Теплообмен жидкого металла в канале применительно к проблеме создания термоядерного реактора-токамака тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

ШПАНСКИЙ Юрий Сергеевич

ТЕПЛООБМЕН ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В КАНАЛЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРОБЛЕМЕ СОЗДАНИЯ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА - ТОКАМАКА.

Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА 1996

Работа выполнена на кафедре Инженерной теплофизики Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор СВИРИДОВ В.Г.

Официальные оппоненты:"

- доктор технических наук, профессор

КРАСИЛЬНИКОВ Е.Ю. -доктор технических наук, профессор ПОЛЯКОВА.®.

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова (НИИЭФА).

Защита диссертации состоится « 20 » декабря 1996 года в 14 часов на заседании диссертационного совета К 053.16.02 в Московском энергетическом институте по адресу: Москва, Красноказарменная улица, дом 17, каф. ИТФ, корпус Т, 2-й этаж, комн. 206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 111250, Москва, Е-250, Красноказарменная улица, дом 14, Ученый совет МЭИ.

Автореферат разослан « 18» ноября _1996 года

Ученый секретарь Я

диссертационного совета Уу

К 053.16.02 к.ф.-м.н., доцент ^ МИКАВ.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы.

Одним из наиболее перспективных направлений развития энергетики геляется управляемый термоядерный синтез. В последние годы в этой >бласти достигнут значительный прогресс. Большинство проектов термоядерных реакторов основано на установках типа токамак. Эти уста-товки на сегодняшний день являются наиболее изученными и позволяют з принципе осуществить реакцию термоядерного синтеза.

Жидкие металлы (ЖМ) рассматриваются как весьма перспективные теплоносители в реакторе-то камакеГблаго даря хорошим теплофизиче-:ким свойствам, низкому давлению паров, радиационной стойкости. Они могут быть использованы для охлаждения таких энергонапряженных устройств токамака, как бланкет, первая стенка, дивертор. Кроме того, если в качестве теплоносителя используется литий или литийсодержа-щая эвтектика (например РЬрз), то жидкий металл может служить материалом для воспроизводства трития. Вследствие этого исследование течения и теплообмена жидких металлов в сильных магнитных полях является актуальной задачей. Однако у жидкометаллических теплоносителей есть существенный недостаток: вследствие МГД-взаимодействия гидравлические потери при прокачке жидких металлов поперек силовых линий магнитного поля резко возрастают. Для уменьшения воздействия этого эффекта в ряде проектов термоядерных реакторов направление движения теплоносителя параллельно силовым линиям тороидального магнитного поля, то есть жидкий металл движется в горизонтальном направлении.

Течение и теплообмен жидкого металла в реакторе-токамаке будет происходить в весьма сложных и специфических условиях. В связи с этим исследования влияния магнитного поля на гидродинамику и теплообмен при турбулентном течении электропроводной жидкости представляют собой большой теоретический и практический интерес для термоядерной энергетики, а также для ряда других новых отраслей техники. Решающая роль в этих исследованиях отдается эксперименту ввиду сложности теоретического решения проблем, связанной с незамкнутостыо дифференциальных уравнений, описывающих процесс турбулентного МГД-те-чения и теплообмена.

Разумеется, смоделировать в условиях лаборатории МГД-течение жидкого металла на уровне параметров и пространственных масштабов, характерных для термоядерного реактора, практически невозможно. Поэтому можно говорить лишь о той или иной степени приближения

данных лабораторного эксперимента к условиям токамака, о попытках научно обоснованных прогнозов закономерностей гидродинамики и теплообмена, о возможностях использования этих прогнозов при проработке технического проекта реактора.

Целью данной работы является проведение экспериментальных исследований полей температур, коэффициентов теплоотдачи, статистических характеристик пульсаций температуры в горизонтальной трубе при неизотермическом течении жидкого металла в продольном магнитном поле (ПМП).

