Диссертация (Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами), страница 2

К моменту начала нашего исследования в литературепрактическиотсутствоваликоличественныеопытныеданныепохарактеристикам электровихревых течений, что существенно затрудняло ихизучение,атакжеисключалопроверкудостоверностирезультатованалитических и численных оценок.Другой раздел представленной диссертации связан с исследованиемвозможных механизмов возникновения спонтанного парового взрыва (ПВ).ПВ – сложное и опасное теплофизическое явление, возникающее приконтакте горячего теплоносителя с холодной низкокипящей жидкостью. Дляпарового взрыва характерно два основных физических эффекта – «тонкая»фрагментация расплава и высокоинтенсивные импульсы давления [В17].УпрощеннопроцесспротеканияПВприменительнокпроблемамбезопасности ядерной энергетики обычно представляется следующимобразом.

При попадании (падении) струи горячего расплава в водупроисходит дробление массива жидкого металла на капли, каждая ихкоторых окружена паровой оболочкой. В какой–то момент временисамопроизвольно или под действием внешних возмущений одна из паровыхоболочек разрушается и дробит отдельную каплю расплава. Импульсыдавления, генерируемые подобными процессами, приводят к взрывнойфрагментации соседних, а затем и отдаленных капель.

Поскольку придроблении расплава площадь соприкосновения «горячий жидкий металл –охладитель» многократно на (несколько порядков) возрастает, то это явлениевызывает скачкообразное увеличение объема пара и мощные импульсы10давления. Как показывают результаты экспериментов, амплитуда подобныхимпульсов может достигать несколько тысяч бар.К настоящему времени недостаточно полно изучены практически всестадии парового взрыва, включая этап его инициирования, связанный сфрагментацией отдельной капли. В литературе описано несколько десятковразличных гипотез протекания подобного процесса дробления, которые внедостаточной степени подтверждены опытными данными. Поэтому имеетсянастоятельнаядетальныхнеобходимостьпроведенияэкспериментальныхновых,систематическихисследованийэтогоисложноготеплофизического явления.Отметим, что аналитические способы решения задач, описанных выше,возможны лишь в сильно упрощенной форме, а использование численныхметодов в подобных условиях также вызывает затруднение.

В частности, приисследованииЭВТкрупномасштабнойвозникаютсложностивихревойструктурырасчетаиз-заизучаемыхтрехмернойпотоковитурбулентности. Применение экспериментальных методов в реальныхпрактических условиях также ограничено, главным образом, вследствиеповышеннойагрессивностиизучаемыхрабочихсредпривысокихтемпературах. Вместе с тем, с помощью метода физического моделированиямногие закономерности гидродинамических и тепловых процессов с горячимтеплоносителем в сложных экспериментах (например, при воздействиисильных электромагнитных полей) могут быть относительно простополучены на металлах и сплавах, находящихся в жидком состоянии прикомнатных температурах.

В качестве рабочего тела обычно используютсяртуть, индий, галлий, свинец, олово, цинк, а также эвтектические сплавы,созданные на их основе. Но даже в подобных рафинированных условияхвозникают сложности в проведении экспериментов, которые обусловленыотсутствием надежных количественных методов измерения различныхвеличин, например скорости, в жидких металлах.11Следует отметить, что к моменту начала исследований в литературе былиописаны новые типы датчиков скорости, использующие волоконную оптику[В18 – В20].

Предполагалось, что подобные т.н. волоконно-оптическиеизмерительные преобразователи скорости (ВОИПС) помимо отсутствиязависимости показаний от внешних электромагнитных помех должны иметьмалые размеры, сочетающиеся с относительно высокой чувствительностью ишироким динамическим диапазоном измерений. Перечисленные достоинствапозволяют, в принципе, использовать указанные преобразователи дляизучениятеченийжидкометаллическихтеплоносителейвусловияхвоздействия сильных магнитных и электрических полей. Однако в [В18 –В20]быликонструкцииописанылишьпринципыволоконно-оптическихдействияипринципиальныепреобразователей.Поэтомувдиссертации предполагалось систематически исследовать метрологическиехарактеристики подобных датчиков, а также разработать и освоитьтехнологии их лабораторного изготовления.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.Для достижения цели решались следующие основные задачи:1.

Разработка на основе волоконной оптики нового метода измерениямгновеннойскорости,жидкометаллическихэлектромагнитныхпредназначенногопотоковполейпривусловияхумеренныхдляисследованиявоздействия(комнатных)сильныхтемпературах.Апробация метода на примере решения задачи об МГД - обтеканиицилиндра. Разработка новых и усовершенствование существующих способовизмерения давления, параметров паровых оболочек и контакта «жидкость –твердое тело».2. Исследование (применительно к проблемам электрошлаковой иэлектродуговой переплавки металлов, а также электросварке под шлаком)12механизмов 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 способовизученияспонтанногоразрушениидробленияокружающихихжидкометаллическихпаровыхкапельоболочек.приИсследование(применительно к проблемам инициирования самопроизвольного паровоговзрыва) особенностей кипения недогретой воды на жидких и твердыхперегретых металлических поверхностях.Структураикраткоесодержаниедиссертационнойработы.Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, общих выводови списка цитируемой литературы, включающего 338 наименований.Материал работы изложен на 407 страницах компьютерной верстки вформате 14 pt, Times New Roman, содержит 244 рисунка и 6 таблиц.В первом разделе дан анализ характеристик датчиков, используемых дляисследования тепловых и гидродинамических процессов, протекающих вжидкометаллическихсредахтемпературах.жепреимущества,Тамприотносительнонизкихописаныконструкции,принципытехнологииизготовления,основные(комнатных)действия,характеристикиоригинальных волоконно–оптических преобразователей скорости, давления,паровой пленки и других физических параметров.

На примере задачи обобтекании цилиндра в канале в условиях воздействия поперечногомагнитного поля продемонстрирована работоспособность предложеннойметодики измерения скорости. Кроме того, в разделе I также краткоизложены способы измерения температуры и давления (пьезоэлектрическиедатчики), применяемые в диссертации, А также описана аппаратура,используемая для визуальных наблюдений.13В разделе II, помимо литературного состояния вопроса, представленырезультаты физического моделирования тепловых и гидродинамическихпроцессов, имеющих место при электродуговом и электрошлаковомпереплаве,атакжеэлектрошлаковойсваркеметаллов.Опытыпоисследованию структуры электровихревых течений выполнены с помощьюволоконно-оптических датчиков скорости.

Проведенные экспериментыдополнены численными расчетами, результаты которых согласуются сопытными данными.РазделIIIцеликомисследованийповеденияпосвященпленокрезультатамводяногоэкспериментальныхпараоколоперегретыхповерхностей и фрагментации жидкометаллических капель. В данномразделе на основании полученных экспериментальных результатов описанавозможная схема протекания начального этапа соприкосновения воды сгорячим телом, предложена вероятная температурная карта режимовфрагментации оловянной капли и уточнены механизмы ее дробления.ВВыводахпредставленынаиболееважныенаучныерезультаты,полученные при выполнении всей диссертационной работы.Научная новизна работы заключается в следующем:1.

Впервыехарактеристикисистематическиоригинальныхисследованыволоконно-оптическихметрологическиепреобразователейскорости 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),подтвержденаработоспособностьволоконно-оптическихтермогидродинамическихсозданнойдатчиковиМГДметодики.выявленэффектов,Спомощьюрядновыхсвидетельствующихобувеличении генерации скоростных возмущений под действием МП и егоразнонаправленном влиянии на теплоотдачу от нагретого цилиндра.143.