Зысин В.А. - Вскипающие адиабатические потоки

ВСКИ ПЗЮЩИ8 З,Д,И~ба ~кНЫЕ ПОТОКИ Пон обн~ей редакцией доктора техннкеских наук профессора В. А. ЗЫСИНА МОС|хВА ЛТОМНЗДАТ 1976 УДК 632.6+63йой23.18 Вскипающие адиабатные потони. 61., Атомиздзт, 1676, с. 102 !Авт, Зыспн В. Д.. Баранов Г. А., Бпрвловнч В.

А, Парфеиоьзз Т, Н.) В юп!ге рассматриваются пропессы адиабатпого истечения вскиваюшгж потоков и основные особенности ит применения в ядерной энергетике и других областях техника. Приводится общий теоретический анализ пронесса н вводится упрощающие допушензя, необходимые дл! разработки инженерных методов расчета На основании абра. ботки результатов собственных экспериментов н данных других заторов анализируютсн основные пронесем истеченя сзнопспзршошейся жидкости н, в частности кризисные пелевин. Деютса рысомендаиии по расчету и проектированию сопл н насадкоз, а также разгоаных устройств и турбин, работающих на самонспаряюшейся жидкости. Книга рассчитана на инженеров, зшикипюшнхся гр:!- и.тпровзкием н исследованием устройств.

связаинык с истечением самонсиаряюшейся жидкости, з также от»кентов старших курсов агузов, Табл. -. г. Рпс. — 41. Бпбь!огр, нозн. -- Ий 30316 — 060  — — 66 — 76 034(01) — 76 Ю Атомиздат, 1976 Владимир дроновы» Зьгсин, Геннодмгу ддгксгеои» Баранов, йдпдпжир Ангононпе Барнловпч, 7аждра Ниаибгоровна Пар4~еноеа ВСКИИАЮШНЕ АДИАБАТНЫЕ ПОТОКИ Атоннадат Москва, 40ЮЗ!. К-3!, ул.

Жданова, 0. яосксаспея тпгогрьфпя уа 0 Союаполнграфпроча прн ! осударствеююм коынтстг сонета дгнннстгов сс.ср по делан педательств, полнгрнфнп н ьнндноп торг~ вал н9000, Москва. Ж 00, Вужпопортоная ул,, 24. Редактор О. А. Степанкова Художествснныа репах~ар А. Т. Кирьяков Худо:»ннк Б. Рябыпгев технв»ескпа редактор и. И. ИоАюебяквк Корректор О. Р. Харламова Спапс В «абОР !О/гх !9!9 Г ПОДПВСапО К ПЕ»атя 2ЦХ! !У О Г.

Т !Уж . ООРМат 00: эеин. Буьжга тн!юграфская Ка 2. Уст. печ. л. 93. У»..ньд. л. 9.4!. Тпраж Пие ьке. Туева 94 коп Зак. ньд, жсоб Зак, тйгь 4024, ПРЕДИСЛОВИЕ Изучение потоков насыщенного пара до недавнего времени определялось развитием влажно-паровых турбин, в которых расширение происходит вблизи верхней пограничной кривой. Задачи ядерной энергетики придали актуальность вопросам истечения вскипающих потоков, образующихся при расширении жидкости от нижней пограничной кривой. Это связано с анализом аварийных режимов работы ядерных реакторов, жидкометаллическнх МГД-преобразователей энергии и некоторых других элементов оборудования. Кроме того, истечение вскипающей жидкости и динамика образующихся при этом потоков «высоковлажного» пара представляют интерес и для ряда других областей техники, в частности для ракетостроения н геотермальной энергетики.

Механизм образования и движения высоковлажного пара своеобразен и радикально отличается от закономерностей, характерных для маловлажного пара. Здесь резко возрастает роль метастабпльности и скольжения фаз. Необычный характер приобретают кризисные явления. Поэтому ннженериыс методы расчета ие могут быть созданы на основе существующего аппарата газодинамики, Неудачными оказались также попытки непосредственного применения термодинамики гомо- генных парожидкостных потоков. В данном случае, например, расхождения между теоретическими и действительными расходами достигали сотен процентов. В результате расчетные рекомендации опирались на чисто эмпирические зависимости. Многие наблюдавшиеся явления не поддавались физическому объяснению. Анализ новейших опытных данных показал, что при истечении вскипающей ~самонспаряющейся) жидкости в начальном участке канала формируется двухслойная структура потока.