Научная новизна. Впервые исследованы характеристики теплоотдачи в горизонтальной трубе в ПМП в условиях существенного влияния массовых сил различной природы: электромагнитных и гравитационных. В сечении трубы обнаружены зоны улучшенного и ухудшенного теплообмена. Впервые измерены статистические характеристики пульсаций температуры (интенсивности, корреляционные функции и спектры) по всему сечению трубы и влияние на них продольного магнитного поля и термогравитационной конвекции (ТГК).

Практическая ценность работы состоит в том, что в результате выполненных автором исследований разработаны расчетные рекомендации для использования при проектировании энергетических установок с жидкометаллическим охлаждением. Разработанная методика измерений в потоке ЖМ и обработки экспериментальных данных может быть использована в различных областях науки и техники. Результаты работы использовались при проектировании термоядерного реактора в Российском научном центре «Курчатовский институт».

На защиту выносятся:

• результаты экспериментальных исследований полей температур, коэффициентов теплоотдачи, статистических характеристик пульсаций температуры в потоке жидкого металла при воздействии сильного магнитного поля и термогравитационной конвекции;

• разработанные рекомендации по расчету различных характеристик теплообмена жидкого металла применительно к созданию новых энергетических установок.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались:

1. На международном научном семинаре по магнитной гидродинамике жидких металлов в Университете Токио, Япония, 1992.

2. На конференции «Турбулентность, тепло- и массообмен» в Лиссабоне, Португалия, 1994.

3. На 18-м «Симпозиуме по термоядерной технологии» в Карлсруэ, Германия, 1994.

4. На «Первой национальной Российской конференции по теплообмену» в Красногорске, 1994.

5. На международной конференции по магнитной гидродинамике, Рига, Латвия, 1995.

6. На международном форуме по тепломассообмену, Минск, 1996.

7. На 19-м «Симпозиуме по термоядерной технологии» в Лиссабоне, Португалия, 1996.

8. На нескольких международных семинарах, проведенных на кафедре Инженерной теплофизики МЭИ с участием ученых из США, Японии, Германии.

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в научно-технических отчетах и публикациях [1—8].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из шести глав и заключения, библиографического списка из 70 наименований. Общий объем — 112 страниц, включая 45 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе (Введении) показано значение работ по управляемому термоядерному синтезу в рамках перспективного развития энергетики, говорится о достоинствах и недостатках жидкометаллических теплоносителей применительно к созданию реактора - токамака, рассматриваются возможные конфигурации течения, обосновывается важность экспериментального исследования течения и теплообмена жидких металлов. Определены цель, научная новизна, практическая ценность работы. Кратко изложены основные результаты.

Во второй главе рассмотрены дифференциальные уравнения МГД-теплообмена. Отмечается, что система уравнений турбулентного МГД -течения и теплообмена является незамкнутой. Определены безразмерные критерии, влияющие на процессы гидродинамики и теплообмена при течении жидких металлов в магнитном поле. Показано, что воздействие массовых сил различной природы — электромагнитных и термогравитационных — на течение и теплообмен жидких металлов в этих условиях является избирательным по отношению к различным компонентам ос-редненных и пульсационных характеристик потока.

В третьей главе рассмотрено современное состояние исследований по данной проблеме. По итогам обзора можно сделать следующие выводы:

1. Многими авторами подробно исследовано влияние магнитного пол различной ориентации на гидродинамику при изотермическом течени жидких металлов. Как поперечное, так и продольное поле подавляе турбулентность. Поэтому в случае продольного поля коэффициент! гидравлического сопротивления уменьшаются с ростом магнитного пол и стремятся к ламинарным значениям. Однако, в случае поперечноп поля, вследствие МГД-эффектов гидравлические сопротивления резю возрастают, особенно при наличии электропроводных стенок.

2. Достаточно подробно исследован теплообмен при течении жидки: металлов без магнитного поля и без влияния свободной конвекции н< течение. Получены достаточно надежные соотношения для расчета ко эффициентов теплоотдачи.

