Перетин 0,6 м від входу.
На рис. 9 показано розподіл паровмісту по перетину труби в часі при падінні витрат теплоносія на вході. У початковий момент часу на стінках каналу є мала кількість пару (режим початку кипіння). З часом, у міру падіння витрат теплоносія відбувається інтенсивне пароутворення поблизу стінки і профіль паровмісту на 15 сек. приймає сідловидну форму. Найбільш інтенсивна генерація пари відбувається у стінок каналу. На 65 сек. має місце розвинений бульбашковий режим кипіння, розподіл пари по перерізу каналу близький до рівномірного.
Потім бульбашковий режим переходить в снарядний (75 сек.) - відбувається злиття бульбашок пари в снаряди в ядрі потоку. На 85 сек. профіль пароутворення приймає вид характерний для дисперсно-кільцевого режиму течії.
Рис. 10. Розподіл температури теплоносія в перетині труби на відстані 0,6м від входу
На рис. 10 показано розподіл температури теплоносія по перетину труби в часі. У початковий момент часу температура вище, ніж на вході через обігрів стінок каналу. З часом відбувається інтенсивне збільшення температури. Профіль температури на 15 сек. має майже рівномірний харатер з невеликим збільшенням в області біля стінки. На 65 сек., 75сек. і 85сек., температура потоку зростає в усьому перерізі каналу. При цьому відбувається зміна режимів двофазного потоку: бульбашковий, снарядний, дисперсно-кільцевий.
Четвертий розділ присвячений дослідженню нестійкості потоку теплоносія в каналах активної зони. Розглянуто теплогідравлічну нестійкість в одиночному каналі, що знаходиться в системі стійко працюючих паралельних каналів. На рис. 11 наведена карта стійкості в координатах k - відносна гідравлічна характеристика каналу. Точками зображені результати розрахунку на основі запропонованої моделі. Крім того, на рис. 11 представлена крива стійкості, отримана в роботі Хабенського і Герліги на основі наближеного аналітичного рішення. Як видно з рисунка, нейтральна крива, отримана чисельним способом, якісно узгоджується з аналітичною залежністю, хоча є деякі кількісні відмінності. Обидві криві носять екстремальний характер з максимумом в точці. Отже, найбільш сприятливі умови стійкості відповідають умовам, коли час перебування частинки теплоносія на обігріваємій і тяговій ділянках приблизно однакова
Рис. 11 Границі стійкості потоку
I - стійка область, II - нестійка область
Досліджено нестійкість потоку у вертикальному каналі при змішаній конвекції у дво- і тривимірному наближенні. Розрахунок гідродинамічної нестійкості теплоносія у вертикальному каналі проводився на основі методу лінійних збурень в тривимірній постановці задачі. Згідно цього методу параметри течії представляємо у наступному вигляді:
(14)
Величини збурень приймаються пропорційними двовимірній хвилі:
(15)
Підстановка (14) і (15) в рівняння руху, з наступною лінеаризацією дає безрозмірне рівняння для амплітуд збурень. Після проведення ряду математичних перетворень отримаємо
,(16)
.(17)
Рівняння досліджувались на власні значення при наступних граничних умовах:
(18)
Результати розрахунків критичних значень чисел Рейнольдса як функції чисел Релея і Прандтля представлені в таблиці 1.
Таблиця 1
|
0 |
1 |
1,5 |
2 |
3 |
5 |
||||||||
|
0,1 |
1,02 |
3848 |
0,96 |
9170,6 |
1,06 |
34762,0 |
1,59 |
50176,6 |
2,67 |
42550,0 |
4,49 |
26466,6 |
|
|
1 |
1,02 |
3848 |
0,96 |
9174,0 |
1,06 |
34773,3 |
1,59 |
50188,0 |
2,67 |
42554,0 |
4,49 |
26470,0 |
|
|
10 |
1,02 |
3848 |
0,96 |
9170,6 |
1,06 |
34778,0 |
1,59 |
50190,6 |
2,67 |
42555,3 |
4,49 |
26472,6 |
|
|
100 |
1,02 |
3848 |
0,96 |
9170,6 |
1,06 |
34778,0 |
1,59 |
50191,3 |
2,67 |
42555,3 |
4,49 |
26472,6 |
Рис.12. Залежність критичних значень чисел Рейнольдса із зростанням параметра K.
