Исследование МГД-теплообмена в наклонных каналах применительно к перспективной ядерной энергетике тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

на правах рукописи

Беляев Иван Александрович

Исследование МГД-теплообмена в наклонных каналах применительно к перспективной ядерной энергетике.

Специальность 01.04.14 Теплофизика и теоретическая теплотехника.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

г 3 МАЯ 2013

Москва-2013

О

005060517

Работа выполнена на кафедре инженерной теплофизики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

доктор технических наук, профессор Свиридов Валентин Георгиевич

Сапожников Сергей Захарович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретических основ теплотехники Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

Фрик Петр Готлобович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией физической гидродинамики Института механики сплошных сред Уральского отделения РАН

Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова»

Защита состоится 31 мая 2013 года в 11 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, 14, корп. Т, комн. Т-206.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы на автореферат с подписями, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «30» апреля 2013 г

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

1-0

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.04, к.т.н.

Ястребов А.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В реакторе типа токамак для минимизации гидравлического сопротивления при течении жидкого металла (ЖМ) наилучшим является наклонное расположение каналов. При этом течение происходит вдоль вектора результирующего магнитного поля (МП) (результата суперпозиции тороидального и полоидального МП). В достаточно крупных энергетических реакторах (например, в проекте ИТЕР) ректор напряженности результирующего МП располагается под углом 0=11° к горизонту. В более компактных реакторах (например, некоторых проектах термоядерных источников нейтронов ТИН-СТ), наклон вектора может достигать 30-45°.

В продольном МП в условиях сильных тепловых потоков существенна взаимная ориентация векторов скорости и силы тяжести. Так, в вертикальной трубе влияние продольного МП и термогравитационной конвекции (ТГК) приводит к сильным низкочастотным пульсациям температуры большой интенсивности. В горизонтальной трубе, расположенной в продольном МП, наблюдается существенная неоднородность температуры по периметру поперечного сечения трубы, а также - в некоторых режимах - пульсации температуры аномально высокой интенсивности.

Все эти эффекты весьма неблагоприятны для материала стенок теплообменных каналов. Вопросу о том, какие из эффектов и в какой степени проявятся в наклонных трубах посвящена данная работа.

Неоднозначность МГД взаимодействия требует экспериментального подтверждения теоретических расчетов, верификации численных моделей и расчетных кодов.

Нслыо работы являются комплексные экспериментальные и численные исследования полей скорости и температуры, коэффициентов теплоотдачи и характеристик турбулентных пульсаций температуры в круглой наклонной трубе при опускном течении ртути под воздействием продольного МП в условиях однородного и неоднородного по периметру («сверху/снизу») и однородного по длине трубы обогрева.

Научная новизна работы. Впервые измерены поля скорости, температуры, коэффициенты теплоотдачи, интенсивности температурных пульсаций и получены статистические характеристики температурных пульсаций в неизотермическом потоке ЖМ в наклонной трубе в продольном МП в условиях однородного и неоднородного распределения тепловой нагрузки по периметру поперечного сечения трубы (плотности тепловых потоков различны в верхней и нижней половинах трубы). В рассматриваемой конфигурации МГД теплообмена ЖМ впервые исследован сложный случай теплообмена в условиях совместного влияния массовых сил различной природы: электромагнитной и силы плавучести.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов

диссертационной работы обеспечивается:

- своевременной поверкой использованной аппаратуры, предварительной тарировкой всех используемых первичных датчиков;

- тщательной проработкой методик измерений и обработки первичных экспериментальных данных;

воспроизводимостью полученных опытных результатов и согласованностью их с имеющимися в литературе теоретическими и опытными данными, полученными в близких условиях;

- автоматизацией эксперимента, которая позволила повысить точность в результате статистической обработки большого числа первичных измерений.

Практическая пенность.

Полученные результаты и рекомендации могут быть использованы при проектировании реакторов типа токамак и других энергетических установок с ЖМ теплоносителем, верификации кодов и численных моделей теплообмена ЖМ. Примененные и разработанные методики измерений могут быть использованы в различных областях науки и техники, а также в образовательном процессе.

Основные научные положения, выносимые на защиту: результаты исследования полей температуры и продольной компоненты скорости, коэффициентов теплоотдачи и интенсивностей турбулентных пульсаций температуры при опускном течении ЖМ в наклонной трубе в продольном МП при однородном и неоднородном («сверху/снизу») по периметру трубы обогреве.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены и обсуждены:

• на Четвертой международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», Москва, 2011 г.;

• Восьмой международной конференции по МГД «Памир», Франция, 2011г.;

• на 12-й Международной школе-конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 2012 г.;

• на Первой Российской конференции по магнитной гидродинамике, Пермь, 2012 г.;

• на 14-м Минском международном форуме по тепло- и массообмену, Минск, 2012 г.;

• на научной технической конференции «Тепло физика-2012», Обнинск, 2012 г.;

• на научных семинарах в НИКИЭТ им. H.A. Доллежаля, НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, ОИВТ РАН (2011 - 2012 гг.).

Публикации:

Содержание диссертационной работы изложено в статьях и докладах, опубликованных автором в соавторстве, в трудах отечественных и международных конференций, список которых дан выше. Основное содержание работы представлено в публикациях в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК.

Структура и объем работы:

Диссертация общим объемом 168 страниц иллюстрируется 125 рисунками, состоит из введения, пяти глав, заключения, содержащего основные выводы по работе, и приложения. Список цитируемых источников включает 84 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы: перспективность использования ЖМ для систем охлаждения энергетики нового поколения -ядерных реакторов на быстрых нейтронах и термоядерных реакторов. Рассмотрены различные концепции тестовых жидкометаллических модулей программы ИТЕР и особенности теплообмена в продольном МП.