3. В литературе содержатся результаты исследования совместной влияния термогравитации и продольного магнитного поля на опускно» течение и теплообмен жидких металлов. Было обнаружено два эффекта с одной стороны — возможность интенсификации теплообмена, с друго> стороны — наличие в пристенной области потока пульсаций температуры аномально высокой интенсивности, что является неблагоприятны!* эффектом.

4. Рядом исследователей изучено влияние термогравитации на течение и теплообмен в горизонтальных трубах неметаллических жидкостей с числом Прандтля Рг > 0,7. Обнаружена сильная асимметрия профилей скорости и температуры. Локальные коэффициенты теплоотдачи значительно изменяются по периметру трубы. Возникает вторичное свобод-ноконвективное движение в плоскости, перпендикулярной оси трубы.

Вместе с тем:

• не проводились исследования теплообмена при воздействии термогравитационных сил на течение жидких металлов (Рг « 1) в горизонтальных трубах;

• тем более нет исследований по совместному влиянию приложенного магнитного поля и термогравитационной конвекции на гидродинамику и теплообмен при неизотермическом течении жидких металлов в горизонтальных каналах;

• неизвестны теоретические исследования подобных процессов.

Поэтому стоит задача проведения таких исследований.

В четвертой главе формулируется постановка задачи по проведению исследований теплоотдачи, температурных полей и статистических характеристик турбулентных пульсаций при течении жидкого металла в горизонтальной трубе в продольном магнитном поле. Изложены требо-

вания к экспериментальной установке и методике проведения эксперимента.

В пятой главе приводится описание экспериментальной установки (рис. 1).

~220

Рис. 1. Экспериментальная установка. 1 - рабочий участок; 2 - соленоид; 3 - дифманометр; 4 - расходомер; 5 - холодильники; 6 - вентиль; 7 - резервуар с ртутью и насос; 8 - бак постоянного уровня; 9 - генератор; 10 - автотрансформатор; 11 - зонд.

Рабочий участок 1 расположен горизонтально и проходит по оси соленоида 2. Соленоид набран из 60 медных спиралей, охлаждаемых водой и помещенных в цилиндрический корпус. Длина обмотки соленоида составляет 700 мм. Это позволяет создавать постоянное однородное (с точностью 5%) магнитное поле с индукцией до В = 1.1 Тл в трубе рабочего участка на длине около 30 калибров.

Рабочий участок представлял собой круглую трубу из нержавеющей стали длиной 2 м, внутренним диаметром 19 мм и толщиной стенки 0,5 мм. Внутренняя поверхность трубы полировались чугунными притирами. Рабочий участок состоял из теплообменного участка и предшествующего ему участка гидродинамической стабилизации длиной 60 калибров. Уча-

сток был оборудован ленточным нагревателем с бифилярной намоткой, длиной 42 калибра. Среднемассовые температуры на входе и выходе рабочего участка измерялись хромель-копелевыми термопарами. На нагревателе установлены тепломеры для учета тепловых потерь. Плотность теплового потока на стенке трубы определялась по формуле:

(1)

где U - напряжение на потенциометрических отводах нагревателя; I — ток в нагревателе; d — внутренний диаметр трубы; L — длина зоны обогрева; даог — плотность теплового потока потерь; х — продольная координата.

Температурные измерения в потоке ртути проводились зондовым методом, с помощью микротермопар. Миниатюрный королек хромель-копелевой термопары приварен изнутри к герметичному нержавеющему чехлу термокабеля, наружным диаметром .OJ25. мм. Термопара вводилась в поток с помощью подвижного зонда рычажного типа, позволявшего проводить измерения в одном сечении трубы в произвольной точке потока.

Измерения проводились при следующих параметрах: число Рейноль-дса Re = 6 • 103...5 -104 (то есть течение без магнитного поля было турбулентным), число Гартмана На = 0...450, тепловой поток на стенке qc = 5 103...5,5 104 Вт/м2.