Як видно залежність Reкр = Reкр (Ra) за умови Pr = idem носить екстремальний характер - із зростанням параметра K значення Reкр спочатку зростає, а після досягнення максимуму, починає спадати (рис. 12). Це обумовлено співвідношенням взаємного впливу факторів вимушеної і вільної конвекції.
З ростом числа Релея максимум профілю швидкості зменшується, і профіль швидкості стає більш заповнений. Це, відповідно до другої теореми Релея про стійкість руху потоку, веде до стабілізації течії, і як наслідок до зростання значення критичного числа Рейнольдса.
Проведено дослідження гідродинамічної стійкості у паровому шарі при оберненому кільцевому режимі. У цьому випадку рідка фаза утворює ядро потоку, а парова - рухається у вигляді плівки біля стінок каналу. Такий режим може виникнути при русі фаз назустріч одна одній, наприклад, при залитті зверху води у вертикальний канал, стінки якого перегріті вище температури насичення. Критерії стійкості визначалися як: .
На основі рішення задачі на власні значення методом коллокацій показано, що критерій нестійкості в залежності Arкр = Arкр (Reb) носить екстремальний характер (з максимумом і мінімумом). При збільшенні швидкості рідини (зростання Reb) значення критичного числа Архімеда спочатку збільшується (до точки Reb7000), потім зменшується (у діапазоні Reb7000 - 12000), після чого монотонно зростає (рис.13). Це зумовлено двома чинниками - зміною форми профілю незбуреної швидкості і зростанням числа Рейнольдса.
Рис. 13. Залежність значення критичного числа Архімеда при збільшенні швидкості рідини (зростання Reb).
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ
1. Вдосконалено одновимірну нестаціонарну математичну модель двофазного закипаючого потоку в частині замикаючих рівнянь, що описують тепломасопереніс в дисперсно-кільцевому режимі течії теплоносія.
2. Модифіковано просторову математичну модель теплообміну і гідродинаміки двофазного потоку, яка отримана на основі ренормгруппового підходу з урахуванням фазового переходу і нестаціонарності теплофізичних процесів.
3. Розраховано час до виникнення кризи теплообміну другого роду у вертикальному парогенеруючому каналі при аварійному режимі з падінням витрат теплоносія. Показано, що при цьому відбувається послідовно перехід від режиму кипіння з недогрівом до режиму розвиненого бульбашкового кипіння, снарядного і дисперсно - кільцевого режимам. Характерні профілі температур, швидкостей і паровмісту двофазного потоку свідчать про безкризову зміну режимів течії. Продемонстровано, що нестаціонарна криза теплообміну другого роду може виникнути не тільки в результаті виснаження тонкої плівки рідини на стінці каналу, але і в результаті руйнування досить товстої плівки.
4. Показано, що при нестаціонарних режимах з різким збільшенням потужності можливе виникнення кризи теплообміну першого роду. Визначено час до виникнення цієї кризи і її тривалість.
5. Встановлено, що при нерівномірному обігріві стінки каналу в середньому перетині каналу помітно вплив характеру обігріву на параметри теплоносія (при нерівномірному обігріві швидкість ковзання на 35% вище, ніж при рівномірному). У вихідному перетині ця відмінність відсутня.
6. Визначено області теплогідродинамічної нестійкості двофазного потоку в одиночному каналі в залежності від зміни параметрів потоку. Показано, що найбільш сприятливі умови стійкості відповідають випадку, коли час перебування теплоносія на обігрівній і тяговій ділянках приблизно однаковий.
7. Досліджено критерії гідродинамічної нестійкості при змішаній конвекції і оберненому кільцевому режимі. Знайдено, що критерії гідродинамічної нестійкості не монотонно залежать від витратних характеристик потоку, що обумовлено заповненістю профілів швидкості незбуреної течії і корелюється з другої теоремою Релея про стійкість потоку.
