Автореферат (Закономерности процессов гидродинамики и теплообмена в контуре естественной циркуляции)

На правах рукописиЗУБОВ НИКИТА ОЛЕГОВИЧЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ ГИДРОДИНАМИКИ ИТЕПЛООБМЕНА В КОНТУРЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИСпециальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехникаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 20182РаботавыполненавФедеральномгосударственномбюджетномобразовательномучреждениивысшегообразования«Национальныйисследовательский университет «МЭИ» на кафедре инженерной теплофизикиим.

В.А. КириллинаНаучный руководитель:Ягов Виктор Владимировичдоктор технических наук, профессор,профессор кафедры Инженерной теплофизикиФГБОУ ВО НИУ «МЭИ»Официальные оппоненты:Зейгарник Юрий Альбертовичдоктор технических наук, старший научныйсотрудник, главный научный сотрудник отделапроблем теплоэнергетики ФГБУН«Объединенный институт высоких температурРоссийской академии наук»Некрасов Дмитрий Анатольевичкандидат технических наук,заведующий кафедрой термодинамики инеравновесных процессов переноса ФГБОУ ВО«Московский политехнический университет»Ведущая организация:ЗАО «Научно-производственное внедренческоепредприятие «Турбокон»Защита диссертации состоится 28 сентября 2018 года в 10:00 на заседаниидиссертационного совета Д 212.157.04 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» по адресу:111250, г. Москва, ул.

Красноказарменная, д. 17, корпус Т, кафедра инженернойтеплофизики им. В.А. Кириллина, комн. Т-209.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУВО «НИУ «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.Автореферат разослан « » ______ 2018 года.Отзывы на автореферат (в двух экземплярах) с подписями, заверенными печатьюучреждения, просим выслать по адресу: 111250, г. Москва, ул.Красноказарменная, д.

14, Ученый совет ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.157.04кандидат технических наук______________Ястребов А.К.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Настоящая работа посвящена исследованиюгидродинамики и теплообмена в контуре естественной циркуляции (КЕЦ) вобласти низких приведенных давлений. Характерной особенностью КЕЦявляется то, что скорость движения парожидкостной смеси (скоростьциркуляции) не задается, а определяется величиной подводимой мощности,свойствами рабочей жидкости, уровнем давления, степенью заполнения игеометрией контура.Многолетний опыт эксплуатации двухфазных КЕЦ (при относительновысоких приведенных давлениях) и достаточно успешное использованиеполуэмпирических методик расчета их паропроизводительности вполнесочетаются с отсутствием точной информации об истинном объемномпаросодержании, структуре потока и скорости циркуляции.

Полуэмпирическиеметодики расчета двухфазных КЕЦ ориентированы на достаточно высокиеприведенные давления, характерные, прежде всего, для энергетики.В последнее время, особенно после аварии на АЭС «Фукусима» (Япония,2011 г.), существенно возрос интерес к КЕЦ как основному типу пассивныхсистем охлаждения ядерных реакторов, способных функционировать приотказе источников энергоснабжения и в других экстремальных ситуациях.Проведенные исследования показывают, что при разработке подобных системвозникают проблемы с низкой гидродинамической устойчивостью потокакипящего теплоносителя в контуре пассивной системы охлаждения при низкомдавленииПри низких давлениях полностью проявляется характерная длядвухфазных КЕЦ тесная взаимосвязь различных гидродинамических итепловых параметров. Методы расчета КЕЦ, традиционно применяемые припроектировании энергетического оборудования, опираются на опытнуюинформацию, относящуюся к достаточно высоким давлениям, и не могутиспользоваться в области давлений ниже атмосферного.Целями работы являются:1.

Выявление на основе экспериментальных исследований взаимосвязейпроцессов парообразования и формирования определенных режимов течения(структур) двухфазного потока в обогреваемой секции КЕЦ.2. Изучение влияния основных рабочих параметров КЕЦ натеплогидравлические характеристики контура низкого давления.3. На основе анализа доступных опытных данных и расчетныхрекомендаций разработать методику расчета гидродинамических параметровпарожидкостных потоков с высокими объемными паросодержаниями,учитывающую их реальную структуру.44.

Применить эту методику в программе расчета КЕЦ и провестисопоставление расчетных и экспериментальных результатов для всехисследованных жидкостей в широком диапазоне режимных параметров.Основные положения, выносимые на защиту:1. Методика измерений и обработки экспериментальных данных огидродинамике и теплообмене в экспериментальном КЕЦ при атмосферномдавлении.2. Массив экспериментальных данных о течении и теплообмене в КЕЦ ввиде зависимостей температур стенки рабочего участка и скорости циркуляциив контуре от режимных параметров и свойств жидкости.3.