При этом соотношение Raq/Re = 0...120 соответствовало условиям термоядерного реактора.

При исследовании теплоотдачи и статистических характеристик в турбулентном , потоке жидкого металла использовалась автоматизированная система научных исследований (АСНИ). АСНИ создана в лаборатории на базе аппаратуры фирмы «Хьюлетт-Паккард», дополненной рядом отечественных приборов, в том числе специально изготовленных для данных экспериментов. При исследованиях пульсаций температуры вычислялись: автокорреляционные функции К(т); частотные спектры G(f) пульсаций температуры. Значения интенсивности температурных пульсаций определялись как квадратный корень из дисперсии, то есть из значения автокорреляционной функции К(г) при г = 0.

В ходе экспериментов были подробно измерены поля температуры в сечении трубы и коэффициенты теплоотдачи для различных режимов при наличии и отсутствии магнитного поля. Безразмерные местные коэффициенты теплоотдачи определялись по формуле:

Яс (1

' X (Тс-Тк)

где X - коэффициент теплопроводности жидкости, Тс - температура стенки в определенной точке поверхности трубы, Гж - среднемассовая температура жидкости в данном сечении, определяемая из теплового баланса.

Температура стенки Гс определялась экстраполяцией на стенку показания термопары Т-щ в момент касания ею стенки.

<5

г_г О)

Тс=Ттп +

где 3 = 0,25 мм - толщина носика термопарного зонда.

Такой способ определения температуры стенки позволяет исключить погрешность, связанную с термическим контактным сопротивлением «жидкость-стенка».

В шестой главе приводятся результаты экспериментов и проводятся их обсуждение и анализ.

В первой серии экспериментов были исследованы поля температур и коэффициенты теплоотдачи в потоке жидкого металла в горизонтальной трубе при совместном воздействии ПМП и ТГК. В этих исследованиях была выбрана сетка режимов с набором фиксированных параметров течения Не, На, теплового потока <7С. Все измерения проводились в одном сечении трубы, удаленном на расстояние 32 калибра от начала обогрева и 25 калибров от входа потока в ПМП.

Обработанные результаты одного из режимов представлены на рис. 2. Безразмерная температура представлена в форме:

в(к) = ¿(гсшх-ЦЛ)) (4)

где Гс тах — максимальная температура стенки трубы; К — безразмерный радиус в горизонтальной или вертикальной плоскости (х/го или у/г о).

Обработка в виде в (К) общепринята для осесимметричных полей температур. Это позволяет сопоставлять изучаемые профили для различных значений режимных параметров, так как вблизи стенки 6(1) = 0. Кроме того, такая обработка позволяет оценивать величины коэффициентов теплоотдачи по высоте графика в(Я). Однако в нашем случае,

Re =32000; <? = 35кВт/м2; Grq = 7.2-107; Raq=1.9106 o-Ha = 0; д-На= 150; □ - Ha = 300;

Рис. 2. Профили температур в горизонтальной (а), вертикальной (б) плоскостях, локальные коэффициенты теплоотдачи (в) при одинаковых Re и тепловых потоках и различных На.

когда температура стенки Тс не является постоянной величиной по периметру трубы, графики в (Л) выглядят непривычно, так как 0(R) на стенке обращается в 0 только в одной точке — вверху трубы. Поэтому графики профилей температур в горизонтальной плоскости начинаются с ненулевого значения на стенке. На этих же рисунках пунктиром показаны профили температур, рассчитанные по интегралу Лайона.

На рис. 2в представлены локальные безразмерные коэффициенты теплоотдачи в данном сечении по периметру трубы. Пунктиром показаны числа Нуссельта, рассчитанные по формуле Лайона:

1Чи = 7 + 0,025Ре°'8, (5)

а также ламинарное значение Ыи = 4.36. На графике 2в значение угла а = 90° соответствует верхней части трубы, а 270° - нижней.