ПЕРЕЛІК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Азаров С.И. Модуль расчета температуры в корпусе ядерного реактора при различных изменениях тепловыделения в активной зоне / С.И. Азаров, Г.А. Сорокин, Т.В. Сорокина, А.И. Скицко // Промышленная теплотехника. - 2008.- Т. 30, №1,- С. 70-76. (особистий внесок - виконано розрахунок температури в корпусі ядерного реактора при імпульсному впливі)
2. Азаров С.И. Применение метода конечных разностей для расчета температуры в ТВЭЛ ядерного реактора / С.И. Азаров, А.А. Авраменко, Г.А. Сорокин, Т.В. Сорокина, А.И. Скицко // Промышленная теплотехника. - 2008.- Т. 30, №2,- С. 70-78. (особистий внесок - виконано розрахунок температури в ТВЕЛ ядерного реактора методом кінцевих різниць)
3. Dolinsky A.A. Nonstationary Heat Transfer Crisis in Annular Dispersed Flows / A.A. Dolinsky, M. M. Kovetskaya, A. I. Skitsko, A. A. Avramenko, and B. I. Basok // Journal of Engineering Thermophysics.-2008.-Vol. 17, No. 2.-С. 126-129. (особистий внесок - виконано розрахунок кризи теплообміну в вертикальному парогенеруючому каналі в нестаціонарних режимах з падінням витрат теплоносія)
4. Ковецкая М.М. Моделирование нестационарного кризиса теплообмена в дисперсно - кольцевых потоках / М.М. Ковецкая, А.И. Скицко, А.А. Авраменко, Б.И. Басок // Доповіді НАН України. - 2008. - 5. - С. 102 - 108. (особистий внесок - виконано розрахунок нестаціонарної кризи теплообміну в дисперсно-кільцевих потоках)
5. Архипов А.П. Определение начала кипения в пучках стержней / А.П. Архипов, А.А. Авраменко, И.В. Волошина, С.А. Хавин, Е.А. Архипова, А.И. Скицко // Промышленная теплотехника. - 2008. - Т.30, №5. - С. 23 - 29. (особистий внесок - розраховано час початку кипіння в стрижневих збірках з врахуванням нерівномірного розподілу теплофізичних параметрів)
6. Скицко А.И. Моделирование двухфазного пароводяного потока / А.И. Скицко // Энергетика: экономика, технологии, екология. - 2008, №1. - С. 17 - 21.
7. Ковецкая М.М. Исследование условий возникновения кризиса теплообм на в каналах с пучками стержней в нестационарных режимах / М.М. Ковецкая, В.М. Лаврик, А.И. Скицко // Промышленная теплотехника. - 2009, - Т.31, №4. - С. 61 - 67. (особистий внесок - досліджено умови виникнення кризи теплообміну в каналах з пучками стержнів у нестаціонарних режимах зі зменшенням витрат теплоносія)
8. Авраменко А.А. Гидродинамическая неустойчивость порового слоя при обращенном дисперсно-кольцевом режиме / А.А. Авраменко, А.И. Скицко, А.В. Коваленко // Промышленная теплотехника. - 2008. - Т.30, №6. - С. 36 - 40. (особистий внесок - визначено критерій гідродинамічної стійкості в паровому шарі при оберненому кільцевому режимі)
9. Авраменко А.А. Неустойчивость потоков в вертикальном канале при смешанной конвекции / А.А. Авраменко, Б.И. Басок, А.И. Скицко, А.В. Коваленко // Доповіді національної академіі наук України. - 2009. - №3. - С.105-109. (особистий внесок - проведено моделювання по дослідженню нестійкості потоку в вертикальному каналі при змішаній конвекції)
10. Архипов А.П. Исследование кризиса теплоотдачи при кипении в каналах пучка стержней / А.П. Архипов, А.А. Авраменко, И.В. Волошина, Е.А. Архипова, А.И. Скицко // Промышленная теплотехника. - 2009. - Т.31, №3. - С. 62 - 66. (особистий внесок - проведено моделювання по дослідженню розподілу тепло гідравлічних параметрів у пучку стрижнів)
11. Скицко А.И. Численное моделирование пароводяного потока в канале при нагреве теплоотдающей стенки / А.И. Скицко // Промышленная теплотехника. - 2009. - Т.31, №7. - С.127 - 129.
