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

Федеральное государственное бюджетное учреждение наукиОбъединенный институт высоких температур РАН(ОИВТ РАН)На правах рукописиИВОЧКИН ЮРИЙ ПЕТРОВИЧИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И МГД ПРОЦЕССОВ СЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ РАБОЧИМИ ТЕЛАМИСпециальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехникаДиссертация на соискание ученой степенидоктора технических наукМосква – 20152ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………....

8РАЗДЕЛ I. Экспериментальные методы исследований и измерительнаяаппаратура …........................................................................................................ 241.1. Введение …………………………………………………………………... 241.2. Разработка и апробация волоконно-оптической методики измерениямгновенной скорости потока жидкого металла ………………………. 241.2.1. Обзор измерителей мгновенной скорости в жидких металлах……. 241.2.2. Разработка волоконно-оптической методики измерения скорости вжидких металлах ………………………………...…………………… 331.2.2.1.Принцип действия преобразователя, конструкция и методикаизмерения двух компонент скорости…………………………….… 331.2.2.2.Лабораторная технология изготовления волоконно-оптическихпреобразователей скорости жидкого металла ……………………..

431.2.2.3.Основныехарактеристикиволоконно-оптическихпреобразователей скорости ……………………………….……...… 501.2.2.3.а. Пространственная разрешающая способность волоконнооптических преобразователей ……………………………….... 501.2.2.3.б. Динамические характеристики волоконно-оптическогопреобразователя скорости ………………………..…………… 561.2.2.3.в. Влияние магнитного поля на показания волоконнооптического анемометра ………………………………..….….. 611.2.2.3.г.

Оценка влияния температуры на показания волоконнооптических преобразователей скорости …………..…….….... 641.2.2.4.Вторичная аналоговая аппаратура обработки сигнала ……….... 651.2.2.5.Проверка работоспособности волоконно-оптических датчиковскорости жидких металлов …………………………………….. 701.2.2.5.а. Краткий анализ работ по изучению поперечного МГД обтекания цилиндра потоком жидким металлом ……….….... 711.2.2.5.б. Экспериментальная установка и рабочий участок ……..… 7231.2.2.5.в. Результаты исследований ……………………………...…… 751.3.

Измерители давления и параметров паровых пленок………..……..…... 841.3.1. Введение. Типы датчиков давления ...………………………………. 841.3.2. Разработка волоконно-оптических преобразователей давления ….. 871.3.2.1.Конструкция и принцип действия …………………………….… 871.3.2.2.Лабораторная технология изготовления волоконно-оптическихдатчиков давления ……………………………………………...…… 901.3.2.3.Оценка метрологических характеристик волоконно-оптическихдатчиков давления …………………………………………………...

921.3.3. Волоконно-оптические датчики для исследования характеристикпаровой пленки ……………………………………………….……..... 971.4.Измерители тепловых параметров и электрического контакта.Аппаратура для визуальных наблюдений …….…… ………….…….. 1001.5.Заключение по разделу I ……………………………...………………..

105РАЗДЕЛ II. Исследование жидкометаллических электровихревых течений,инициированных неоднородным электрическим током …………….…..… 1092.1. Введение ………………………………………………………………….. 1092.2. Литературное состояние вопроса ……………………………………….. 1132.2.1. Обзор теоретических и расчетных исследований ……………….... 1132.2.2. Обзор экспериментальных исследований ……………………….… 1302.2.3. Задача о парадоксальной спонтанной закрутке осесимметричныхэлектровихревых течений …………………………………..……… 1392.2.4. Выводы по обзорной главе и постановка задач исследования …..

1422.3. Экспериментальные установки. Методики измерений и численныхрасчетов ………………………………………………………………… 1452.3.1. Рабочие участки в опытах, проведенных в ИФ АН Латв. ССР …... 1452.3.2. Экспериментальный стенд ОИВТ РАН ……………………….…… 1482.3.3. Методические вопросы по технике измерений ………………...…. 1502.3.4. Методика проведения численных расчетов ……………………….. 1562.3.5. Выводы по главе 2.3……………………………………………......... 16342.4. Результаты и анализ исследований структуры электровихревыхтечений ………………………………………………………………………... 1642.4.1.

Результаты и анализ исследований ЭВТ в горизонтальныхцилиндрических ваннах с осесиметричным токоподводом ……… 1642.4.2. Результаты исследований ЭВТ в полусферической ванне сцентральным электродом …..………………………………….....… 1742.4.2.1. Результаты экспериментальных исследований ………………. 1742.4.2.1.аРезультатыэкспериментальныхисследованийЭВТвизотермических условиях ……………………………………. 1742.4.2.1.б.РезультатыэкспериментальныхисследованийЭВТвнеизотермических условиях …………………………………... 1802.4.2.2. Результаты численных исследований ….……………………… 1912.4.2.3.

Анализ полученных результатов. Влияние ЭВТ на процессымассопереноса и плавления ………….……..…….……………….. 2032.4.3. Выводы ……………………………………………………………… 2162.4. Заключение по разделу II ……………………………….……….………. 221РАЗДЕЛ III. Исследование механизмов вскипания недогретой воды нагорячих металлических телах и жидкометаллических каплях ……………. 2263.1.

Введение ………………….………………………………………………. 2263.2. Современное состояние вопроса ………………………………...……… 2283.2.1. Физические модели фрагментации капли при кризисе плёночногокипения ……………………………………………...……………….. 2283.2.2. Обзор экспериментальных исследований ...……………………..… 2423.2.2.1. Экспериментальные установки ………………………………... 2423.2.2.1.а. Установки с движущимся горячим телом ………….…….. 2433.2.2.1.б. Установки с неподвижным горячим телом ……...…….… 2453.1.2.2. Описание результатов экспериментальных исследований …..