Глава 1. Современное состояние вопроса

Глава представляет собой обзор имеющихся в литературе данных по теплообмену при течении ЖМ в круглой трубе в продольном МП. Отмечены закономерности, наблюдаемые в горизонтальных и вертикальных трубах в продольном МП. Ранее исследования МГД теплообмена при течении ЖМ в наклонной трубе не проводились, взаимное влияние 11К и продольного МП в этих условиях не изучено.

Глава 2. Математическое описание.

В главе приводятся уравнения, описывающие решаемую задачу, принятые допущения и получаемые безразмерные критерии, характеризующие процессы гидродинамики и теплообмена ЖМ в МП.

Глава 3. Численное моделирование.

Численное моделирование (ЧМ) рассматривается как способ предварительного анализа особенностей МГД теплообмена в исследуемой конфигурации (Рис. 7), предшествующий экспериментальному исследованию (Глава 5).

В работе используется подход, разработанный и успешно примененный для моделирования горизонтальных труб в продольном и поперечном МП Н.Г. Разувановым1 с корректировкой на условия течения в наклонном канале.

1 Н.Г. Разуванов Исследование МГД-теплообмепа при течении жидкого металла в горизонтальной трубе Дис. докт. техн. наук. - М., 2011. - 293 с.

Методика основана на решении стационарных уравнений Рейнольдса в трехмерной постановке в программной среде ANES.

Приведены решения тестовых задач без влияния свободной конвекции, показывающие совпадение результатов 4M с известными теоретическими зависимостями.

Результаты 4M о том, как распределены по длине средние по периметру значения числа Нуссельта (Nu) для угла наклона 0=30° с учетом влияния свободной конвекции, показаны на Рис. 1. Критерии Re, На, Gr расшифрованы в таблице 2.

Сплошные линии - На=480, Штрих-пунктирные линии - На=0

Рис. 1. Распределение среднего числа Нуссельта по длине трубы (9=30° Сгг=0.8-108, На=480).

При этом выделяются режимы, полученные при числе Ке=10-103, в которых реализуются крайне низкие №. Характерные безразмерные поля

продольной компоненты скорости (У=у/м, где V - размерная скорость, и -средняя по сечению скорость) и температуры (0=(Т-Тж)/(с/сс1/Х) ,где Тж -среднемассовая температура жидкости в данном сечении трубы, X -теплопроводность среды, ^-средний по периметру тепловой поток, с1-диаметр трубы), полученные в результате ЧМ, приведены на Рис. 2(а, б). Поле размерной температуры, восстановленное из безразмерной, представлено на Рис. 2(в). В верхней части трубы образуется стационарное возвратное течение (Рис. 3), а в нижней части трубы наблюдается ускоренное течение.

Реализация при ЧМ стационарного возвратного течения требует проверки (верификации) по экспериментальным данным, поскольку в действительности может наблюдаться нестационарная картина течения, получение которой в рамках решения стационарной системы уравнений Рейнольдса невозможно.

Рис. 2. Поля температуры и скорости в поперечном сечении трубы £/¿=20, 0=ЗО°,<Зг=О.8-1О8, Яе =10-103, На=480).

б) Безразмерная температура 0

в) Температура Т, °С

а) Безразмерная продольная скорость V

наклонной трубы.

Глава 4. Экспериментальная установка и методы измерений.

Экспериментальный стенд представляет собой замкнутый контур, по которому циркулирует ртуть (Рис. 4). Исследования проводились зондовыми методами с использованием продольного зонда (Рис. 5), состоящего из 10 микротермопар, и рычажного зонда (Рис. 6). В последнем случае измерения проводились в сечении трубы, удаленном от входа в зону обогрева на расстояние 37с1, в области однородного МП — на 25(1. Параметры экспериментальной установки приведены в табл. 1.

7

Числами обозначены:

1- рабочий участок; 2- магнит; 3- расходомер; 4- нагреватель; 5- вентиль регулировки расхода; 6-теплообменники; 7- насос; 8 - напорный бак со ртутью; 9- стойка питания и управления, 10-измерительно-управляющий тракт; 11- измерительная стойка; 12- измерительно-управляющая стойка; 13-персональный компьютер.

Рис. 4. Схема стенда.

Температура стенки для определения коэффициентов теплоотдачи в обоих случаях определялась «из потока», то есть экстраполяцией на стенку измеренного профиля температуры в потоке.

Величина Значение

Внутренний диаметр рабочего участка <1, мм 19

Длина рабочего участка, м 2.005 (106 ё)

Материал рабочего участка сталь 08X18Н10

Толщина стенки рабочего участка мм 0,5

Плотность теплового потока яс, кВт/м2 0...55

Длина обогреваемого участка, м 0.85 (42 (1)

Индукция магнитного поля В, Т 0...1.0

Длина электромагнита (обмоток), м 0.7 (37 ё)

Длина участка однородного магнитного поля, м 0.5 (26 ё)

Модельная жидкость ртуть

Рис. 5. Продольный зонд в трубе рабочего участка.

Рис. 6. Рычажный зонд и корреляционный датчик.

Экспериментальный стенд для исследования теплообмена жидкого метала в трубе в продольном магнитном поле позволяет реализовать условия течения в диапазонах режимных параметров, показанных в табл. 2.

Критерий Значение

Ке=ц. (1/у 5-103-55-103

На=В (1(о/ц)0'5 0-480

Ог„=й В д ё4/(>, V2) 0Н-1.2-108

С=а„Ь„/(стс1) 0.04

№1=(<7^Д)/(ТС-ТЖ) -

Обозначения: Яе - число Рейнольдса, V - кинематический коэффициент вязкости, На - число Гартмана, о - электропроводность среды, ц - динамический коэффициент вязкости, (Згч - число Грасгофа, § -ускорение свободного падения, С - относительная проводимость стенки, ст„ - электропроводность стенки, - тошцина стенки.