АНОТАЦІЯ
Скіцько О.І. Теплообмін і гідродинаміка потоків у вертикальних каналах з фазовим переходом в умовах впливу збурюючих факторів. ? Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 «Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика» / Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, м. Київ, 2011.
Дисертаційна робота присвячена вивченню нестаціонарних процесів гідродинаміки й теплообміну в каналах, що імітують елементи активної зони ядерного реактора та теплоенергетичного обладнання.
Проведено огляд існуючих чисельно - аналітичних методів аналізу, як засіб моделювання теплогідравлічних процесів двофазних потоків.
Розглянуто відомі математичні методики для розрахунку турбулентного потоку у вертикальному каналі.
Вдосконалено одномірну нестаціонарну математичну модель двофазного потоку, що кипить в частині замикаючих рівнянь.
Розроблено багатовимірну математичну модель двофазного потоку, що враховує ефекти фазового переходу. Як замикаюча модель турбулентності використовувалася модифікована RNG модель. Модель турбулентності модифікована на основі ренормгрупового аналізу з врахуванням нестаціонарності теплофізичних процесів.
Представлено результати розрахунку розподілу гідродинамічних (швидкість, кінетична енергія, швидкість дисипації енергії) і теплофізичних (температура, паровміст) характеристик теплоносія у вертикальному каналі на основі зазначеної моделі. Проаналізовано зміну теплогідравлічних параметрів потоку теплоносія в аварійних умовах, пов'язаних з падінням витрат теплоносія та з різким стрибком енерговиділення на стінці каналу.
Це дало можливість визначити час до виникнення кризи теплообміну першого і другого роду у вертикальному парогенеруючому каналі, а також час, за який температура оболонки тепловиділяючого елемента досягає проектно допустимого значення.
Розглянуто задачу з визначення області теплогідродинамічної нестійкості двофазного потоку в одиночному каналі в залежності від зміни параметрів потоку. Найбільш сприятливі умови стійкості відповідають випадку, коли час перебування частинки теплоносія на обігріваємій і тяговій ділянках приблизно однаковий.
Представлені результати розрахунку гідродинамічної нестійкості течії в вертикальних каналах теплоенергетичного обладнання в тривимірній постановці завдання. Результати розрахунку показують, що критерії гідродинамічної нестійкості екстремально залежать від витратних характеристик потоку, що обумовлено заповненістю профілів швидкості незбуреної течії і корелює з другої теоремою Релея про стійкість потоку.
Ключові слова: теплоенергетичне обладнання, двофазний потік, теплообмін, гідродинаміка, турбулентність, нестійкість.
АНОТАЦИЯ
Скицко А.И. Теплообмен и гидродинамика потоков в вертикальных каналах с фазовым переходом в условиях влияния возмущающих факторов. ? Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 «Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика» / Институт технической теплофизики Национальной академии наук Украины. - Киев, 2011.
Диссертационная работа посвящена изучению гидродинамики и теплообмена двухфазных потоков в каналах, которые имитируют элементы активной зоны ядерного реактора и теплоэнергетического оборудования.
Проведен обзор существующих численно - аналитических методов анализа, как средство моделирования теплогидравлических процессов двухфазных потоков.
Рассмотрены известные математические методики для расчета турбулентного течения в вертикальном канале.
Усовершенствована одномерная нестационарная математическая модель двухфазного вскипающего потока в части замыкающих уравнений.
Разработана многомерная математическая модель двухфазного потока, учитывающая эффекты фазового перехода. В качестве замыкающей модели турбулентности использовалась модифицированная RNG модель. Модель турбулентности модифицирована на основе ренормгруппового анализа с учетом нестационарности теплофизических процессов.