2493.2.2.2.а. Результаты визуальных наблюдений ………………….…. 2493.2.2.2.б. Результаты исследований фрагментов капли…….….…… 2533.2.2.2.в. Результаты исследований температурных характеристик 25453.2.2.2.г. Влияние состояния поверхности и физических свойствохладителя …………………………………………………….. 2623.2.2.2.д. Результаты исследований импульсов давления и параметровпаровых оболочек ………………………………………..…… 2653.2.3. Выводы и постановка задач исследований…………………...…... 2743.3. Экспериментальные установки и методика измерений …….….…….... 2763.3.1. Описание экспериментальных установок ……………………...….. 2763.3.2.

Методика исследований и измерительная аппаратура ………….... 2813.3.3. Методические особенности измерений ……………………………. 2863.3.3.1. Методические особенности измерения давления ……….….... 2863.3.3.2. Методические особенности измерения температуры …...…… 2953.3.3.3. Методические особенности измерений параметров контакта 2963.3.4. Выводы ………………………………………………………...…….. 3003.4.

Результаты экспериментальных исследований ……………………...… 3023.4.1. Результаты экспериментов с металлическими каплями ………….. 3023.4.2. Результаты экспериментов с твёрдыми металлическими образцамиполусферической формы …………………………............................

3073.4.2.1. Визуальные наблюдения и видеосъемка. Общая картинапроцесса …………………………………………………….………. 3073.4.2.2. Температурные исследования …………..…………………....... 3163.4.2.3. Оценка параметров колебаний паровой пленки ……………… 3213.4.2.4. Влияние посторонних частиц и газов, растворенныхвохладителе ………………………………………………………….. 3223.4.2.5. Характеристики пульсаций давления …………………………. 3253.4.2.6.Характеристикиконтактанедогретойводысгорячейповерхностью и импульсы давления ………………….................. 3303.4.3. Выводы ….......................

................................................................... 3363.5. Анализ и интерпретация полученных результатов ……......................... 3403.5.1. Анализ результатов температурных измерений ……………….….. 34063.5.2. Анализ пульсаций давления и их связь с изменением объема паровойполости …………………………………………………………….… 3483.5.3.Возможнаясхемапротеканияпроцессовсоприкосновенияохладителя с горячей поверхностью и температурная карта режимовфрагментации капель ……………………………………..………… 3513.5.4. Выводы ..…………………………………………………………..…. 3563.5.

Заключение по разделу III …...………………………………………….. 357ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Общие выводы и результаты ………………………….…. 360ЛИТЕРАТУРА …………………………………………………….………….. 3657Перечень встречающихся сокращенийАЦП — аналого-цифровой преобразовательАЭС – атомная электростанцияВОИП – волоконно-оптический измерительный преобразовательВОИПС — волоконно-оптический измерительный преобразователь скоростиИФ – Институт физикиМГД — магнитогидродинамическийМП — магнитное полеМПЗ – магнитное поле ЗемлиПВ – паровой взрывПНЧ – преобразователь напряжение - частотаЭВТ — электровихревое течениеЭДП — электродуговая плавкаЭШП — электрошлаковый переплавЭШС — электрошлаковая сваркаФЭИ – Физико-энергетический институтVOF — Volume of fluid8ВведениеТехнологические процессы с участием жидких металлов (ЖМ) широкораспространены в различных отраслях промышленности, особенно вметаллургии.СпецифическиесвойстваЖМ–высокиезначениятеплопроводности, электропроводности и температуры кипения, а такженизкие значения упругости паров позволяют успешно использовать их вкачестве теплоносителя в разных областях энергетики, например, в атомныхэлектростанциях на быстрых нейтронах, в солнечных МГД - генераторах иливбланкетахпроектируемыхтермоядерныхэлектростанций.

Этижеособенные свойства являются главной причиной широкого применения ЖМв компактных высокотемпературных теплообменниках.В 50 – 80-е годы прошлого столетия («золотые» годы развитияотечественнойтеплофизики)врезультатесистемныхисследований,проведенных, главным образом, в ФЭИ и других научных организацийбывшегоСССР,былполученобширныйэкспериментальныйитеоретический материал по теплообмену и гидродинамике в системах сжидкометаллическим теплоносителем, отраженныйв многочисленныхпубликациях, среди которых следует особо отметить коллективнуюмонографиюперекачки[В1],ЖМ,обобщающуюструктурыихполученныетечений,результаты.МГД-Вопросыуправленияжидкометаллическими потоками были описаны в целом ряде известныхмонографий [В2 – В14].

Вместе с тем, в силу ряда причин, например, из-заотсутствия надежных экспериментальных методов исследования потоковжидких металлов, многие более частные, но вместе с тем важные вопросыостались не исследованными. Перечислим задачи, которые рассмотрены впредставленной диссертации.Практически важной (особенно для электрометаллургии и электросварки),но недостаточно глубоко исследованной областью технической физикиявляется ее раздел, изучающий характеристики течений жидкого металла всильноточных технологических процессах.

Движение металла возникает в9результате взаимодействия электрического тока, пропускаемого черезрасплав, с его собственным магнитным полем. В условиях, когдаэлектрический ток неоднородно распределен в жидкометаллическом объеме,образующаяся электромагнитная сила с разной интенсивностью воздействуетна участки жидкости, что и вызывает перемещение расплава. Посколькувозникающиетеченияимеютвихревуюструктуруиобусловленыэлектрическим током, то они получили название электровихревые течения(ЭВТ) [В15, В16].