Автореферат (Исследование гидродинамики и теплообмена МГД-течений в вертикальной трубе в поперечном магнитном поле)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫЖидкие металлы (ЖМ), обладая специфическими особенностями,являютсяпривлекательнымиэнергетики.НаиболеетеплоносителямиперспективнымввыглядитразличныхотрасляхиспользованиеЖМвтермоядерных реакторах (ТЯР) типа ТОКАМАК для охлаждения дивертора ибланкета, где ЖМ циркулирует в условиях сильного магнитного поля (МП).При проектировании элементов ТЯР необходимо знать закономерностигидродинамики и теплообмена ЖМ в магнитном поле. Эти закономерностисущественно зависят от параметров МГД-конфигурации: взаимная ориентациявекторовскоростипотокаииндукциимагнитногополя,формаигеометрические размеры канала, ориентация канала в поле силы тяжести,электропроводность материала стенки, характер обогрева. Поэтому детальноеисследование всех возможных МГД-конфигураций является важнейшейпрактической задачей.

В настоящее время нельзя говорить о полноте такихданных.На протяжении многих лет на кафедре Инженерной ТеплофизикиФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» совместно с ОИВТ РАН проводятся комплексныеэкспериментальные и расчетно-теоретические исследования гидродинамики итеплообменажидкометаллическихтеплоносителейвмагнитномполе.Исследуются течения ртути в поперечном и продольном магнитном поле, вгоризонтальных, наклонных и вертикальных каналах различной геометрии, соднородным и неоднородным по периметру трубы обогревом.

Ранее1 былобнаружен ряд неожиданных и даже опасных эффектов, вызванных влияниемсвободной конвекции (СК) на течение. Оказалось, что использованиесуществующих расчетных рекомендаций об осредненных по периметру каналакоэффициентахтеплоотдачиприпроектированиитеплообменниканеприемлемо.1Шестаков А.А. Экспериментальное исследование характеристик теплообмена при течении жидкогометалла в вертикальной трубе в поперечном магнитном поле.

Дис. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 20123Закономерности теплообмена могут количественно и качественноизменяться в зависимости от МГД-конфигурации, и необходимо исследоватькаждую конфигурацию отдельно.Данная диссертационная работа представляет собой очередной этап этихисследований, посвящённый экспериментальному и численному исследованиямзакономерностей гидродинамики и теплообмена неисследованной ранееМГД-конфигурации.Целью работы являются:1.Экспериментальное исследование теплообмена при опускномтечении ЖМ в вертикальной круглой трубе в поперечном магнитном полев условиях неоднородного по периметру трубы обогрева;2.Определение границ существенного влияния свободной конвекциина теплообмен ЖМ;3.Разработка модели влияния поперечного магнитного поля натурбулентный перенос импульса и энергии;4.Проведениечисленногомоделированиягидродинамикиитеплообмена ЖМ в рассматриваемой конфигурации течения.Научная новизнаВпервые получены экспериментальные данные по МГД-теплообмену ввертикальной круглой трубе в поперечном МП в условиях неоднородногообогрева.

Измерены поля температуры, поля интенсивности температурныхпульсаций, определены средние и локальные коэффициенты теплоотдачи. Наоснове полученных экспериментальных данных впервые определена областьсущественного влияния свободной конвекции в такой МГД-конфигурации.4Впервые предложена модель влияния поперечного МП на турбулентныйперенос импульса и энергии в рассматриваемой конфигурации течения сучетом свободной конвекции.

На ее основе в среде ANES20XE2 разработанырасчетныекодыивпервыепроведеночисленноемоделированиегидродинамики и теплообмена МГД-течения ЖМ в вертикальной круглойтрубе в поперечном МП с использованием цилиндрической и декартовойсистем координат.Достоверностьполученныхэкспериментальныхрезультатовиобоснованность выводов диссертационной работы обеспечивается:1.Использованием хорошо зарекомендовавшей себя ранее методикиизмеренийиобработкипервичныхэкспериментальныхданных,предварительной тарировкой всех используемых первичных датчиков;2.Воспроизводимостьюполученныхопытныхрезультатовисогласованностью их с имеющимися в литературе теоретическими иопытными данными, полученными в близких условиях;3.Автоматизацией эксперимента и использованием современногооборудования при проведении эксперимента.Практическая ценностьПолученные в рамках диссертационной работы экспериментальныеданные могут быть использованы для тестирования и верификации численныхкодов и расчетных моделей.

Предложенные автором расчетные рекомендациимогут быть использованы при проектировании перспективных энергетическихустановок с жидкометаллическими теплоносителями.2Артемов В.И., Яньков Г.Г., Карпов В.Е., Макаров М.В. Численное моделирование процессов тепло- имассообменавэлементахтеплотехническогои2000, №7, С.525энергетическогооборудования.Теплоэнергетика,Основные положения, выносимые на защиту:1.Результаты экспериментального исследования полей температуры иинтенсивности температурных пульсаций, коэффициентов теплоотдачипри течении жидкого металла в вертикальной круглой трубе впоперечном магнитном поле в условиях неоднородного по периметрутрубы обогрева;2.Результатыанализавлияниясвободнойконвекциинагидродинамику и теплообмен в исследуемой конфигурации;3.Модель турбулентного переноса и результаты расчетов при теченииЖМ в круглой трубе в поперечном МП.Апробация работыРезультаты исследований докладывались и обсуждались:На конференции «Теплофизика 2012», Обнинск, 2012На XIV Минском международном форуме по тепло- и массообмену,Минск, 2012На российской конференции по магнитной гидродинамике,Пермь, 2012На XIX Школе–семинаре молодых ученых и специалистов подруководством академика РАН А.И.