Программа расчета КЕЦ низкого давления, в которой локальныепараметры двухфазного потока рассчитываются по приближенным физическиммоделям, учитывающим структуру двухфазного потока.Научная новизна работы:1. Получен массив экспериментальных данных о гидродинамике итеплообмене в КЕЦ в диапазоне приведенных давлений теплоносителя 0.00450.054; насколько известно автору, эксперименты на одном контуре сиспользованием трех жидкостей с существенно различными теплофизическимисвойствами осуществлены впервые.2.

Обоснована необходимость и реализована практически методикарасчета сопротивления трения и истинного объёмного паросодержаниядвухфазных потоков с учетом их структуры (режима течения).3. Предложены и практически проверены рекомендации по условиямперехода в расчетах от гомогенной модели к модели дисперсно-кольцевоготечения.4. Разработана и проверена на результатах экспериментов программарасчета КЕЦ низкого давления, в которой локальные параметры потока итемпература обогреваемой стенки рассчитываются с учетом структурыдвухфазного течения.Достоверность и обоснованность экспериментальных результатовобеспечивается использованием современных средств измерения и методовобработки их результатов, воспроизводимостью и согласованием полученныхопытных данных с результатами расчетов по физически обоснованнойметодике.Практическая ценность.

Выполненные в рамках настоящей работыисследования расширяют объем опытной информации о взаимосвязи режимныхпараметров и структуры двухфазного потока в контуре естественнойциркуляции, позволяют определить рабочие параметры и условия, при которыхнаступают режимы с низкой гидродинамической устойчивостью. Массив5данных о теплообмене, скорости циркуляции, дополненный результатамивизуальных наблюдений структуры двухфазного потока, создает основу дляразработки и верификации моделей основных процессов, определяющих работуКЕЦ. Опытные результаты, полученные при использовании различныхжидкостей (вода, спирт, фторуглерод) в достаточно широком диапазонеприведенных давлений, позволяют выявить общие закономерности изучаемыхявлений.Апробация работы.

Основные результаты настоящей работыопубликованы в 2 работах в научных изданиях, входящих в перечень ВАК РФ,в 5 трудах конференций и в 7 тезисах конференций. Список основныхпубликаций по теме исследований представлен в конце реферата.

Результатыработы докладывались на следующих конференциях:XX Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством акад.РАН А.И. Леонтьева. «Проблемы газодинамики и тепломассобмена вэнергетических установках». Звенигород, 2015 г.11th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics andThermodynamics. Skukuza Rest Camp, Kruger National Park, South Africa, 2015.IX Minsk International Seminar. «Heat pipes, heat pumps, refrigerators, powersources». Minsk, Belarus, 2015.XIII-я Курчатовская молодежная научная школа.

Москва 2015 г.Конференция молодых специалистов «Инновации в атомной энергетике».АО "НИКИЭТ", Москва, 2015 г.X школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАНВ.Е. Алемасова. Казанский научный центр РАН, Казань, 2016 г.VIII Международная школа-семинар молодых ученых и специалистов«Энергосбережение – теория и практика». НИУ «МЭИ», Москва, 2016 г.«Современные проблемы теплофизики и энергетики». НИУ «МЭИ», Москва,2017 г.Личный вклад автора. Материалы и результаты диссертационногоисследования получены соискателем лично или в соавторстве. Быласмонтирована и отлажена система сбора и обработки информации.

Полученмассив экспериментальных данных о гидродинамике и теплообмене в КЕЦ натрех различных жидкостях. Выполнена обработка и обобщение полученныхрезультатов. Используемые модели расчета параметров двухфазного потокапроверены на доступном массиве экспериментальных данных.

Созданапрограмма расчета КЕЦ.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырехглав, заключения, списка литературы, пяти приложений и содержит6101 страницу, 47 рисунков, 3 таблицы и 38 формул. Список литературысодержит 48 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении отмечена актуальность диссертационной работы, еетеоретическая и практическая значимость, поставлены цели и задачиисследования.В главе 1 изложены основные особенности работы КЕЦ, рассмотреныактуальные исследования в области применения КЕЦ в качестве пассивныхсистем охлаждения ядерных реакторов, выполнен подробный обзорхарактерных неустойчивостей, наблюдающихся при работе КЕЦ в областинизких приведенных давлений.Одной из основных особенностей КЕЦ является то, что скоростьциркуляции в контуре не задается, а определяется режимными параметрами(тепловая нагрузка, недогрев, давление), свойствами жидкости, геометриейсистемы.