Колебательные процессы при течениях в каналах со сложным поперечным сечением тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Введение.

I. Гидродинамика в каналах со сложным поперечным сечением.

1.1. Классификация каналов со сложным поперечным сечением.

1.2. Особенности гидродинамики в каналах типа ТВС и их аналогов в последних исследованиях.

1.2.1. Поля скорости в ТВС быстрых реакторов.

1.2.2. Турбулентный межканальный обмен импульсом в ТВС с гладкими твэлами.

1.2.3. Гидродинамические эффекты в продольном течении в сборках гладких стержней.

1.2.4. Сопротивление трения в плотных пучках.

1.2.5. Вибрации стержней в продольном турбулентном потоке и некоторые критические явления гидроупругости.

1.2.6. Современные физико-математические алгоритмы для расчёта потоков в каналах со сложным поперечным сечением.

1.3. Проявление неустойчивости в потоках жидкости в каналах сложного поперечного сечения.

1.4. Постановка задачи.

II. Экспериментальные наблюдения колебательных процессов при течении в каналах сложного поперечного сечения.

11.1. Физическая модель.

11.2. Исследуемые модели и их характерные черты.

11.2.1.Канал прямоугольного сечения с прямоугольной возвышенностью.

11.2.2.Модель трубы с цилиндрической вставкой.

11.2.3.Канал квадратного сечения с цилиндрической вставкой.

11.2.4.Модель трубы с тремя цилиндрическими вставками.

II. 2.5. Мод ель трубы с двумя параллельными пластинками.

11.3. Методика экспериментов и результаты наблюдений.

II.3.1.Канал прямоугольного сечения с прямоугольной возвышенностью.

Н.3.2.Труба с цилиндрической вставкой.

11.3.3.Канал квадратного сечения с цилиндрической вставкой.

11.3.4.Труба с тремя цилиндрическими вставками.

П.3.5.Труба с двумя параллельными пластинками.

11.4. Сходства и различия проявления колебательных процессов для всех моделей.

II.4.1.Общие черты.

И.4.2.Отличительные черты.

III. Теоретическое обоснование картины течения в каналах со сложным поперечным сечением.

1П.1.Общее описание.

III. 1.1. Основные определения неустойчивости Кельвина-Гельмгольца.

III. 1.2. Простые известные примеры НКГ.

III. 1.3. Неустойчивость струй.

Ш.2.Колебания двух смежных однородных потоков.

111.2.1. Общее описание.

111.2.2. Нейтральные колебания.

111.2.3. Тонкий промежуточный слой.

Ш.З.Колебание продольного градиента давления.

Ш.4.Учёт гидродинамических колебаний в расчетных моделях течений в каналах с СПС.

Ш.5.Математическая модель качественного описания колебательных процессов в каналах сложного поперечного сечения.

Достаточно много каналов, встречающихся на практике, имеют сложное поперечное сечение (СПС), что обусловлено их функциональным предназначением. Такие каналы широко используются в различных теплообменных и технологических аппаратах, а также встречаются в природе.

Каналы, чьи структурные составляющие находятся на расстояниях соразмерных их собственным поперечным сечениям, представляются задачей, на сегодняшний день, не сложной, они хорошо рассмотрены и обсчитаны, наилучшие программы исследованы в [1].

Достаточно подробно рассмотрены и имеют много различных физико-математических моделей обсчёта статические задачи каналов со сложным поперечным сечением, получены распределения скоростей и температур по сечениям. Несколько таких моделей представлено в [1]. Трёхмерные динамические задачи слишком сложны для расчётов, поэтому модели рассматриваются усредненно по времени [1,2].