Глава 5. Результаты экспериментов.

Экспериментальная часть диссертации была выполнена в соответствии с планами научно-образовательного центра (НОЦ) НИУ МЭИ -ОИВТ РАН. Ставится задача исследовать опускное МГД течение и теплообмен ЖМ в наклонной трубе в продольном МП (Рис. 7). На схеме обозначены векторы: скорости потока ЖМ V, ускорения свободного падения g, индукции МП В.

В главе представлены результаты подробных измерений полей температуры, продольной компоненты скорости и коэффициентов теплоотдачи (локальных и средних) в потоке ЖМ, полученные в отсутствие МП и при наличии продольного МП. Результаты экспериментов сравнены с теоретическими зависимостями.

Поля скорости и температуры, полученные в экспериментах с однородным обогревом при одном из реализованных (для наклона 0=45°) сочетаний режимных параметров (На2/Ке=23, Ог/Ке2=0.8), показаны на Рис. 8, Рис. 9. Применение корреляционного датчика создает в сечении трубы недоступную для измерения область. Как видим, без влияния МП вблизи верхней образующей наблюдается значительная подторможенная зона. При этом в верхней части трубы наблюдается перегрев стенки, а картина

температурных изолиний далека от осесимметричной. При наложении МП вблизи верхней образующей обнаружены (корреляционным методом измерения продольной компоненты скорости) области, в которых существует возвратное течение.

Рис. 8. Поля температуры и скорости в сечении х/Л=Ъ1 при 0=45°, (11е=1<М03, Сггч=0,8-108, На=0).

Корреляционный метод, в принципе, является прямым методом измерения скорости, поэтому применим и для прямого и для возвратного течения, но в переходной области расслоенного течения он неприменим. Поля построены по экспериментальным точкам методом полиноминальной триангуляции.

Рис. 9. Поля температуры и скорости в сечении г/|£=37 при 0=45°, (Яе=10-103, Стгч=0,8-108, На=0).

При наличии возвратного течения качественно поля температуры меняются несильно, однако перепев в близи верхней образующей значительно возрастает, количественно это показано в виде распределений безразмерной температуры по периметру при различных углах наклона (Рис. 10, Рис. 11).

0,42 .........

0С

0,30

0,18 ■

0,06

-0,06

1/NUt

l/NuT

........_А_„......

д I д

п 0 г,

Д ° О о д

1 0=± 47

о 1-6=11,3' д 2 - 6=30' а 3 - 6=45'

П ; О

□

А&.?.

о ъ

□

...ik

□ д о

—"О"

d

й °В0 О □

60

120

180

I I

240

9

300

360

Рис. 10. Распределение величины ©с по периметру трубы г/У=37 (Ке=10-103,Сгг=0.8'108, На=0) при различных углах наклона 6.

0,66 ■ 0,54 ■ 0,42

-0,06

°'30 j i/NuL 0,18

□

0,06 4--Q-

оо° °

д

о В ь —

-й-□

д

□

д

О 1-6=11,3'

д 2 - е=зо°

□ 3 - 9=451

д

Шит

<а □

2_

о---s !

I I

I I

0 60 120 180 240 300 360 Рис. 11. Распределение величины ©0 по периметру трубы (z/d=37 Re=10-10\ Gr=0.8-108, На=480) при различных углах наклона 9.

*

i

Без МП экспериментальные точки при различных углах наклона ложатся достаточно близко друг к другу. Термогравитационная конвекция вызывает существенную неоднородность температуры на верхней ((¡>=180°) и нижней (ср=0°, 360°) образующих. С наложением продольного МП (Рис. 11) при угле наклона 11 ° картина меняется слабо. Иной результат наблюдается при углах наклона 30°, 45° поскольку при этом возникает возвратное течение. В этом случае локальные значения температуры возрастают во всем сечении, в особенности вблизи верхней образующей, причём сохраняется «колоколообразное» распределение температуры по периметру. Как и для горизонтальной трубы, обнаружены зоны ухудшенного теплообмена, представляющие, ввиду дополнительных термических напряжений опасность для конструкции теплообменника.

Результаты исследований теплообмена в круглой трубе при однородном обогреве при различных углах наклона обобщены в виде распределений локальной безразмерной температуры стенки <ЭС на верхней и нижней образующих при различных числах Пекле Ре=11е Рг. В трубах горизонтальных2 и наклонных (вплоть до 45°) без влияния МП (Рис. 12) наблюдается сходная картина: по мере увеличения Ре разница между значением ©с на верхней и нижней образующих уменьшается, а сами эти значения стремятся к характерным для чисто турбулентного теплообмена без влияния ТГК.

0:5

0,3

ОД

-од

100 1000 Рис. 12. Локальные значения 0С на верхней (а) и нижней (б) образующих в зависимости от числа Ре при различных углах наклона 9 (0гч=0,8'108, На=0).

2 Шпанский С.Ю. Теплообмен жидкого металла в канале применительно к проблеме создания

термоядерного реактора-токамака. Дис. канд. техн. наук. - М., 1996. - 112 с.

В наклонных трубах перегрев верхней образующей несколько больше, несмотря на то, что с увеличением угла конфигурация приближается к вертикальной трубе, для которой проблема неоднородности в распределении температуры стенки полностью отсутствует - как без влияния продольного МП, так и под его влиянием.

При наложении МП (На=480) (Рис. 13) в наклонных трубах по мере увеличения угла 9 растет разница в значениях ©0 на верхней и нижней образующих в области низких чисел Рейнольдса из-за образования возвратных течений. Кроме того, значительная неоднородность в распределении температуры по сечению наблюдается вплоть до максимально реализуемых чисел Ре.