У стенок образуется двухфазный поток, в центре движется сплошная струя метастабильиой жидкости. Эта структура иногда сохраняется вплоть до выходного среза канала. Опытные данные свидетельствуют о том, что пристенный поток оказывается достаточно близким к равновесному. В результате создаются предпосылки для применения термо- динамических методов исследования, учитывающих описан" пую выше структуру реального потока. Этн методы окажутся, очевидно, э;рфектнвными и для тех случаев, когда процесс парообразованпя распространится на все сечение канала и в нем образуется сплошной гомогенный поток.

В других сдучьях возможен разрыв центральной сгруи на крупные капли вследсгьие взаимодействия с периферийным двухфазным пояском. Однако и прн этом может оказаться целесообразной упрощенная модель анализа двух спутных одномерных струй. В иастоящей книге, преследующей прежде всего задачи получения данных для расчета и проектирования, преимуществечпое внимание уделено термодинамическим методам анализа. Эти методы, учитываюшпе отмеченные особенности реального потока, могут обеспечить получение наиболее простых расчетных решений н объяс1шть некоторые своеобразные закономерности, обнаруженные различными эксперимептаторамн.

Ванду использования термодпнамических методов в книге усовершенствованы и упрсшены приемы расчета паро>кидкостных потоков. Основное внимание уделено вопросам истечения саманспаршощейся жидкости нз сопл и насадков. В то же время поставлены некоторые вопросы, которые в дальней. шем .ясгут приобрести сушественный практический интерес. Здесь речь идет прежде всего об использовании вскипающих погоков в качестве рабочего тела энергетических установок.

Книга о'ковывается на комглексе работ, выполненных на к-федре тесрсгических основ теплотехники Ленинградского ордена Ленина политехнического института нм. М. И. Калинина (ЛПИ). Помимо авторов книги в этих работах прнпималп участие Ш, — Б. Б. Батуев, Б. Е. Иванов, Ф. Р, Латыпов, Л. К. Первушин, Г..А. Попов и Р. С. Халитов. Наряду с собственными опытными данпымп авторы стремились возможно полнее отразить доступный экспериментальный материал других исследователей. Как уже отмеча,чось, современный этап изучения адиабатпых вскипаюшпх потоков заставил отдать предпочтение термодинамическим методам анализа.

Эти методы, по-видимому, сохранят свое значение и в дальнейшем для выяснения общих закономерностей исследуемых процессов. Однако, бесспорно, что конечной целью является внедрение в инженерную практику приемов расчета, основанных на всестороннем газодинамическом анализе, В книге использована система СИ. Однако ввиду того, что зва штельная часть опытных данных в свое время была обработана в системе МГКС, экспериментальный материал представчеи нами в этой системе (1 Н/из=10,2 1О ' кГ1сыз1.

Лвторы кшггп с благодарностью примут от читателей указания иа е дс татин н рекомендации пс улучшению книГН. Авторы ОСНОВНЫЕ ОЬОЗИЛЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ Обозна ° синя: а=1 г ~ — р- ! — местная скорость звука / ° )р р! ! — удельные нзобзрная и нэохорнзя теплоенкостн -. дпанстр канала — плопгзхь сеченая канала, для,твухслойной ыо. леля †до сечення канала, занятая однны !ы потоков — площадь поверхности стенок канала — ускоренне свободного валеная — весовой расход -удельная энтальпчя — удельный импульс — показатель язоэктропы, отноиенпе скоростей пассивного и акгпвного агентов — удельная работа -- улстьнзя работа спл трения — чнсло Маха — степень нетастабяльяостн ~к н Юм Юк 'сер г П о — относптельное давленне гп наосовый расход р давленне Π— узельное количество теплоты, удельный тепловой поток О -- количество теплоты И . - газовая постоянная, реахпня стр>".г .