При уменьшении зазоров между канальными элементами гидродинамика усложняется. Наиболее сложные из таких каналов имеют поперечное сечение в виде многосвязной области, включающей ячейки, соединённые узкими зазорами, как в тепловыделяющих сборках (ТВС) ядерного реактора (ЯР). Расчёты статических характеристик течений таких каналов даются с ошибкой до 10% [1]. Динамическая картина течений в таких каналах имеет лишь статистическое описание, и выражена дополнительными коэффициентами в формулах статических характеристик [4-7]. В настоящее время проводится множество экспериментов и наблюдений течений на тесных пучках стержней. Хорошо изучено распределение скоростей в поперечном сечении канала [5], из которого хорошо видно, что различие скоростей в зазоре и ячейках достигает 30-50%, что является характерной предпосылкой появлению неустойчивости Кельвина-Гельмгольца (НКГ), а вследствие чего и к возникновению колебательных процессов в канале. Характерным признаком проявления колебательных процессов в каналах с СПС является наличие вибрации в них [6], которая обуславливается присутствием в канале гармонических составляющих, имеющих не случайный характер.

Первые наблюдения неустойчивости в каналах с СПС были проведены Аиным Е.М. в [3]. Были получены экспериментальные результаты в жидкости и сделаны предположения типе неустойчивости как неустойчивости Кельвина-Гельмгольца.

Представленные результаты в работе [3] показывают значительное влияние колебательных процессов в каналах с СПС, а работы [4-7] важность учёта колебательных процессов при рассмотрении трёхмерной динамической задачи для каналов с малыми зазорами между структурными элементами.

Изучение гидродинамических колебаний в каналах с СПС позволяет управлять процессами тепломассобмена между ячейкой и зазором, являющейся важнейшей задачей на сегодняшний день для ТВ С ЯР, а также межканального обмена импульсом, учитывать колебательные процессы при расчётах сопротивления канала и установить контроль и управления за вибрацией.

В данной работе рассматривается динамическая трёхмерная задача для каналов с СПС. Представлены экспериментальные подтверждения наличия колебательных процессов в каналах с различной геометрией «ячейка - зазор -ячейка». Приведены теоретические обоснования их проявления. Представлены экспериментальные данные по влиянию колебательных процессов на сопротивление каналов, а также по вибрации.

Также рассмотрены физическая модель течений в канале со структурой «ячейка - зазор - ячейка». Представлены возможные теоретические обоснования проявления колебательных процессов в каналах с СПС. Предложены рекомендации по учёту колебательных процессов в существующих расчёта течений в таких каналах.

I. Гидродинамика в каналах со сложным поперечным сечением.

Заключение.

Результаты экспериментов показали большую значимость проявления колебательных процессов в гидродинамике каналов со сложным поперечным сечением. Также можно сказать, что возникновение гидродинамических колебаний присущи всем каналам, в которых сопротивление их продольных составляющих сильно отличаются, а такие каналы встречаются достаточно часто.

Важным результатом данной работы является выявление низкочастотной составляющей гидродинамических колебаний, которые проникают в стенки структурных составляющих канала и несут большую опасность разрушения различных стыковых соединений.

Также важным результатом является выявление причины вибрации структурных составляющих канала в колебательных процессах потоков, что позволяет не только контролировать данным опасным явлением, но и управлять им.

Кроме отрицательных эффектов гидродинамические колебания могут играть и значительную положительную роль в выполнении своих функциональных обязанностей течений рабочего тела. Важнейшей задачей ТВС ЯР является унос тепла из активной зоны, а наиболее нагретыми участками являются потоки в зазорах, которые в свою очередь имеют наименьшую скорость в течении теплоносителя. В связи с этим крайне важно обеспечить максимальную перемежаемость потоков в зазоре и в соседних с ним ячейках. Именно здесь гидродинамические колебания потоков в зазоре имеют большое положительное влияние.

В работе выдвинуты предположения теоретического обоснования колебательных процессов в каналах с СПС, хорошо описывающие поведение течения в таких каналах. Использование их при построении расчётных моделей даёт возможность описать реальную динамическую картину течения в каналах с СПС. А также варьируя описанными факторами влияющими на проявление колебательных процессов позволяют контролировать и управлять ими в течениях таких каналов.