0,5

0,3

0,1

-0,1

100 1000

агт

Рис. 13. Локальные значения ©„ на верхней (а) и нижней (б) образующих в зависимости от числа Ре при различных углах наклона 0, (<Згч=0,8-108, На=480).

Отметим, что результаты ЧМ и эксперимента (Рис. 14) в целом неплохо согласуются между собой в качественном соотношении, правильно предсказывая характер зависимости @с на верхней и нижней образующих при различных числах Пекле Ре при возникновении возвратных течений. Количественно наблюдается расхождение в описании величины 0С на верхней образующей, особенно при высоких числах Пекле Ре>875, причиной является используемая при ЧМ модель турбулентного переноса по Рейхардгу с поправкой на влияние МП, не учитывающая влияние ТПС на турбулентный перенос.

у

I

0,5

- 0,3

0,1

-ОД

100 1000 Рис. 14. Локальные значения 0С на верхней (а) и нижней (б) образующих в зависимости от Ре при различных углах наклона 9 (Сггч=0,8-108, На=480), полученные в результате ЧМ(1, 3) и эксперимента (2,4).

В опытах с неоднородным обогревом реализованы, по аналогии с проводимыми при однородным обогреве, режимы для числа <Зг=0.53-108, при разных соотношениях обогрева «сверху/снизу». Для характеристики неоднородности обогрева вводится параметр:

где qв - плотность теплового потока на нижней образующей, -плотность теплового потока на верхней образующей.

В режимах с однородным обогревом к=0, с обогревом преимущественно снизу к>О, а в режимах с обогревом преимущественно сверху ¿<0.

Полученные без влияния МП распределения безразмерной температуры по периметру трубы для одного из исследованных режимов (Огч/Ке2=0.5) при различных к показаны на Рис.15. Картина, наблюдаемая при обогреве только сверху (¿=-1), радикально отличается от происходящего при обогреве только снизу (А=1). Обогрев только снизу дает распределение температуры стенки, гораздо более близкое к однородному; это происходит за счет развития вторичных течений ТГК. При обогреве только сверху подобного не происходит, поскольку в поперечном сечении трубы реализуется устойчивая стратификация плотности, что приводит локальным 0С различающихся на верхней и нижней образующих на Д0С =[©оЕсрх-®сШ13|=0,8.

0,78 0,66 0,54 0,42 0,30 0,18 0,06

©с

-0Г ©т

» I «

аАа-

• 1 -к=-1 а2-к = -0,4 Ш-к = 0,4 Ф4-Ь=1

0.06 А А. А,А

60

' I

120

■ —I

180

240

А ;

• а

-I—г—

300

360

Рис. 15. Распределение величины ©с по периметру сечения г/У=37 трубы с наклоном 9=30° (Ке=10-103, <3г=5.3-ю7, На=0) для различных значений параметра неоднородности обогрева к.

Общие закономерности влияния неоднородности обогрева рассмотрены на примере зависимости средних по периметру сечения трубы значений числа N11 в зависимости от параметра неоднородности обогрева к (Рис. 16, Рис. 17), при этом необходимо помнить, что практически для всех вариантов неоднородного обогрева характерна существенная неоднородность в распределении температуры стенки по сечению трубы.

В исследованном диапазоне режимных параметров Яе, <3г, На при обогреве «только сверху» (А=-1) при углах наклона 0=11,3°; 30°; 45° реализуются примерно одинаковые крайне низкие средние N11, сопровождающиеся значительной неоднородностью в распределении 0С по периметру трубы.

При этом в МП достаточно сильном, чтобы подавить турбулентность, реализуются стационарные возвратные течения даже при 0=11,3°. В режимах с обогревом преимущественно сверху (¿<0) снижение числа № происходит довольно резко по мере увеличения неоднородности обогрева. В частности при изменении к с 0 до -0,2 осредненное число № при угле наклона 0=11,3° снижается на 30%, а при £=-0,3 и менее оказывается ниже ламинарных значений. При этом наблюдается значительная неоднородность в распределении температуры стенки по периметру. Например, в режиме Л=-1, 11е=10-103, Сг1=5.3-107, На=480 при угле наклона 0=11,3° перепад безразмерной температуры на верхней и нижней образующей достигает огромного значения Д0С =|0СЮ!Я-0СШИ|=1,5.

-и- -

—9. • □

.........Д......

□ д

'-7-5-3--Ч-

ш

□ -д

о л

♦ ®

•1-е=о*

Д2-6=11,3" ОЗ - 6=30 ° <§>4-6=45 '

Г

-1 -0,6 -0,2 0,2 0,6 1 Рис. 16. Среднее число № в зависимости от неоднородности обогрева, (г/У=37,11е=104, Ог=5.3-Ю7, На=0) при разных углах наклона в.

........... ........

•.................. .................. д д

...........................................у— ...... . :„,...„..„:........; § п п

♦...................

......................................:—т"ш

* 5* >........ Д 1-6=11,3' □ 2-6=30" ФЗ - 6=45'

, 6 3 ■

ДА #

II 1 к

-1 -0,6 -0,2 0,2 0,6 1 Рис. 17. Среднее число Ыи в зависимости от неоднородности обогрева, (гМ=Ъ1,11е=104, Ог=5.3'Ю7, На=480) при разных углах наклона 8.

Обогрев «только снизу», подобно горизонтальным трубам, в наклонных трубах реализует гораздо более равномерное распределение 0е по периметру и более высокие значения осредненного по периметру числа Нуссельта №. Это происходит за счет образования парных вихрей ТГК в условиях неустойчивой стратификации плотности. По мере увеличения угла 9 влияние этих вихрей ослабевает и, как следствие, осредненные числа Нуссельта №

снижаются как в случае однородного, так и в случае неоднородного обогрева «преимущественно снизу» (fc>0).