Представлены результаты расчета распределения гидродинамических (скорость, кинетическая энергия, скорость диссипации энергии) и теплофизических (температура, паросодержание) характеристик теплоносителя в вертикальном канале на основе предложенной модели. Проанализировано изменение теплогидравлических параметров потока теплоносителя в аварийных условиях, связанных с падением расхода, а также с резким скачком энерговыделения на стенке канала. Это дало возможность определить время до возникновения кризиса теплообмена первого и второго рода в вертикальном парогенерирующем канале, а также время, за которое температура оболочки тепловыделяющего элемента достигает проектно допустимого значения.
Рассмотрена задача по определению области теплогидродинамической неустойчивости двухфазного потока в одиночном канале в зависимости от изменения параметров потока. Показано, что наиболее благоприятные условия устойчивости соответствуют случаю, когда время пребывания частицы теплоносителя на обогреваемом и тяговом участках примерно одинаково.
Представлены результаты расчета гидродинамической неустойчивости течения в вертикальных каналах теплоэнергетического оборудования в трехмерной постановке задачи. Результаты расчета показывают, что критерии гидродинамической неустойчивости экстремально зависят от расходных характеристик потока, что обусловлено заполненостью профилей скорости невозмущенного течения и коррелирует со второй теоремой Релея об устойчивости потока.
Ключевые слова: теплоэнергетическое оборудование, двухфазный поток, теплообмен, гидродинамика, турбулентность, неустойчивость.
SUMMARY
Skitsko O.I. Heat transfer and hydrodynamics of flows in vertical channels with a phase transition under the influence of disturbing factors. - Manuscript.
Thesis for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.14.06 - Engineering thermophysics and industrial heat power Engineering. - Institute of Engineering Thermophysics, NAS of Ukraine, Kyiv, 2011.
The thesis is devoted to study of heat transfer and fluid flow in channels which imitate active zone elements of heat-and-power engineering equipment.
A review of the existing numerical and analytical methods of modeling hydraulic processes of two-phase flows was done.
Known mathematical methods for simulation of turbulent flow in a vertical channel were considered.
One-dimensional unsteady mathematical model of boiling two-phase flow was improved.
Multi-dimensional mathematical model of two-phase flow taking into account the effects of the phase transition was developed. Modified RNG model was used as a closing model. This model was modified based on renormalization group analysis taking into account the unsteady thermal processes.
Results of simulation for distribution of thermophysical and hydrodynamic characteristics in vertical channel are presented which were obtained based on the above mentioned model. The variation of thermo-hydraulic parameters of flow under malfunction conditions caused by decreased flow rate of water and sharp increase in wall heat flux was analyzed. It allows determining the time period before the crisis of heat transfer of the first and second kind in vertical steam-generating channel, as well as the time during which the temperature of the fuel element shell reaches the value allowed by the design conditions.
It considers the problem of determining the zone of thermo-hydraulic flow instability for two-phase flow in a single channel as a function of flow parameters. It was shown that the most favorable conditions of stability correspond to the case when the particle attendance time in the heated coolant and pulling is roughly equal.
Results of calculation of the hydrodynamic flow instability in vertical channels of power equipment in the three-dimensional formulation of the problem are presented. The calculation results show that the criteria of hydrodynamic instability are extremely dependent on the flow characteristics. It is explained by the velocity profile fullness of undisturbed flow and correlated with the second Rayleigh's theorem of instability.
Key worlds: heat power equipment, two-phase flow, heat transfer, hydrodynamics, turbulence, instability.
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ
w, p, , i, - швидкість, тиск, густина, ентальпія, дійсний паровміст теплоносія,
z - повздовжня координата, - час,
g - прискорення вільного падіння,
w - напруженість тертя на стінці,
Гk - швидкість генерації фази,
, ,
Mk - інтенсивність масообміну між двума фазами,
? потужність теплового потоку, - температура;
, , ? компоненти вектора швидкості,
? тензорний градієнт,
? орт в вертикальному напрямку вздовж якого діє сила тяжіння,
? тензор Кронекера другого рангу відповідної розмірності,
, ? константи,
? кінетична енергія турбулентності,
V ? вектор швидкості,
- виштовхувальна сила,
- міжфазне тертя,
- коефіцієнт тепловіддачі,
, , ? швидкість, тиск і відносна температура незбуреного потоку,
, , - збурюючі швидкості,
? збурюючий тиск,
- збурююча відносна температура,
uA(), vA(), wA() - безрозмірні збурюючі амплітуди швидкості;
pA() - безрозмірна збурюючи амплітуда тиску,
A() - безрозмірна збурююча амплітуда температури,
- безрозмірна нормальна координата,
h - півширина каналу, , ? хвильові числа,
Um - середня витратна швидкість;
, ? колова частота коливання,
? коефіцієнт нарощування коливань,
? коефіцієнт теплопровідності,
? швидкість дисипації,
- динамічний коефіцієнт в'язкості,
- кінематичний коефіцієнт в'язкості.;
С1 - параметр, що має розмірність градієнта температури.
