Автореферат (Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами)

на правах рукописиИВОЧКИН ЮРИЙ ПЕТРОВИЧИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХИ МГД ПРОЦЕССОВ С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ РАБОЧИМИТЕЛАМИСпециальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехникаАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора технических наукМосква – 2015Работа выполнена в ФГБУН Объединенный институт высоких температурРоссийской Академии Наук (ОИВТ РАН)Официальныеоппоненты:Сапожников Сергей Захаровичдоктортехническихнаук,профессор,исполняющий обязанности заведующего кафедрой«Теплофизика, реакторы и котельные установки»ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехническийуниверситет Петра Великого»Павленко Александр Николаевич,доктор физико-математических наук, чл.-корр.

РАН,заведующийлабораториейнизкотемпературнойтеплофизики ФГБУН Институт теплофизики СО РАН.Ячиков Игорь Михайлович,доктор технических наук, профессор, профессор кафедрывычислительной техники и программирования ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный техническийуниверситет им. Г.И. Носова».Ведущаяорганизация:Акционерное общество «Государственный научный центрРоссийской Федерации–Физико-энергетическийинститут имени А.И.

Лейпунского»Защита состоится 18 декабря 2015 г. в 10:00 на заседании диссертационногосовета Д 212.157.04 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250,г. Москва, ул. Красноказарменная, д.17, корп. Т, кафедра Инженернойтеплофизики им. В.А. Кириллина, ауд. Т-206.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеФГБОУ ВО НИУ «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.Автореферат разослан «__» ____________ 2015 г.Отзывы на автореферат (в двух экземплярах) с подписями, заверенныепечатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул.Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ».Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.157.04кандидат технических наукА.К. Ястребов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыСпецифические свойства жидких металлов (ЖМ) – высокие значениятеплопроводности, электропроводности и температуры кипения позволяютуспешно использовать их в качестве теплоносителей в разных областяхэнергетики, например, в атомных электростанциях на быстрых нейтронах, всолнечных МГД - генераторах или в бланкетах проектируемыхтермоядерных электростанций.

Эти же особенные свойства являются главнойпричиной применения ЖМ в компактных высокотемпературныхтеплообменниках. Естественно, горячие жидкие металлы являются основнымрабочим телом в металлургии.В 60 – 80-е годы прошлого столетия был получен обширныйэкспериментальный и теоретический материал по теплообмену игидродинамике в системах с жидкометаллическими рабочими телами,отраженный и обобщенный в нескольких монографиях.

Вместе с тем, в силуряда обстоятельств и, в частности, из-за отсутствия надежныхэкспериментальных методов измерения мгновенной скорости в потокахжидких металлов, многие важные и сложные вопросы были исследованынедостаточно полно.Например, на момент начала наших исследований в литературепрактически отсутствовали количественные опытные данные по структурет.н. электровихревых течений (ЭВТ). Подобные течения имеют место всильноточных технологических процессах, связанных, в частности, сэлектрошлаковой сваркой металлов, а также с их переплавомэлектродуговым и электрошлаковым способами.

Название - электровихревыетечения отражает физическую вихревую природу потока, возникающего врезультате взаимодействия электрического тока, пропускаемого черезрасплав, со своим собственным магнитным полем. В условиях, когдаэлектрический ток неоднородно распределен в жидкометаллическом объеме,электромагнитная сила с разной интенсивностью воздействует на различныеучастки жидкости, вызывая тем самым перемещение расплава.Практический опыт свидетельствует, что электровихревые теченияоказывают заметное влияние на энергозатратность и качество производимогоконечного продукта. В частности, наличие ЭВТ в плавильной ванне приводитк изменению процесса формирования кристаллической структуры призатвердевании жидкого металла, его зернистости и распределениюконцентрации примесей. Поэтому исследования по изучению свойстввозможных гидродинамических структур ЭВТ, а также способов управленияподобными потоками чрезвычайно важны и актуальны.Другое актуальное направление исследований, представленных вдиссертации, связано с изучением применительно к проблеме паровоговзрыва (ПВ) механизмов дробления капель расплава металла в условияхрезкой смены режимов кипения охлаждающей их жидкости.