При измерении профиля температур обнаружилось сильное влияние свободной конвекции. В вертикальной плоскости профили температур оказались сильно несимметричными. Температура стенки в верхней точке сечения трубы выше, чем в нижней. Причем эта неоднородность заметна даже при малых значениях параметра Иач. При наложении продольного магнитного поля разность между значениями температуры вверху и внизу трубы увеличивается (рис. 26). Минимум температурного профиля в вертикальной плоскости (максимум в выбранных безразмерных координатах), который при отсутствии свободной конвекции должен быть в середине трубы (Я = 0), смещается вниз. При наложении продольного магнитного поля это смещение увеличивается. При больших и сильном продольном магнитном поле координата минимума профиля температур может достигать значений К = 0,6...0,7.

В горизонтальной плоскости профили температур также сильно деформированы (рис. 26). При относительно небольших Йад/Яе - они уплощаются, а при увеличении этого параметра & 35) профиль

становится М-образным (рис. 2а). Это можно объяснить тем, что при нагревании жидкости плотность ее у стенки становится меньше, чем в ядре, и, вследствие действия сил плавучести, возникает восходящее движение жидкости. В ядре потока температура ниже, следовательно жидкость движется вниз. Таким образом образуются два вихря, закрученных в противоположные стороны. Такая ситуация вполне согласуется с общепринятыми представлениями о характере теплообмена в горизонтальных обогреваемых трубах в условиях термогравитационной конвекции. Это приводит к значительной деформации поля температур (рис. За, 36). При наложении продольного магнитного поля профили температур еще более вытягиваются, а вихри начинают образовываться при меньших значениях Нац/йе. Разница температур в верхней точке сечения трубы и в нижней существенно увеличивается при наложении магнитного поля. Так, для режима Ие = 5-104 и = 3,5 104Вт/м2 эта разница при отсутствии магнитного поля приблизительно в два раза меньше, чем при На = 450. Обнаружено, что поток «подстраивается» под воздействие внешнего ПМП. Это проявляется в том, что по мере увеличения ПМП его воздействие сначала велико, а потом, при дальнейшем увеличении поля, его влияние становится относительно меньше. Такое «насыщение» воздействия ПМП связано с завершением формиро-

11е ■ 32000 4= 15000 Вт/м2 Кач»1,9 106 На=0

а

1*6=10000 <7= 15000 Вт/м2 Кач-1,9-106 На = 0

б

Не =10000 <7 = 15000 Вт/м2 11а<, = 1,9-106 На = 300

Рис. 3. Поле температур в сечении трубы при относительно небольшом влиянии ТГК(а), значительном влиянии ТГК(б), значительном влиянии ТГК и приложенного магнитного поля (в).

вания продольных вторичных вихрей, которые, как известно, почти не взаимодействуют с продольным магнитным полем. Эффект «насыщения» позволяет говорить о возможности экстраполяции экспериментальных данных на большие числа На, характерные для термоядерных реакторов.

Эффект неоднородности температуры стенки по периметру необходимо учитывать при проектировании энергетических установок, так как он может повлиять на распределение термических напряжений в конструкциях. Поле температур для одного из режимов с сильным влиянием термогравитации и магнитного поля представлено на рис. Зв.

При воздействии свободной конвекции локальные коэффициенты теплоотдачи также сильно изменяются по периметру сечения (рис. 2в). В верхней точке сечения трубы коэффициенты теплоотдачи ниже теоретических, рассчитанных по формуле Лайона (режим ухудшенной теплоотдачи), а в нижней точке - значительно выше (режим улучшенной теплоотдачи). В случае наложения магнитного поля этот эффект существенно возрастает. При этом средние значения коэффициентов теплоотдачи получаются не ниже, чем при отсутствии поля. Известно, что магнитное поле, подавляя турбулентные пульсации, ухудшает теплоотдачу. В то же время наличие вихревых структур в потоке увеличивает коэффициент теплоотдачи. Наложение этих двух процессов дает в целом некоторое увеличение коэффициентов теплоотдачи.

