Диссертация (Закономерности процессов гидродинамики и теплообмена в контуре естественной циркуляции), страница 5

Ниже предложенообъяснение механизма данной неустойчивости (рис. 9).21Рис. 9. Механизм осцилляций волн плотности [11].Пусть в некоторый момент времени давление Pe уменьшится на бесконечно малуювеличину. Это почти мгновенно (со скоростью звука в жидкости) приведет к падению давленияPо. Скорость на входе в обогреваемую секцию определяется следующим соотношениемui ~ PI  P0 и из-за падения давления Pо жидкость начинает поступать в рабочий участок сбольшей скоростью.

Возросшая скорость восстанавливает давление (см. график зависимости).Через время, за которое жидкость доходит до выхода, возросший перепад давления ΔРприводит к росту Pо (т.к. Pe = const).Возросшее давление Pо приводит к снижению скорости потока на входе в обогреваемуюсекцию. Так жидкость проходит зону обогрева за большее время и к выходу имеет большуюэнтальпию и меньшую плотность. Низкая скорость потока приводит к уменьшению падениядавления (график, рис.

9) и цикл повторяется.Такая неустойчивость может наблюдаться как при очень низкой подводимой мощности,так и при высокой. Это зависит от относительной важности соответствующих компонентовперепада давления, таких как гравитационный перепад давления или потери давления на трениев системе. Неустойчивости волн плотности разделяют на 2 типа: тип-1 (type I) и тип-2 (type II),соответствующиенеустойчивостямсоответственно (рис. 10).длянизкойивысокойподводимоймощности22Рис. 10. Характерные области малой и высокой подводимой мощностидля неустойчивости волн плотности [12].Неустойчивость типа-1 (type I) встречается в длинных каналах с подъемным течениемихарактернадлядвухфазныхКЕЦ.Прималыхзначенияхмассовогорасходногопаросодержания х незначительное его изменение за счет возмущения может приводить ксильному росту истинного объемного паросодержания φ и, следовательно, к росту движущегонапора (рис.

11). Данные условия характерны для низких значений подводимой мощности, чтоможет приводить к колебаниям в системе. С увеличением подводимой мощности истинноеобъемное паросодержание φ становится менее чувствительным к изменениям х, тем самымподавляя флуктуации движущего напора при малом изменении массового расходногопаросодержания.Рис.

11. Влияние давления на объемное расходное паросодержание.23Неустойчивость типа-2 (type II) наблюдается при высоких значениях подводимоймощности в отличие от неустойчивости типа-1. Это связано с тем, что с ростом х потеридавления на трение ΔРтр увеличиваются и становятся доминирующим фактором, заставляяскорость потока уменьшаться при увеличении подводимой мощности.Данная неустойчивость обусловлена взаимодействием потерь давления на трение научастках однофазного Pтр1 и двухфазного Pтр 2 течения и влиянием расхода, парообразованияи скорости распространения двухфазных областей по контуру. При высоких значенияхподводимой мощности рост паросодержания потока (и уменьшение его плотности) приводит кувеличению Pтр 2 и задержке во времени распространения паровых объемов в системе.

В этихусловиях любое малое возмущение в потоке может стать причиной больших колебаний Pтр 2по причине колебаний плотности и расхода в системе, которые распространяются медленно вдвухфазной области.С другой стороны колебания Pтр1 возникают только из-за изменений расхода, посколькуколебания плотности в однофазной области незначительные. Флуктуации Pтр1 перемещаютсябыстрее (по сравнению с областью двухфазного течения) по причине несжимаемостиоднофазной области. Если колебания Pтр 2 равны по амплитуде, но противоположны по фазе сколебаниями Pтр1 , то флуктуации или осцилляции повторяются в системе, посколькуотсутствуют механизмы затухания. Нарастающие по амплитуде колебания могут наблюдаться взависимости от амплитуды флуктуаций ΔРтр в двухфазной и однофазной областях и временизадержки распространения.2) Акустическая неустойчивость.Акустическая неустойчивость рассматривается в случае резонанса волн давления.Акустические осцилляции также наблюдаются во время экспериментов по продувке (blow downexperiments) с герметичными горячими водяными системами, благодаря возможныммножественным отражениям волн.

Акустические осцилляции характеризуются высокимичастотами порядка 10-100 Гц, связанными со временем распространения волн давления, инаблюдаются в случаях кипения недогретой жидкости, пузырькового кипения и пленочногокипения.Термическаяреакцияпаровойпленкинапроходящуюволнудавлениярассматривается как механизм осцилляций во время пленочного кипения.

Например, когдапроходит волна сжатия (волна содержит области сжатия и разрежения), паровая пленкасжимается, повышая плотность теплового потока за счет теплопроводности и в результате24увеличивая генерацию пара. С другой стороны, когда проходит волна разрежения, пароваяпленка расширяется, уменьшая тепловой поток за счет теплопроводности и снижая выработкупара. Данный процесс повторяется.1.2.3 Особенности неустойчивостей, связанные с началом закипания.Начало закипания является достаточно значительным возмущением, которое можетприводить к существенному изменению плотности и, следовательно, изменению движущегонапора в КЕЦ (особенно при низких приведенных давлениях).