ПВ –многогранное, сложное и опасное теплофизическое явление, которое может3привести к тяжелым авариям в атомной энергетике и металлургии, посколькунаблюдается, например, при соприкосновении воды с горячим жидкимметаллом. До настоящего времени не полностью изучены практически всестадии парового взрыва, в особенности, процесс его спонтанногоинициирования, связанный с фрагментацией отдельной капли расплава,окруженной паровой оболочкой охладителя. В литературе описано несколькодесятков различных гипотез, посвященных механизму ее дробления, но всеони не в достаточной степени подтверждены опытными данными. Поэтомудля разработки достоверных теорий фрагментации необходима новаяэкспериментальная информация, которая, в частности, может быть полученаметодом физического моделирования, посредством проведения относительнопростых опытов с отдельными как жидкометаллическими каплями, так итвердыми нагретыми телами.Методфизическогомоделированияпроцессов,дополненныйтеоретическими оценками и численными расчетами также продуктивноиспользовать для исследования электровихревых течений.

Основываясь наданном подходе, многие гидродинамические и тепловые закономерностипроцессов с горячими расплавами могут быть изучены на легкоплавкихжидких металлах и сплавах, в качестве которых можно использовать ртуть,индий, галлий, свинец, олово, цинк, а также эвтектические сплавы,созданные на их основе.Вместе с тем, даже в подобных рафинированных условиях возникаютсущественные технические сложности проведения экспериментов, которыеобусловлены отсутствием достоверных методов измерения мгновеннойскорости в жидких металлах. Следует отметить, что к моменту началаисследований (середины 70-х годов прошлого века) в отечественнойлитературе на уровне принципа действия были описаны оригинальныемеханические датчики скорости, использующие для регистрацииперемещенийчувствительногоэлементаволоконнуюоптику.Небезосновательно предполагалось, что данные преобразователи, помимоотсутствия зависимости показаний от внешних электромагнитных помех,могут иметь малые размеры, сочетающиеся с относительно высокойчувствительностью и широким динамическим диапазоном измерений.Однако для корректного применения подобных перспективных датчиков вопытах, в том числе при проведении экспериментов с жидкометаллическимирабочими телами, необходимо детально исследовать их метрологическиехарактеристики, а также разработать достоверные методы восстановленияизмеряемых величин по значениям получаемых выходных сигналов.Цель работы состоит в изучении, в том числе с помощью специальноразработанных волоконно-оптических датчиков, механизмов ряда сложныхтермогидродинамических, а также МГД процессов, протекающих с участиемжидкого металла и важных для атомной энергетики и электрометаллургии.4Для достижения цели решались следующие основные задачи:1.

Разработка на основе волоконной оптики нового метода измерениямгновеннойскорости,предназначенногодляисследованияжидкометаллическихпотоковвусловияхвоздействиясильныхэлектромагнитных полей при умеренных (комнатных) температурах.Апробация метода на задаче об МГД - обтекании цилиндра. Разработкановых и усовершенствование существующих способов измерения давления,параметров паровых оболочек и контакта жидкость – твердое тело.2. Исследование (применительно к проблемам электрошлаковой иэлектродуговой переплавки металлов, а также электросварке под шлаком)механизмов развития электровихревых течений в цилиндрических иполусферических жидкометаллических ваннах с осесимметричным подводомпостоянного электрического тока; изучение влияния внешних, в том числеслабых, магнитных полей на гидродинамическую структуру ЭВТ, процессытепломассообмена и характеристики плавки металлов.3.

Анализ возможных механизмов фрагментации и разработка способовизучения спонтанного дробления жидкометаллических капель приразрушенииокружающихихпаровыхоболочек.Исследование(применительно к проблемам инициирования самопроизвольного паровоговзрыва) особенностей кипения недогретой воды на жидких и твердыхперегретых металлических поверхностях.Научная новизна работы заключается в следующем:1. Впервыесистематическиисследованыметрологическиехарактеристики оригинальных волоконно-оптических преобразователейскорости и обосновано их применение для изучения турбулентных потоковжидких металлов при комнатных температурах.2. Экспериментально, на примере решения задачи о поперечномобтекании цилиндра с образующей, параллельной магнитному полю (МП),подтверждена работоспособность созданной методики.

С помощьюволоконно-оптическихдатчиковвыявленрядновыхтермогидродинамических и МГД эффектов, свидетельствующих обувеличении генерации скоростных возмущений под действием МП и егоразнонаправленном влиянии на теплоотдачу от нагретого цилиндра.3. Впервые с помощью волоконно–оптических датчиков скоростиполучены количественные опытные данные по тонкой гидродинамическойструктуре электровихревых течений в объеме токонесущей жидкости.Эксперименты, проведенные в условиях воздействия слабых и значительныхвнешних магнитных полей, направлены на изучение закономерностей ЭВТпри электрошлаковой сварке, а также электрошлаковом и электродуговомпереплавах металлов.