Возникновение возвратного течения не сопровождается увеличением амплитуды пульсаций температуры (Рис. 18(а), Рис.19(а)). В режимах, где присутствует заторможенная область вблизи верхней образующей, под воздействием МП наблюдается развитие пульсаций температуры, обладающих низкой частотой и высокой амплитудой. Причем если при угле наклона 0=30" амплитуда пульсаций сопоставима с наблюдаемой без влияния МП (Рис. 18(6)), то при 9=45' наблюдается картина, похожая на случай опускного течения в вертикальной трубе3: амплитуда пульсаций температуры под воздействием продольного МП не только не уменьшается, но становится выше, что может представлять опасность для материала стенки (Рис. 19(6)).

—На = 0 ---На = 480 л •

2 4 6 8

a) Gr„=0,8-108, Re=10103

2 4 6

б) Grq=l,M08,Re=20-103

Рис. 18. Осциллограммы температуры вблизи верхней образующей трубы (11=0.8, <р=180°), в сечении Ш=Ъ1 при наклоне 0=30".

95 85 75 65 55

—На = 0 —На = 480

N

90

85 ; 80 : 75 ;

65

60

—На = 0 --№ = 480

ív. WW-.. fti

2 4 6 8

a) Grq=0,8-108, Re=l(M03

10

2 4 6 8 10

б) Grq=l,2-10s,Re=20-103

Рис. 19. Осциллограммы температуры вблизи верхней образующей трубы @1=0.8, <р=180°), в сечении г/<*=37 при наклоне 0=45*.

3 Ковалев СМ. Влияние продольного магнитного поля и термограв1ггационной конвекции на теплоотдачу при течении жидкого металла// Дис. канд. техн. наук. - М., 1988. -109 с.

t

I

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые проведены комплексные экспериментальные исследования и численное моделирование теплообмена жидкого металла при опускном течении в наклонной обогреваемой трубе (углы 11,3°; 30°; 45° к горизонту) под воздействием продольного магнитного поля. Исследованы режимы с параметрами На2/ке= К23, ОгЛ1е2=(К0.8 в случае обогрева однородного, одностороннего («сверху» или «снизу») и промежуточного. С применением зондовых методов измерены поля Осредненной продольной скорости и осредненной температуры, пульсации температуры, локальные и средние числа Нуссельта.

2. Показано, что опускное течение в наклонной трубе с углами вплоть до 6=45° к горизонту по характеристикам теплообмена гораздо ближе к горизонтальной трубе, чем к вертикальной. Развивается существенная неоднородность температуры стенки по периметру сечения трубы с образованием зон ухудшенного теплообмена. Перепад температур на верхней и нижней образующих превышает значения, полученные в эквивалентных режимах для горизонтальной трубы, особенно при наличии магнитного поля.

3. Роль термогравитационной конвекции во всем исследованном диапазоне режимных параметров существенна. Спецификой наклонных труб является заторможенная область вблизи верхней образующей. Впервые показано, что в присутствии продольного магнитного поля возможно развитие возвратных течений в области низких чисел Яе, особенно при неоднородном обогреве, в котором больший тепловой поток приходится на верхнюю образующую. Возвратные течения впервые обнаружены и исследованы экспериментально при помощи непосредственного измерения продольной компоненты скорости. Возвратные течения приводят к крайне высокой неоднородности в распределении температуры стенки по сечению трубы (с разницой безразмерной температуры на верхней и нижней образующей до Д0С =|0сверх-0сюи|=1,5) и крайне низким числам Нуссельта: локальным менее единицы и средним по периметру около 2, что представляет опасность для конструкции теплообменника.

4. Возвратные течения не сопровождаются ростом амплитуды пульсаций температуры. Обнаружены режимы, в которых при наличии продольного магнитного поля наблюдаются низкочастотные пульсации температуры с амплитудами, превышающими значения, характерные для чисто турбулентных пульсаций температуры без магнитного поля, что может представлять опасность для материала стенки теплообменника.

5. Результаты численного моделирования в целом согласуются с экспериментальными данными, качественно предсказывая возникновение возвратных течений.

<r

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

[1] В.Г. Жилин, В.Г. Свиридов, Н.Г. Разуванов, ЮЛ. Ивочкин, Я.И. JIucmpamoe, Е.В. Свиридов, И.А. Беляев Влияние вторичных течений на теплообмен жидкого металла в горизонтальной трубе при неоднородном обогреве в магнитном поле// Тепловые процессы в технике — 2009. - Том 1.-е. 199-203. ISSN 2074-2649.

[2] KG. Sviridov, N.G. Razuvanov, Yu.P. Ivotchkin, Ya.I. Listraiov, E.K Sviridov., L.G. Genin, KG. Zhilin, I. A. Belyaev Liquid Metal Heat Transfer Investigations Applied to Tokamak Reactor// Proceeding of the International Heat Transfer Conference IHTC14, August 8-13, 2010, Washington, DC, USA, p. 1-8.

[3] LA. Belyaev, Ya.I. Listratov, N.G. Razuvanov, KG. Sviridov Liquid metal heat transfer in an inclined tube affected by a longitudinal magnetic field// Proceeding of the 8th International PAMIR Conference on Fundamental and Applied MHD, France, 2011, p.43-49.

[4] И.А. Беляев, Л.Г. Генин, Н.Г Разуванов, В.Г. Свиридов Влияние неоднородности обогрева на теплообмен жидкого металла в наклонной трубе под воздействием продольного магнитного поля// Тепловые процессы в технике. №10, 2012 г с 442-449. ISSN 2074-2649.

[5] I.A. Belyaev, Ya.I. Listratov, N.G. Razuvanov, KG. Sviridov Liquid Metal Heat Transfer in an Inclined Tube Affected by a Longitudinal Magnetic Field// Journal of Iron and Steel Research, International, 2012, 19 (Supplement 1) pp. 487-490 ISSN 1006-706X; CN 11-3678/TF.