1. Жуков А.В., Сорокин А.П., Матюхин Н.М. // Межканальный обмен в ТВС быстрых реакторов. М.: Энергоатомиздат 1991.

2. Субботин В.И., Ибрагимов М.Х., Ушаков П.А. и др. // Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках (основы расчёта). М.: Атомиздат, 1975.

3. Е. М. Айн, JI. В. Агеев, JI. С. Щетинин. // Особенности структуры потока в тесном продольно-обтекаемом пучке стержней. Сибирский физико-технический журнал. 1993. Вып. 1. с. 183.

4. П. А. Ушаков // Гидродинамика труб и каналов сложной формы.// Гидродинамика и безопасность ЯЭУ./ Сборник трудов ФЭИ. В трёх томах. Том

5. Обнинск: ГНЦРФ ФЭИ, 1999, 181 с.

6. Г. П. Богословская // Поля скоростей в ТВС быстрых реакторов.// Гидродинамика и безопасность ЯЭУ./ Сборник трудов ФЭИ. В трёх томах. Том

7. Обнинск: ГНЦ РФ ФЭИ, 1999, 388 с.

8. В. С. Федотовский // Вибрации стержней в продольном турбулентном потоке и некоторые критические явления гидроупругости.// Гидродинамика и безопасность ЯЭУ./ Сборник трудов ФЭИ. В трёх томах. Том 2. Обнинск: ГНЦ РФ ФЭИ, 1999, 388 с.

9. Обнинск: ГНЦРФ ФЭИ, 1999, 170 с.

10. ПЛ. Ушаков, А.В. Жуков и др. (СССР), Ф. Мантлик, Я.Гейна и др.(ЧСФР)/Исследование термодинамических характеристик в правильных и деформированных решётках твэлов быстрых реакторов/М: Изд-во СЭВ, 1978.

11. Б. Ламб. // Гидродинамика. М. JL: Гостехиздат 1947.

12. В.И. Субботин, П.А. Ушаков, Ю.Д. Левченко и др./ Поле скоростей турбулентного потока жидкости при продольном обтекании пучков стержней// Препринт ФЭИ-198. Обнинск: ОНТИ ФЭИ, 1970.

13. W. Eifler, R. Experimental Investigation of Velocity Distribution and Flow Resistance in a Triangular Array of Parallel Robs// Nucl. Engine and Design. 1967/Vol 5, №1.

14. Я. Гейна, Я. Черевенка, Ф. Мантлик/ Результаты измерений локальных гидродинамических характеристик в пучках стержней с геометрическими повреждениями.4156-Т. 1977-1978.Ржеж (ЧСФР): ОНТИ ИЯИ.

15. М.Х. Ибрагимов, И.А. Юсупов, Л.Л. Кобзарь и др./Расчёт касательных напряжений на стенки канала и распределения скоростей при турбулентном течении жидкости.//Атомная энергия. 1964 Т.21.Вып.2.

16. А.В. Жуков, А.П. Сорокин, П.А. Титов и др ./Турбулентный межканальный обмен импульсом в ТВС реакторов//Препринт ФЭИ-2015. Обнинск: ОНТИ ФЭИ 1989.

17. А.В. Жуков, Е.Я. Свириденко, Н.М. Матюхин и др.// Поля скорости в тэльных сборках быстрых реакторов при изменении геометрии периферийных зон.// В кн.: Теплофизические исследования./ М.: Изд-во ВИМИ, 1977 с. 17-22

18. А.В. Жуков, Е.Я. Свириденко, Н.М. Матюхин и др.// Гидродинамика в кассетах твэлов быстрых реакторов(исследования для реактора БН-600).// Препринт ФЭИ-453. Обнинск ФЭИ, 1973.