Безрозмірні параметри:
, ,
, , , ,
? критерій Рейнольдса,
? критерій Релея,
? критерій Прандтля.
Індекси: k=1,2 ? параметры води і пари відповідно,
w - значення параметра на стінці,
i - на міжфразній поверхні,
? турбулентний параметр,
кр - критичне значення , н - насичення, эфф - ефективна, nm - розмірність.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Призначення та область використання роторно плівкових апаратів. Класифікація плівкових апаратів. Опис процесу гідродинаміки в роторно плівковому апараті. Мінімальна густина зрошення. Аналіз впливу витрат, числа лопатей та в’язкості на тепловіддачу.
курсовая работа [507,3 K], добавлен 13.01.2018Сутність і сфери використання закону Ньютона – Ріхмана. Фактори, що впливають на коефіцієнт тепловіддачі. Густина теплового потоку за використання теплообміну. Абсолютно чорне, сіре і біле тіла. Густина теплового потоку під час променевого теплообміну.
контрольная работа [40,3 K], добавлен 26.10.2010Теплові процеси в елементах енергетичного обладнання. Задача моделювання теплових процесів в елементах енергетичного обладнання в спряженій постановці. Математична модель для розв’язання задач теплообміну стосовно елементів енергетичного обладнання.
автореферат [60,0 K], добавлен 13.04.2009Вплив умов одержання, хімічного складу і зовнішніх чинників на формування мікроструктури, фазовий склад, фізико-хімічні параметри та електрофізичні властивості склокерамічних матеріалів на основі компонента з фазовим переходом метал-напівпровідник.
автореферат [108,5 K], добавлен 11.04.2009Історія створення ядерного реактора. Будова та принципи роботи реактора-розмножувача та теплового реактора. Особливості протікання ланцюгової та термоядерної реакцій. Хімічні і фізичні властивості, способи одержання і застосування урану і плутонію.
реферат [488,7 K], добавлен 23.10.2010Теплотехническая надежность ядерного реактора: компоновка, вычисление геометрических размеров его активной зоны и тепловыделяющей сборки. Определение координат и паросодержания зоны поверхностного кипения. Температура ядерного топлива по высоте ТВЭл.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 18.06.2011Теплообмін як фізичний процес передавання енергії у вигляді певної кількості теплоти від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою до настання термодинамічної рівноваги. Найкращі провідники-метали. Природна конвекція та її приклади.
презентация [2,6 M], добавлен 22.04.2015Визначення світлового потоку джерела світла, що представляє собою кулю, що світиться рівномірно. Розрахунок зональних світлових потоків для кожної десятиградусної зони за допомогою таблиці зональних тілесних кутів. Типи кривих розподілу сили світла.
контрольная работа [39,3 K], добавлен 10.03.2014Функціональні властивості ядерного реактора АЕС, схема та принцип роботи. Вигорання і відновлення ядерного палива. Розрахунок струму в лінії. Визначення втрат напруги в лінії. Побудова графіків електричної залежності потенціалу індикаторного електрода.
реферат [484,0 K], добавлен 14.11.2012Електропровідна рідина та її властивості в магнітному полі. Двовимірна динаміка магнітогідродинамічного потоку у кільцевому каналі І.В. Хальзев. Моделювання електровихрових полів у металургійних печах. Чисельне моделювання фізичних процесів у лабораторії.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 04.05.2014