Экспериментальные данные для безразмерных температур (величин, обратных значениям числа N11) на верхней и нижней образующих трубы изображены на рис. 4 и 5. На рис. 4 показано влияние ТГК при отсутствии ПМП, а на рис. 5 — влияние ПМП при фиксированной тепловой нагрузке.

На этих рисунках показаны кривые, построенные по формулам Пе-тухова и Полякова, обобщающим теплообмен при ламинарном течении неметаллических жидкостей в горизонтальных трубах. Интересным и неожиданным результатом настоящих экспериментов является то, что при уменьшении числа Пекле и увеличении магнитного поля локальные коэффициенты теплоотдачи на верхней и нижней образующих при течении ЖМ приближаются к ламинарным значениям для неметаллических жидкостей.

Для обобщения экспериментальных данных по теплоотдаче предлагаются следующие соотношения: 1) для верхней образующей трубы:

\ \ /

1 - ехр

_ Иад'5 (На+800)

2 Ре

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

:©с=1/т1 : - — J

Л 1 1Чи=4.36

■ \ * 025рро.в * к А. ■ © О

* * ★ * * 2 *'' 1 11"

........±--4 ■ I . Р | 3 о А

Ре

Экспериментальные данные:

* Кач = 2,7-10 ■ Иач = 8,1 -105

в Еач = 1,9-10 Ж Кач=2,4-ю6

Д Кач = 1,4 • 10° о Кач = 310°

Формулы Петухова и Полякова для ламинарного течения:

1 - верхняя образующая для Кач = 2,7 • 105 и 3 • 106

2 - нижняя образующая для Иач = 2,7-105

3 - нижняя образующая для = 3 -106

Рис.4. Безразмерные температуры на верхней и нижней образующих трубы в зависимости от чисел Иа при На=0.

2) для нижней образующей трубы:

Эг

Мчииз Ии,

- 0,1

0,05

1 - ехр

(На+200)

(ре + 103)'

(7)

Здесь 1Чит — коэффициенты теплоотдачи для турбулентного течения без влияния магнитного поля и термогравитационной конвекции — рассчитываются по формуле Лайона (5).

0.2

; ©C=i/Nu 1

; 4 * * j Nu=4.36 i — — _

* а * ■025реов t я ▲

* * Я

•••11 1 п 1 1 У Г Т 1 1 1 1 1 1 1 1 1 .........*..... 1 1111 П1М ГП 1 п 1 F 1 У lili М 1 1 1 1 II 1 1 1 1 1 II » Ре У Т ГТ1 1 Т У Т1 1 1 1 1 1 1 I П

800

1200

1600

0 400

Экспериментальные данные:

* На = 0 ■ На = 300

а На = 150 • На = 450

Рис. 5. Безразмерные температуры на верхней и нижней образующих трубы в зависимости от чисел На при фиксиро-

ванном числе Рэлея Кар = 1,9-106. 1,2- кривые Петухова и Полякова, построенные для 13ач = 1,9-10°.

А

з

Для расчета коэффициентов теплоотдачи по периметру трубы предлагаются следующие зависимости:

ф = Ос(<р) - вниз (8)

2 ' ©верх ©низ

в — приведенная безразмерная температура стенки;

<р — угол в радианах, отсчитываемый от нижней образующей.

Коэффициента к в выражении (8) зависнет от чисел Не, йад, На и может быть рассчитан по следующей формуле:

к =

1 + 1>5.103^ ^ _Бе__' Ке

И-0,8103^ Бе2

(9)

1 +

На Ке

Во второй серии экспериментов исследовались статистические характеристики пульсаций температуры. Подробно измерены интенсивности температурных пульсаций по сечению трубы при различных режимных параметрах. Также были получены осциллограммы пульсаций температуры (рис. 6), автокорреляционные функции (АКФ), частотные спектры. Эти характеристики измерялись в характерных точках поперечного сечения трубы: вблизи стенок, в центре потока, в точках максимума интенсивностей температурных пульсаций.