з;ппы!зльный ралнус капля пузыря г "- утельняя тепло-,а парообразован!гя :: †.! ельная энтропня т — .темпера!уча Цельсия Т вЂ” абсолютная температура п -- удельная внутренняя зверю я, коэффнпнент ннжекпнн - — удельный объем — скорость жндкой струи - — скорость струн перед фронтон затя!паяня -- грелельная скорость струи перед фронтон ззкнпання , „ — крнтнческая скорость потока прн расгяпреппн от ннжкей пограниьпой крпвой †дли, продольная ось канала — коэффяпнент теплоотдачи — безразл~еркак скорость Индексы: нр черта над буквой нк рс н.

с в., й7„ т) ыч Х' кр д Р т Ф=ры ( 2 (вверху) ' (вверху ) (вннзу ) 0 (внязу) ср (внизу ) кр (вин ау) — критическое отношеяне давлений . — начальный оедогрев жндкостн — квэффиииент нонсенс~о лсйсганя (КПЛ) — дннамнческая вязкость, коэффинненг расхода — козф(мшнент тенлопроводностн — плотность — время — удельный расхол жидкость — газ, влажный нар — сухой насыщенный пар — насышенная жядкость — нараметры насышення, нзоэнтрока — параметры полного торможения — параметры на срезе канала — параметры в крнтнческом сечении, параметры в хрнтнческом состоянии ве.

нества — нротиводавленне, предельный режем — усредненкая величина — ннверсвя — разгонное совло — налорное солло Глава 1 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ ПОТОКА ВЫСОКОВЛАЖНОГО ПАРА й 1,1. Квазиравновесиый поток высоковлажного пара Исследование простейшей модели парожидкостного потока предполагает возможным наделить его свойствами гомогенной среды. При этом смесь рассматривается как некоторый квазяконтииуум, характеризующийся усредненнымп параметрамп.

Такой метод эффективен лишь в тех случаях, когда распределение фаз по сечению канала равномерно и существует практическое равновесие между ними. Нарушение этих условий может приводить к резким расхождениям с опытом. Предпосылкой всякого углубчениого изучения парожнд. костных потоков является термодинамический анализ, позволяющий оценить свойства среды, а в некоторых случаях приобретающий самостоятельное значение.

При этом следует подчеркнуть. что применение термодпнамических методов ке требует изучения гомогенного потока как единого целого. Так, в ряде методик расчета эжекторов рассматривается спутпое движение двух взаимодействующих одномерных струй. Правомерно и при анализе двухфазных потоков применить подобную схему процесса, если в сечении канала наблюдается граница резкого изменения свойств движущейся среды. В этом случае возрастут возможности термодннамического метода.

Выяснение свойств гомогенного квазиравновесного потока необходимо для оценки реальных неравновесных течений. Ниже будет показано, что во многих случаях определенные области вскипающего потока могут быть достаточно полно охарактеризованы свойствамп каазиравновесной системы, Одномерный поток характеризует следующая система уравнений, 1 Уравнение энергии, или уравнение первого закона термодинамики, в форме Эйлера а П.1) Ид=г11+Н(гвт/2)+ э <Й;+41, к=и где Ь; — отдельные виды внешней потенциальной энергии, обусловленные действием гравитационных, магнитных н дру- гих полей. В дальнейшем, как правило, будем полагать, что ~" „И;=-О, ири этом (1,!) примет внд для канала с иепо! ° з лвижнымн стенками гй) = Й + г((иР(2), (!.1)' 2. Ураяпсиис первого закона термодинамики в форме Ла- гранжа (1.2) гй! -: ~Ь + )кЬ -- г(1,„.

3. Уравнение второго закона термодинамики и» -ь иг,„ г(з = 4. Уравнение состояния ( (р, и, Т) =- О. 5 Уравнение неразрывности И фа/и) = О. 6. Уравнение количества движения, которос может быть получено яз со .стаиия уравнений (1.1)' и (1.2): их(гв = — ог(Р— Ар (1.6) Для иарожидкостных систем фуикиию уравнения состояния может выполнять одро из следуюигих равенств: (1.7) ДТ т(Π— а) ' с" — с' = Т вЂ” '-- ~(о" -- о') — ~ 1, (1.8) пп НТ ! (1.5) (! О) (1,10) (1.11) о = (1 — - х) о' + хо'; с„= (1 — х) с, + хс,, Для гомогенного квазиравновесного потока местная скорость звука определяется по формуле Лапласа и гх(йр78р) (1.13) ~де с" и с' — теплосмкости соответственно вдоль верхней и ни>коей пограничных кривых.