19. В.И. Субботин, М.Х. Ибрагимов, П.А. Ушаков, В.П. Бобков, А.В. Жуков, Ю.С. Юрьев./ Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках (основы расчёта).// М.: Атомиздат, 1975, 408 с.

20. Б.С. Петухов / Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах.// М.: «Энергия», 1967.

21. В.И. Субботин, П.А. Ушаков, Б.Н. Габрианович, В.Д. Таланов, И.П. Свириденко / Теплоотдача и гидравлическое сопротивление в плотноупакованных коридорных пучках стержней. // Атомная энергия. 1962, т.13, вып. 2, стр.162169.

22. R.G. Hodge/ Frictional Pressure Drop in Non-Circular Duct. Transaction of the ASME/ 1961, ser. C, vol. 83, N 3,p. 384.

23. M.P. Paidoussis / Dynamics of cylindrical structures subjected to axial flow// J. Of Sound and Vibration, 1973, v.29.

24. Г. Биркгоф, Э. Сарантонелло. // Струи, следы и каверны. М.:МИР 1964.

25. Г.Биркгофф, Р.Беллман // Неустойчивость НКГ // Гидродинамическая неустойчивость. М.: МИР 1964.

26. Р. Бетчов, В. Криминале. // Вопросы гидродинамической устойчивости. М.: МИР 1971.

27. Суини X., Голлаб Дж. // Гидродинамические неустойчивости и переход к турбулентности. М.: МИР 1984.

28. АД. Ефанов. Гидродинамические исследования в теплофизическом отделении ГНЦ РФ-ФЭИ.// сб. докладов отраслевого научно-технического семинара «Фундаментальные исследования по гидродинамике ЯЭУ»// ОНТИ-ФЭИ, 2000.

29. С.И. Щербаков. Смешение разнотемпературных струй в тройниках.// сб. докладов отраслевого научно-технического семинара «Фундаментальные исследования по гидродинамике ЯЭУ»// ОНТИ-ФЭИ, 2000.

30. Булеев Н.И. Гидравлическое сопротивление и теплоотдача в турбулентном потоке жидкости в решетках стержней. Теплофизика высоких температур, 1964, т.2, № 5, с. 749.

31. Шейнина А.В. Гидравлическое сопротивление пучков стержней в осевом потоке жидкости. В сб. Жидкие металлы (под редакций Кириллова П.Л., Субботина В.И., Ушакова П.А.). М : Атомиздат, 1967, с. 210.

32. Айн Е.М., Пучков П.И. Гидравлическое сопротивление тесных продольно обтекаемых пучков гладких стержней. Известия ВУЗов, Энергетика, 1969, № 8, с. 129.

33. Фирсова Э.В. Исследование теплообмена и гидравлическое сопротивление при продольном обтекании пучка труб водой. Инженерно-физический журнал, 1963, № 5, с. 17-22.

34. Михайлов А.И., Калинин Э.К., Дрейцер Г.А. Исследование гидравлического сопротивления при продольном омывании воздухом шахматного пучка труб. -Инженерно-физический журнал, 1964, № 11, с. 42-46.

35. Eifler W., Nijsing R. Experimental investigation of velocity distribution and flow resistance in triangular array of parallel rods. Nud.Eng. and Design, 1967, vol. 5, N l,p. 22.

36. Субботин В.И., Габрианович Б.Н., Шейнина А.В. Гидравлические сопротивления при продольном обтекании пучков гладких и оребренных стержней. Атомная энергия, 1972, т.ЗЗ, вып. 5, с. 889.

37. Богданов Ф.Ф. Исследование гидравлических сопротивлений в пучках гладких труб при продольном обтекании. Атомная энергия 1967, т. 23, вып.1, с. 46.

38. Субботин В.И., Ушаков П.А., Левченко Ю.Д. и др. Поле скоростей турбулентного потока жидкости при продольном обтекании пучков стержней// Препринт ФЭИ-198. Обнинск: ОНТИФЭИ, 1970.