В ядре потока, На = О

4м'

- • И; ■•;>.' :

Л,

НА .«г а ИЩЦ - М-Цй

л Л

/их

В ядре потока, На = 450

V—Ч/Чч /

/

Вблизи стенки, На = 450

Рис. 6. Осциллограммы пульсаций температуры.

На рис. 7 показано распределение интенсивностей пульсаций по сечению трубы. Эксперименты показали, что это распределение сильно неравномерно. При относительно небольших тепловых потоках, когда влияние ТТК на течение невелико, в отсутствие ПМП картина почти

Не = 24000 д = 15000 Вт/м2 На = 0

Рис. 7. Интенсивность температурных пульсаций в сечении трубы.

осесимметрична (рис. 7а). Приблизительно в середине трубы, чуть ближе к низу наблюдается минимум. А при значении координаты R — 0,7 по всему сечению - максимум интенсивностей, значение которого приблизительно в 2 раза больше минимума. При приближении к стенке интенсивность пульсаций резко падает. С наложением ПМП симметрия искажается. При увеличении qc картина без магнитного поля делается несимметричной в вертикальной плоскости. Минимум интенсивности смещается вниз. Кроме того, появляются максимумы, расположенные вверху трубы под некоторым углом к вертикали при координате R ~ 0,7 (рис. 76). Под воздействием поля распределение интенсивностей принимает сложную форму. Вместе с тем минимум интенсивностей пульсаций соответствует минимуму поля температур. Однако, во всех случаях интенсивность пульсаций температуры у стенки значительно ниже, чем в ядре потока (рис. 6) .Таким образом видно, что и ТГК и ПМП влияют на распределение интенсивностей пульсаций при течении жидкого металла в горизонтальной трубе.

ВЫВОДЫ.

Впервые проведены комплексные исследования теплоотдачи и температурных полей при течении жидкого металла в горизонтальной круглой трубе при воздействии термогравитационной конвекции как при отсутствии продольного магнитного поля, так и при его наличии. Конфигурация МГД-течения и соотношение параметров Ha/Re, Raq/Re со значительной степенью приближения соответствовали условиям в бланкете токамака с жидкометал-лическим теплоносителем и тороидальным расположением тепло-обменных каналов.

По результатам исследований можно заключить следующее.

1. Влияние ТГК на течение и теплообмен жидкого металла в горизонтальной трубе весьма существенно. Появляется сильная асимметрия профилей температур в вертикальной плоскости. Экстремум профиля смещается вниз. В горизонтальной плоскости при достаточно больших Raq профиль температуры становится М-об-разным. Воздействие ПМП еще более усиливает эти эффекты.

2. При воздействии ТГК обнаружилась существенная разница температуры стенки в верхней и нижней частях поперечного сечения трубы. Наложение продольного магнитного поля увеличивает эту разницу. Это явление может приводить к дополнитель-

ным термическим напряжениям в конструкциях и его необходимо учитывать при разработке бланкетов термоядерных реакторов,.

3. Значения локальных коэффициентов теплоотдачи сильно из- . меняются по периметру трубы. В верхней части трубы образуется зона ухудшенного теплообмена, а в нижней — улучшенного.. Причем при воздействии ПМП разница между значениями коэф- ,. фициентов теплоотдачи вверху и внизу, возрастает. Этот эффект также необходимо принимать во внимание при теплогйдравличе-ских расчетах каналов бланкетов терлообменных устройств с жидкометаллическими теплоносителями. Для учета этого эффекта предложены расчетные рекомендации (6—9).