[6] LA. Belyaev, L.G. Genin, Ya.I. Listratov,I.A. Melnikov, KG. Sviridov, E.K Sviridov, Yu.P. Ivochkin, N.G. Razuvanov, Yu.S. Shpansky SPECIFIC FEATURES OF LIQUID METAL HEAT TRANSFER IN A TOKAMAK REACTOR //MAGNETOHYDRODYNAMICS Vol. 49 (2013), No. l,pp. 177-190.

Печ.л. /tSib Тираж ¡0^ Заказ

Полиграфический центр МЭИ, Москва, Красноказарменная 13

♦

I

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский университет «МЭИ»

На правах рукописи

04201357063

Беляев Иван Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ МГД-ТЕПЛООБМЕНА В НАКЛОННЫХ КАНАЛАХ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПЕРСПЕКТИВНОЙ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

Специальность 01.04.14 - «Теплофизика и теоретическая теплотехника» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор В.Г.Свиридов

МОСКВА

2013

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание............................................................................................2

Список условных обозначений...............................................................4

Введение......................................................................................................8

1 Современное состояние вопроса.......................................................19

1.1 Вынужденная конвекция жидкого металла в каналах без воздействия ТГКиМП...................................................................................................19

1.2 Смешанная конвекция в каналах без воздействия МП...................20

1.2.1 Смешанная конвекция в горизонтальных трубах.........................20

1.2.2 Смешанная конвекция в наклонных каналах................................25

1.3 Вынужденная конвекция жидкого металла в каналах в продольном МП без воздействия ТГК..........................................................................27

1.4 Смешанная конвекция жидкого металла в продольном МП с учетом влияния ТГК..............................................................................................33

1.4.1 Влияние МП на конвективные течения.........................................33

1.4.2 Теплообмен жидкого металла в вертикальной круглой трубе в продольном магнитном поле при равномерном обогреве....................34

1.4.3 Теплообмен жидкого металла в горизонтальной круглой трубе в продольном магнитном поле при равномерном обогреве....................37

1.4.4 Теплообмен жидкого металла в горизонтальной круглой трубе в продольном магнитном поле при неравномерном обогреве................40

1.4.5 Численное моделирование МГД-теплообмена в продольном магнитном поле.........................................................................................45

1.5 Выводы о современном состоянии вопроса.....................................47

2 Математическое описание..................................................................49

3 Численное моделирование.................................................................54

3.1 Постановка задачи...............................................................................54

3.2 Среда численного моделирования ANES/NE..................................55

3.3 Геометрия расчетной области............................................................57

3.1 Результаты численного моделирования...........................................58

4 Экспериментальная установка и методы измерений...................64

4.1 Жидкометаллический стенд...............................................................64

4.1.1 Рабочий участок...............................................................................64

4.1.2 Измерительные термопарные зонды..............................................69

4.1.3 Корреляционный датчик.................................................................75

4.2 Автоматизированная система научных исследований (АСНИ).... 79

4.2.1 Подсистема измерения силовых сигналов....................................81

4.2.2 Подсистема измерения режимных параметров............................82

4.2.3 Подсистема перемещения зонда.....................................................83

4.2.4 Подсистема зондовых измерений...................................................85

4.2.5 Программа измерений.....................................................................87

4.3 Методика измерений...........................................................................92

4.4 Оценка погрешностей.........................................................................96

5 Результаты экспериментов..............................................................101

5.1 Постановка задачи.............................................................................101

5.2 Эксперименты при наклоне 11,3 градуса.......................................103

5.3 Эксперименты при наклоне 30 градусов........................................120

5.4 Эксперименты при наклоне 45 градусов........................................138

5.5 Обобщение результатов....................................................................149

Заключение.............................................................................................157

Список литературы..............................................................................159

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..................................................................................169

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

х,у - декартовы координаты, м; г,(р,г - цилиндрические координаты; 6 - угол наклона к горизонту; I - время, с;

м

'уу - скорость, с ;

безразмерная скорость; В - индукция магнитного поля, Тл; ё - внутренний диаметр трубы, м; г - текущий радиус, м;

2 - внутренний радиус трубы, м;

го =

г° - безразмерный радиус; и - напряжение, В; I - сила тока, А;

А_

2

} - плотность тока, М ;

в

Е - напряженность электрического поля, м ; Т - температура, °С; кг

в - расход, с ; р - давление, Па;

Вт

- плотность теплового потока на стенке, м ;

Вт

а - коэффициент теплоотдачи, м2 • К

]_

Р - коэффициент объемного термического расширения, К ; 5 - диаметр королька термопары, мм;

Вт

X - коэффициент теплопроводности, м • К ;

м^

а - коэффициент температуропроводности, с ;

Гн

(1М- магнитная проницаемость среды, м ; 8е - диэлектрическая проницаемость;

V - кинематический коэффициент вязкости, с ;

кг

т) - динамический коэффициент вязкости, м • с •

кг

з"

р - плотность, м ;

а - интенсивность пульсаций температуры, °С

1

ос- электропроводность, Ом • м •

Дж

с - теплоемкость, кг • К ;

м

g - ускорение свободного падения, °2 ;

Ъ, - коэффициент гидравлического сопротивления;

Рг=Л

а - число Прандтля;

V

- число Рейнольдса; Ре = Р1еРг = — - число Пекле;

а

число Гартмана;

На = Bd

VPV

хт На2 о B2d

N =-= —

Re pli

- параметр МГД-взаимодействия;

\т a d

Nu = —

^ - число Нуссельта;

Or- °Z

v!

- число Грасгофа, рассчитанное по градиенту температуры;

С*.