39. Eifler W., Nijsing R. Experimental Investigation of Velocity Distribution and Flow Resistance in a Triangular Array of Parallel Rods // Nucl. Engng and Design. 1967. Vol.5, №1.

40. Ибрагимов М.Х., Юсупов И.А., Кобзарь JI.JI. и др. Расчет касательных напряжений на стенке канала и распределения скоростей при турбулентном течении жидкости // Атомная энергия. 1964. Т. 21. Вып.2.

41. Булеев Н.И. Расчет полей скорости и коэффициентов турбулентной теплопроводности в каналах сложной формы //ТВТ. 1971. №2.

42. Субботин В.И., Ушаков П.А. Расчет гидродинамических характеристик пучков стержней //Моделирование термодинамических явлений в активной зоне быстрых реакторов. Прага: Изд-во ЧСКАЭ, 1971. С. 44-57.

43. Ушаков П.А, Жуков А.В. и др. (СССР), Мантлик Ф., Гейна Я. и др. (ЧСФР). Исследование термодинамических характеристик в правильных и деформированных решетках твэлов быстрых реакторов /М: Изд-во СЭВ, 1978.

44. Гейна Я., Червенка Я., Мантлик Ф. Результаты измерений локальных гидродинамических характеристик в пучках стержней с геометрическим повреждением. ,4156-Т. 1977-1978. Ржеж(ЧСФР): ОНТИИЯИ.

45. Жуков А.В., Сорокин А.П., Ушаков П.А., Мантлик Ф. и др. Теплофизическое обоснование температурных режимов ТВС быстрых реакторов с учетом факторов перегрева. Гидродинамические характеристики быстрых реакторов// Препринт ФЭИ-1816. Обнинск: ОНТИФЭИ, 1986.

46. Жуков А.В., Сорокин А.П., Титов П.А. и др. Турбулентный межканальный обмен импульсом в ТВС реакторов // Препринт ФЭИ-2015. Обнинск: ОНТИ ФЭИ. 1989.

47. Rom D.S., Jonson В.М., Knudsen L.G. Implication Concerning Rod Bundle Mixing Based on Measurements of Turbulent Flow Structure //Internal J. Heat Mass. Tramsfer. 1974. Vol.17, N3.

48. Rowe D.S. A Mechanism for Turbulent Mixing between Rod Bundle Subchannels // Trans. Amer. Nucl. Soc. 1969. Vol. 12, N 2.

49. Ройдт А. и др. Определение коэффициента турбулентного обмена в сборке тепловыделяющих элементов //Теплопередача, 1972. Т.96, № 2.

50. Rudzinski K.F. е.а. Turbulent Mixing for Air-Water Flow in Simulated Rod Bundle Geometries //Canadian J. Chemical Engng. 1972. Vol.50, N2.

51. Жуков A.B., Свириденко Е.Я., Матюхин H.M. и др. Исследование гидродинамики сложного течения в сборках стержней с дистанционирующей проволочной навивкой (электромагнитный метод измерений) //Препринт ФЭИ-867. Обнинск: ОНТИ ФЭИ, 1979.

52. Жуков А.В., Сорокин А.П., Титов П.А. и др. Анализ данных по межканальному обмену в ТВС с винтовым оребрением твэлов. Часть 1. Центральная зона //Препринт ФЭИ-1574. Обнинск: ОНТИФЭИ, 1984

53. Bolle е. a. Experimental Determination of the Local Transverse Mixing in a Rod Bundle with Helical Wire Spacer //Rep. Internal. Meeting on Reactor Heat Transfer. 1973. Karlsruhe, Germany

54. Patch L. Experimental Studies of Flow Distribution in a Wire Wrapped LMFBR Blanket Assembly//Ibid. 1979. Karlsruhe, Germany.

55. Markley R.A. Status of Core Thermohydraulic Development in the USA //Thermodinamics of FBR fuel subassemblies under numinal and non-nominal operating conditions. EWGFER/29. 1979.