Леонтьева, 2013На международной конференции Bifurcation and instabilities in fluiddynamics, Israel, 2013ПубликацииСодержание диссертационной работы изложено в статьях и докладах,опубликованныхавторомвмеждународныхконференций,соавторстве,списоквтрудахкоторыхданотечественныхвыше.иОсновноесодержание работы представлено в публикациях в журналах, входящих вперечень ведущих рецензируемых журналов и изданий ВАК.Структура и объем работыДиссертация общим объемом 102 страницы состоит из введения, трехглав и заключения, содержащего основные выводы по работе. Списокцитируемых источников составляет 47 наименований.6СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВоВведенииобосновываетсяактуальностьтемыдиссертации:перспективность использования ЖМ в качестве теплоносителя при охлажденииядерных энергетических установок.Глава 1.

Современное состояние вопросаВ главе рассматривается современное состояние вопроса о воздействиипоперечного МП на гидродинамику и теплообмен при течении ЖМ в круглойтрубе. Также приводится математическое описание процессов.Глава 2. Экспериментальные исследованияВ главе приводятся описание экспериментального стенда, методикаисследования, источники основных погрешностей, а также результатыэкспериментальных исследований.Рассматривается опускное течение ртути в вертикальной круглой трубе впоперечном магнитном поле в условиях неоднородного по периметру обогрева.Схема данной конфигурации течения изображена на Рис. 1.Рис. 1.

Исследуемая конфигурация МГД-теплообменаЭкспериментальныеисследованиягидродинамикиитеплообмена,представленные в данной диссертационной работе, проводились на ртутномстенде ОИВТ РАН в поперечном магнитном поле. Этот стенд входит в составобъединенного комплекса МЭИ – ОИВТ РАН.Экспериментальный стенд представляет собой замкнутый ртутный7контур. Схема установки представлена на Рис. 2.1.рабочий участок2.измерительный зонд3.электромагнит4.расширительный бак5.теплообменник6.расходомер7.дифманометр8.электромагнитный насос9.регулировочный вентиль10.

емкость с ртутью11. термопары входа-выхода12. измерительная стойка13. компьютер (ПК)Рис. 2. Схема экспериментального стендаОсновные параметры экспериментального стенда, а также диапазонреализуемых режимных параметров приведены в Табл. 1 – Табл. 2.Табл. 1. Параметры экспериментальной установкиПараметрЗначениеМодельная жидкость ртутьВнутренний диаметр рабочего участка, мм 19Толщина стенки, мм 0.5Материал рабочего участка 12Х18Н9ТДлина рабочего участка, м 2.005 (106 калибров)Длина обогреваемого участка, м 0.85 (42 калибра)Длина области воздействия МП, м 0.7 (37 калибров)Длина области воздействия однородного МП, м 0.5 (31 калибр)Плотность теплового потока для каждой секцииобогрева,8кВтм0 − 55Табл.

2. Режимные параметрыРежимный параметрЗначение∙=Число Рейнольдса:10 − 10=Число Гартмана:Число Грасгофа:0 − 6000 − 0.8 ∙ 10=Характерное магнитное число Рейнольдса:=0.2 ∙ 10∙Экспериментальные исследования велись по отработанной и хорошозарекомендовавшейсебяранееметодикесиспользованиемзондовыхизмерений. В настоящей диссертации для измерений полей локальныхтемпературиинтенсивностипульсацийприменяетсярычажныймикротермопарныйзонд (Рис. 3).Рис. 3.

Рычажный зонд со сферическим шарниром в рабочем участкеИзмеренияполейтемпературиинтенсивностейтемпературныхпульсаций осуществляются в сечении на расстоянии 37 калибров от началаобогреваемой зоны рабочего участка. Это сечение находится на максимальномудалении от начала обогреваемого участка в области, где МП еще однородно.9НижеНа Рис. 4приводитсяобзорпредставленаосновныхрезультатовэкспериментов.зависимость среднего по периметру трубыкоэффициента теплоотдачи от числа Пекле при различной величине МП.1Рис. 4.

Зависимость среднего коэффициента теплоотдачи от числа Пеклепри различной величине МП (q1/q2=55/0 кВт/м2, Grq=0.6 ∙ 10 )Как видно из рисунка, в отсутствие МП экспериментальные точкихорошо совпадают с формулой Лайона (кривая 1). С ростом числа Гартманасредниепопериметрутрубыкоэффициентытеплоотдачимонотонноснижаются до ламинарных значений при умеренных числах Пекле. Это вызваноламинаризацией потока под действием магнитного поля.