число Грасгофа, рассчитанное по тепловому потоку;

4 1 v2

A,V _

Т} ~ _ От Р*

х ~~ х - число Рэлея, рассчитанное по градиенту температуры;

Яа^втРг _

44 - число Рэлея, рассчитанное по тепловому потоку;

Т -Т

(Л = _2£-

с «А

^ - безразмерная температура стенки;

7 _ 1 2 Z "Ре<*

- приведенная длина.

Индексы:

т -турбулентный; л - ламинарный; с - стенка; ж - жидкость;

верх - верхняя образующая трубы; низ - нижняя образующая трубы;

г

(штрих) - пульсационная составляющая;

(черта) - осредненная составляющая.

Сокращения:

АКФ - автокорреляционная функция;

АСНИ - автоматизированная система научных исследований;

ЖМ - жидкий металл;

ЖМТ - жидкометаллический теплоноситель;

МГД - магнитогидродинамический, магнитная гидродинамика;

МП - магнитное поле;

ПТС - платиновый термометр сопротивления;

ТГК - термогравитационная конвекция;

ТИН - термоядерный источник нейтронов;

ТЯР - термоядерный реактор;

У ТС - управляемый термоядерный синтез;

ЧМ -численное моделирование.

ВВЕДЕНИЕ

По планам Министерства Энергетики Российской Федерации [1] к 2018 году производство электроэнергии с помощью АЭС достигнет 223,8 млрд. кВт-ч при существующих 172,9 млрд. кВт-ч (по данным на 2012 г.). К 2018 году планируется ввести 40,1 ГВт электрической мощности, из них 12,3 ГВт за счет АЭС. По другим оценкам [2] потребность в производстве электроэнергии с помощью АЭС к 2030 году вырастет до 458 млрд. кВт-ч.

Существующие АЭС вырабатывают свой срок службы: к 2018 будет выведено 3.3 ГВт электрической мощности. Ресурсная база отрасли не сбалансирована по собственным источникам урана [2],[3]. При общей годовой потребности атомной отрасли в уране 16-19 тыс. т (в том числе 4,7-5,2 тыс. т для АЭС) производство его в России составляет всего 3,2-3,3 тыс. т (-15%). Основная часть действующих рудников осталась за пределами страны, это обостряет проблему замыкания топливного цикла и требует ввода реакторов размножителей, рассчитанных на воспроизводство ядерного топлива.

Частично проблема нехватки уранового топлива может быть решена вводом в эксплуатацию реакторов на быстрых нейтронах. Одной из наиболее актуальных инженерных задач развития перспективной атомной энергетики в этом направлении является применение жидкого металла (ЖМ) в качестве теплоносителя или рабочей среды. ЖМ обладают высокой молекулярной теплопроводностью, что обеспечивает лучшие теплопередающие свойства, удовлетворяют специфическим ядерно-физическим и теплогидравлическим требованиям в отношении тепловых и ядерных свойств, предъявляемым к энергетическим реакторам на промежуточных и быстрых нейтронах.

На уровне демонстрационных и опытно-промышленных установок из жидких металлов пока применялся только натрий [4],[5]. Это реакторы БН-350 и БН-600, Phoenix и Super-Phoenix PFR, SNR-300, Monju. Полученный к настоящему времени положительный опыт эксплуатации натриевых быстрых

реакторов, включая весь спектр ремонтных технологий, показывает, что натриевая технология освоена как с точки зрения обеспечения высокого уровня безопасности, так и работоспособности ядерных энергетических установок и вышла на этап коммерциализации.

Практический опыт использования тяжелых жидких металлов (свинец, свинец-висмут) хотя бы на экспериментальных реакторах энергетического класса практически отсутствует. К настоящему времени имеется опыт применения теплоносителя свинец-висмут на реакторных установках атомного подводного флота. Что касается использования свинца-висмута для АЭС, то проводятся НИОКР и разрабатывается российский проект установки с быстрыми реакторами СВБР-100 с использованием свинца-висмута и проекты установок БРЕСТ-ОД-ЗОО (Россия), SSTAR (США) и ELSY (Евросоюз) со свинцовым теплоносителем.

Радикальным решением проблем атомной энергетики и энергетики вообще мог бы стать термоядерный реактор. Действительно, получение энергии из смеси дейтерия (получаемого из воды) и трития (получаемого например, из лития) отводит на задний план проблему нехватки урановой руды.

В этой связи особый интерес представляют собой жидкие металлы, ведь наряду с решением задачи отвода тепла, при использовании литий содержащего ЖМ возможна наработка трития. Одним из вариантов термоядерного реактора является токамак. Токамак - устройство для осуществления реакции термоядерного синтеза в горячей плазме, причем плазма создается в тороидальной камере, и ее стабилизирует, удерживая от касания стенок, магнитное поле.

С начала 1970-х годов системы токамаков заняли лидирующее положение в исследованиях по УТС во всём мире [6]. В 1970-е годы закончено сооружение крупных установок, а именно Т-7, Т-10, Т-11 в России, PLT и DIII-D в США, ASDEX и TFR в Европе и др.

В 1980-1990-х годах созданы большие экспериментальные токамаки второго поколения (Т-15 в России, JET и TOR-SUPRA в Европе, TFTR в США, JT-60 в

Японии), предназначенные для изучения плазмы с параметрами, необходимыми для перехода к экспериментальному термоядерному реактору. На них исследованы критерии удержания плазмы, уточнены пределы плазменных параметров и конфигураций.

Поскольку вышеперечисленные установки не достигали промышленных энергетических параметров (в первую очередь по времени удержания плазмы), то они в меньшей степени столкнулись с теплогидравлическими проблемами.

Следующим этапом явилась разработка проекта экспериментального термоядерного реактора, который должен получить плазму с параметрами, экстраполируемыми к параметрам демонстрационного и энергетического реактора, обеспечить длительный ресурс работы при этих параметрах и отработать основные инженерные, технологические и конструкторские решения элементов и систем демонстрационного термоядерного реактора (ДЕМО).

