Автореферат (Исследование гидродинамики и теплообмена МГД-течений в вертикальной трубе в поперечном магнитном поле), страница 2

В области большихчисел Пекле значения коэффициентов теплоотдачи также снижаются приувеличении МП, но ламинарных значений не достигают, что может бытьсвязано с неполной ламинаризацией потока, а также с недостаточной длинойучастка однородного магнитного поля. Таким образом поведение среднихкоэффициентовсоотношениям.теплоотдачиОднако,прихорошосоответствуетрассмотрениилокальныхобщепринятымхарактеристиктеплоотдачи исследуемой конфигурации течения, проявляются особенности,которые необходимо учитывать.В подобной МГД-конфигурации вместо локального числа Нуссельтаудобно рассматривать обратную величину – локальную безразмернуютемпературу стенки Θ=∙(), где10- среднемассовая температура.На Рис.

5 представлено распределение максимальной и минимальнойбезразмерной температуры стенки в измеряемом сечении при различных числахПекле и Гартмана.Рис. 5. Неоднородность температуры стенки в зависимости от числаПекле при различной величине МП (q1/q2=55/0 кВт/м2, Grq=0.6 ∙ 10 )На Рис. 6 приведены распределения средней безразмерной температурыстенки для одного из режимов.Рис.

6. Распределение безразмерной температуры стенки по периметрупри различных числах Гартмана (Re =50000, q1/q2=55/0 кВт/м2, Grq=0.6 ∙ 10 )11Из рисунков видно, что температура стенки неоднородна и безмагнитного поля, что соответствует рассматриваемой конфигурации обогрева.Но при наложении магнитного поля неоднородность температуры в сечениитрубы существенно увеличивается с ростом числа Гартмана. Образуются зоныухудшенного теплообмена. Необходимо отметить, что существуют зоны ирежимы течения, при которых локальные коэффициенты теплоотдачидостигают значений, меньших ламинарных= 4.36, что, казалось бы, недолжно наблюдаться.Также были обнаружены режимы, в которых наблюдалось существенноевлияние свободной конвекции на гидродинамику и теплообмен потока приналожении МП.

На Рис. 7 приведены характерные для таких режимовосциллограммы температуры в разных точках сечения трубы.Рис. 7. Осциллограммы температуры в различных точках сечения трубы(Re =12000, Ha=300, q1/q2=55/0 кВт/м2, Grq=0.6 ∙ 10 )12Как видно из рисунка, имеют место низкочастотные пульсациитемпературы с аномально высокой амплитудой, которая сопоставима стемпературным напором в рабочем участке. Такие низкочастотные пульсации вусловиях реального теплообменника глубоко проникают в стенку канала,создавая тем самым дополнительную переменную термическую нагрузку, имогут вызвать преждевременное разрушение стенки.

Реализация таких режимоввтеплообменникекрайнеопаснаиприводиткнештатнойработетеплообменного аппарата и преждевременному выходу его из строя.Анализ основных закономерностей, а также границ проявления влиянияСК удобно проводить на основе данных по температурам и поляминтенсивности температурных пульсаций. На Рис.

8 представлено обобщениеполученных опытных данных по относительной интенсивности температурныхпульсаций в трехмерном виде= (,)=(,(), ).Рис. 8. Трехмерное поле относительной интенсивности температурныхпульсаций (q1/q2=55/0 кВт/м2, Grq=0.6 ∙ 10 )13На основании Рис. 9 можно выделить зону режимных параметров, вкоторой существенное влияние на гидродинамику и теплообмен оказываетсвободная конвекцияобласти в координатах(,/) > 1. На Рис. 9 отображена граница такойи/.5.04.54.03.52.52Ha /Re3.02.01.51.00.50.00.00.10.20.30.40.50.62Gr/ReРис. 9. Границы проявления эффекта в зависимости от числа ГрасгофаС ростом числа Грасгофа граница области существенного влияниясвободной конвекции смещается в сторону больших чисел Рейнольдса.Площадь под графиком образует область, где влияние свободной конвекции несущественно. При больших значениях> 0.2 наложение даже слабогомагнитного поля приводит к развитию в потоке вторичных течений.Уменьшениеприводит к тому, что влияние свободной конвекции начинаетпроявляется при большей величине МП.