4. Обнаружено, что поток «подстраивается» под воздействие внешнего ПМП. Это проявляется в том, что по мере увеличения ПМП его воздействие сначала велико, а потом, при дальнейшем увеличении поля, его влияние становится относительно меньше. Такое «насыщение» воздействия ПМП связано с завершением формирования продольных вторичных вихрей, которые, как известно, почти не взаимодействуют с продольным магнитным полем. Эффект «насыщения» позволяет говорить о возможности экстраполяции экспериментальных данных на бо\ыние числа На, характерные для термоядерных реакторов.

5. Подтверждено, что магнитное поле подавляет мелкомасштабную турбулентность. В общем интенсивность пульсаций температуры при воздействии ПМП несколько снижается. ТГК сильно искажает распределение интенсивностей пульсаций температуры по сечению трубы. Образуются максимумы интенсивностей в верхней части трубы. Минимум интенсивностей смещается вниз, его координата приблизительно соответствует минимуму температуры потока в исследуемом сечении.

6. Неблагоприятный эффект — развитие вблизи стенки низкочастотных пульсаций температуры аномально большой интенсивности — обнаруженный в вертикальной трубе при наличии ПМП и ТГК, в наших исследованиях не проявился. Наоборот, в пристенной области интенсивность пульсаций температуры незначительна как при наличии, так и при отсутствии воздействия продольного магнитного поля. Частота пульсаций около стенок существенно ниже, чем в ядре потока, как при отсутствии магнитного поля, так и при его наличии.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Свиридов В.Г., Шпанский Ю.С. Цой В.Р. Теплообмен жидкого металла при воздействии сильного магнитного поля. // Сборник трудов международного семинара «1992 seminar on Liquid Metal Magnetohydro-dynamics». 13-14 мая 1992 Гакушикайкан, Токио (Япония), Университет Токио (на английском языке), ; ; ;

2. Свиридов В.Г., Шпанский Ю.С. Влияние термогравитационной конвекции и магнитного поля на теплоотдачу жкдкого металла в горизонтальной трубе. // Магнитная гидродинамика: №4, 1993. Рига. Латвия.

3. Свиридов В.Г., Шпанский Ю.С. Лабораторное моделирование теплообмена жидкого металла в термоядерном реакторе токамаке. // Теплоэнергетика , №3, 1994.

4. Свиридов В.Г., Шпанский Ю.С., Разуванов Н.Г. Теплообмен жидкого металла в условиях термоядерного реактора. // Труды международной конференции «Turbulence, Heat and Mass Transfer». 9-12 августа 1994года, Лиссабон, Португалия (на англ. языке).

5. Свиридов В.Г., Шпанский Ю.С., Разуванов Н.Г. Исследование теплообмена жидкого металла. // Труды международного симпозиума «.18th Symposium on Fusion Technology». 22-26 августа 1994 года, г. Карлсруэ, Германия (на английском языке).

6. Свиридов В.Г., Шпанский Ю.С., Разуванов Н.Г. Экспериментальное исследование теплообмена жидкого металла в условиях приближенных к реальным в реакторе токамак. // Труды первой Российской национальной конференции по теплообмену. Том I. 1-25 ноября 1994 года. Москва.

7. Свиридов В.Г., Шпанский Ю.С., Разуванов Н.Г. Исследование теплообмена жидкого металла в горизонтальной трубе в условиях термоядерного реактора типа токамак. // Труды третьего Минского международного форума по тепломассообмену. Том I, Часть 2, 20-24 мая 1996 года, Минск.

8. Свиридов В.Г., Шпанский Ю.С., Разуванов Н.Г., Устинов A.B.

Теплообмен и вторичное движение в потоке жидкого металла в горизонтальной трубе в условиях термоядерного реактора. // В сборнике докладов международного симпозиума «Book of Abstracts 19th Symposium on Fusion Technology». 16-20 сентября 1996 года, Лиссабон, Португалия.

Псч- f:Z5___Ти^яж/^ Заказ С///

Типография МЭИ. Красноказарменная, КЗ.