Окончанием этапа явилась разработка Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), завершившаяся в 1998 г. выпуском первого варианта технического проекта в объёме, достаточном для принятия решения о строительстве. В настоящее время ИТЭР является основой термоядерных программ ведущих стран и тесно связан с физическими и технологическими программами в области управляемого термоядерного синтеза.

В данный момент ведется сооружение основных зданий проекта ИТЕР, подготовлен фундамент (Рис. 1.1).

Бланкет и дивертор будут охлаждаться водой. Однако в установке конструктивно предусмотрены сменные узлы тестовых бланкетных модулей (ТВМ), служащие для наработки трития в процессе работы. Некоторые из проектов ТВМ-модулей предусматривают ЖМТ, например НС1Х [7], ЭСЬЬ [8], 1ХСВ [9], 1л/У [10] (Рис. 1.2).

Рис. 1.1. Строительство реактора ИТЕР, декабрь 2012 г. Credit © ITER Organization, http://www.iter.org.

Параметры ИТЭР, хотя и позволят провести испытания основных систем и компонентов энергетического термоядерного реактора, всё же недостаточны для получения полной базы данных и отработки режимов работы, необходимых для начала его строительства.

Следующим этапом на пути создания энергетического реактора будет демонстрационный реактор ДЕМО, концептуальные проекты вариантов которого прорабатываются в настоящее время всеми ведущими странами. Строительство ДЕМО возможно в 20—30-х годах текущего века в зависимости от успехов программы ИТЭР. ДЕМО будет призван показать коммерческую успешность термоядерного реактора типа токамак. На данный момент не существует единой концепции его охлаждения. Существуют проекты, учитывающие полное [11] либо частичное [12] жидкометаллическое охлаждение.

Существуют значительные трудности в подборе материалов, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым реализуемыми в реакторе ДЕМО условиями. Даже опыт эксплуатации установки ИТЕР, по-видимому, будет недостаточен, и потребуется применение специальных экспериментальных стендов для создания условий, приближенных к условиям ДЕМО [13].

Помимо задач создания энергетически выгодного ТЯР в Российской Федерации была выдвинута концепция реактора токамака в качестве термоядерного источника нейтронов (ТИН) [14].

Токамак в качестве ТИНа может работать при существенно более низких параметрах, на данный момент уже достигнутых экспериментальными установками. ТИН послужит для замыкания топливного цикла атомной энергетики. Применение технологических нейтронов налагает на устройство ТИН дополнительные ограничения (теплоноситель не должен замедлять нейтроны), что делает применение ЖМТ еще более привлекательным.

Рассмотрим подробнее конструкцию ТВМ модулей ИТЕР (Рис. 1.2). Концепции НС1Х и ОСЬЬ также рассматриваются для применения в проекте ДЕМО.

МП воздействует на течение ЖМТ, что может приводить к катастрофическому росту сопротивления течению [15]. Необходимо обратить внимание, что все вышеперечисленные теплообменники предусматривают течение ЖМТ поперек линий магнитной индукции.

Воздействие МП на течение жидкости в условиях сильных тепловых потоков неоднозначно и не сводится только к подавлению вторичных течений и турбулентности. В поперечном магнитном поле при этом возможно образование опасных пульсаций температуры термогравитационной природы [16],[17].

осьь

РЬ-17Ыкл> сЫлп«1|

| ЯШМ» "][■

!

К

РЪ-171| оиМ гтилйок!

РЬ-171.1 1пШ ттМЛ

нсьь

РЪЬ оиМ

Рис. 1.2 Принципиальные конфигурации ТВМ-модулей ИТЕР.

Гидравлические потери можно снизить до приемлемой величины за счет рационального выбора формы сечения теплообменных каналов, обеспечения электроизоляции [18] стенок от ЖМ, реализации опускного течения (для того чтобы пространственно разнести области высокого весового и статического давления), снижения скорости потока.

Однако разумное расположение теплообменных каналов способно полностью исключить вышеперечисленные негативные эффекты, проявляющиеся в магнитном поле.

В реакторе типа токамак наилучшим с точки зрения минимизации гидравлического сопротивления является наклонное расположение каналов, так, чтобы течение осуществлялось вдоль вектора суммарного магнитного поля (суперпозиции тороидального и полоидального полей). В достаточно крупных энергетических реакторах, например в проекте ИТЕР, результирующее поле располагается под углом 11 градусов к горизонту [19].

В более компактных реакторах, например некоторых проектах ТИН, наклон результирующего вектора может достигать 30-45 градусов.

В продольном МП в условиях сильных тепловых потоков существенна взаимная ориентация векторов скорости и вектора силы тяжести. Так, в вертикальной трубе влияние продольного МП и термогравитационной конвекции (ТГК) приводит к появлению пульсаций температуры низкой частоты и большой интенсивности [20],[21]. В горизонтальной трубе в продольном МП наблюдается существенная неоднородность температуры по периметру сечения трубы, а также в некоторых режимах пульсации температуры аномально высокой интенсивности [22],[23].

Все эти эффекты весьма неблагоприятны для материала стенок теплообменных каналов. Вопрос о том, какие из этих эффектов и в какой степени проявятся в наклонных трубах, представляет собой содержание данной работы.

Неоднозначность МГД взаимодействия требует проведения экспериментов для подтверждения теоретических расчетов, создания расчетных формул для проектирования.

Диссертация объемом 168 страниц, состоит из введения, пяти глав, заключения, содержащего основные выводы по работе, и одного приложения. Список цитируемых источников составляет 84 наименования.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации.

^ В первой главе рассматривается современное состояние вопроса о воздействии ТГК на теплообмен металлических жидкостей при течении в каналах, а также влияние продольног