Однофазные КЕЦ, являющиесяустойчивыми, при закипании жидкости могут терять свою устойчивость. Дополнительно вданном явлении первостепенное значение имеют эффекты обратной связи.Общей характеристикой неустойчивостей, связанных с началом закипания, является то,что во время части цикла осцилляций наблюдаются однофазные условия.

При вхождениипузырьков в подъемную секцию происходит рост расхода за счет разности плотностей вподъемной и опускной линиях (движущего напора). Так, с ростом расхода энтальпия выходауменьшается, приводя к подавлению кипения.

Это приводит к уменьшению движущего напораи уменьшению расхода, что, в свою очередь, ведет к увеличению энтальпии на выходе, приводяк кипению и таким образом процесс повторяется.1) Неустойчивость, связанная с интенсивным вскипанием (flashing instability)Подобная неустойчивость возникает в КЕЦ с высокими необогреваемыми подъемнымиучастками.

Основная причина данной неустойчивости заключается в уменьшении статическогодавления по мере движения жидкости вверх, в результате чего жидкость может достигатьсостояния насыщения. Возросший благодаря интенсивному парообразованию движущий напорувеличивает расход, приводя к уменьшению температуры на выходе и сдерживанию быстроговскипания. Это, в свою очередь, снижает движущий напор и расход, в результате чеготемпература на выходе возрастает, что ведет к повторению процесса. Необходимым условиемдля возникновения неустойчивости этого типа является температура на входе в подъемный(адиабатный) участок, которая должна быть больше температуры насыщения на выходе.Неустойчивость характеризуется колебательным поведением и подавляется с ростом давления.2) Гейзеринг (geysering)Данный тип неустойчивости характеризуется осцилляциями, которые не обязательноявляются периодическими.

Предлагаемые объяснения механизмов, описывающих это явление,несколько отличаются. Однако, обычное требование для данной неустойчивости – это высокаяподъемная секция, следующая после зоны обогрева.25Если кипение начинается в конце обогреваемого участка и пузырьки начинают двигатьсявверх по подъемной части канала, они могут быстро увеличиваться по причине уменьшениястатического давления, тем самым приводя к интенсивному выхлопу двухфазной смеси изканала.

Затем жидкость возвращается, восстанавливаются условия кипения недогретойжидкости и цикл повторяется.Гейзеринг – результат интенсивного парообразования в зоне обогрева, в ходе которогоповышение локального давления выталкивает жидкость из обогреваемой зоны. Обычно длянеустойчивости характерны паровые выбросы (vapor eruption), конденсация пара и возвратныетечения. В случае больших тепловых нагрузок паровые выбросы становятся преобладающиминад конденсацией и возвратными течениями. В ходе такой неустойчивости большое количествопаровых пузырей большого размера или снарядов внезапно выбрасываются в подъемнуюсекцию из зоны обогрева (boiling eruption). Гейзеринг при малых тепловых нагрузках и «boilingeruption» при больших являются схожими явлениями, происходящими за счет паровыхвыбросов, поэтому авторы объединяют оба явления одним термином – гейзеринг.Важно отметить, что в отличие от вскипания, при гейзеринге парообразование происходитза счет тепла, подведенного в обогреваемой зоне, а не за счет падения локальной температурынасыщения с уменьшением давления.Дополнительно следует рассматривать эффекты конденсации в подъемном участке.Гейзеринг может наблюдаться и при кипении недогретой жидкости, когда пузырек параотделяется от обогреваемой поверхности и поступает в подъемную секцию (в котором водаможет быть недогрета до температуры насыщения), где рост пузырька происходит из-заснижения статического давления и при этом может иметь место конденсация.

Снижениедавления в результате внезапной конденсации является причиной того, что жидкость быстрозанимает освобожденное пространство от сконденсировавшегося пузыря. Большой ростмассового расхода вызывает заполнение обогреваемой секции недогретой жидкостью, темсамым сдерживая кипение и уменьшая движущий напор. Уменьшенный движущий напоруменьшает расход. Увеличение энтальпии на выходе со временем снова приводит к кипениюнедогретой жидкости и процесс повторяется.Процесс гейзеринга включает в себя образование пузырьков в условиях недогрева, ихотделение, рост и конденсацию. Гейзеринг является термически неравновесным явлением. Сдругой стороны, во время вскипания (flashing) пар находится в термическом равновесии сокружающей его жидкостью и он не конденсируется во время процесса осцилляций.

Обенеустойчивости (вскипание - flashing и выброс - geysering) характерны только при условияхпониженных давлений. При увеличении давления (по причине сильного влияния на истинное26объемное паросодержание и, следовательно, на плотность) неустойчивости, связанные сначалом закипания, как правило не возникают.В приведенных обзорных работах по теме неустойчивостейописанные вышенеустойчивости (вскипание – flashing и выброс – geysering) относят к разным группамнеустойчивостей: динамическим и статическим соответственно. При этом распространеннымявлением является их совместное появление в системе (рис. 12).