И при< 0.1 существенное влияниесвободной конвекции на течение не зафиксировано даже при максимальномреализуемом на стенде соотношении. Имеет место асимптотическое= 0.1.поведение кривой на графике вблизи14Глава 3. Численное моделированиеВ третьей главе содержатся математическая постановка задачи, краткоеописаниесредычисленногомоделирования,различныеподходыпримоделировании турбулентного переноса при течении ЖМ в поперечном МП вкруглой трубе, а также результаты моделирования исследуемой задачи.Разработка расчетных кодов численного моделирования гидродинамики итеплообмена опускного МГД-течения жидкого металла в круглой трубе впоперечном магнитном поле проводится в среде ANES20XE, созданной накафедре Инженерной Теплофизики научной группой Янькова Г.Г.Наосновеимеющихсяэкспериментальныхданныхпополяминтенсивности температурных пульсаций, автором данной диссертациипредложена модель3 учета влияния поперечного МП на турбулентный переносв круглой трубе:=Где(,(,)) – предложенная экспоненциальная функция от Ha2/Re,– профиль турбулентной вязкости в отсутствие МП.Область применимости модели:1.= 35000 − 800002.= 700 − 16003.= 0 − 5504.= (0.3 − 0.8) ∙ 10Такжедолжнывыполнятьсяследующие критерии:< 0.1 ;< 10Разработанными автором программными кодами были смоделированыреализуемые на стенде эксперименты во всем диапазоне режимных параметров.Расчеты выполнены для цилиндрической и декартовой геометрии на сеткахразличной плотности с использованием различных моделей переноса импульсаи энергии в поперечном МП.3Развитие модели Л.Г.Генина и Е.В.Свиридова для поперечного МП в плоском канале15Результаты расчетов распределения безразмерной температуры стенки попериметру трубы в соответствующем сечении сопоставлялись с имеющимисяопытными данными (Рис.

10 – Рис. 11).Ha=130Ha=420Рис. 10. Распределение безразмерной температуры стенки по периметрутрубы (Re =35000, q1/q2=55/0 кВт/м2, Grq=0.6 ∙ 10 )Ha=130Ha=320Рис. 11. Распределение безразмерной температуры стенки по периметрутрубы (Re =65000, q1/q2=55/0 кВт/м2, Grq=0.6 ∙ 10 )Предложенная эмпирическая модель переноса импульса и энергии впоперечном магнитном поле в круглой трубе дает хорошее качественное иколичественное соответствие с опытными данными во всем диапазонедоступных режимных параметров.16Также были осуществлены расчеты задач в сложной геометрии и расчетыпо оценке влияния измерительного зонда на исследуемые величины. Рабочийучасток с установленным микротермопарным зондом был смоделирован вCAD-программе КОМПАС-3D (Рис. 12). Зонд представляет собой вытянутыйконус со сферой на конце – королек термопары. Диаметр королькамикротермопары составляет 0.3 мм. Рассматривалось влияние зонда нагидродинамику и теплообмен в поперечном магнитном поле в двух областях:пристеночной области и в центре канала.Рис.

12. Модель зонда в рабочем участке. CAD-геометрияОбтекание зонда можно проиллюстрировать следующей картинкой –поле продольной компоненты скорости (Рис. 13).Как видно из расчета,распространение возмущений вверх по потоку имеет место («передний след»).Рис. 13. Обтекание зонда потоком. Передний следРезультаты расчетов по оценке влияния микротермопары на получаемыев экспериментах опытные данные позволяет сделать вывод о том, что влияниезонда в условиях эксперимента в целом не существенно.17ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫВпервые получены экспериментальные данные по полямтемператур,поляминтенсивностейтемпературныхпульсаций,рассчитаны коэффициенты теплоотдачи по МГД теплообмену ввертикальной круглой трубе в поперечном МП в условиях неоднородногопо периметру трубы обогрева;Впервые была определена область существенного влияниясвободной конвекции в исследуемой МГД-конфигурации.

Обнаружено,что в условиях неоднородного по периметру трубы обогрева границатакой области смещается в сторону больших чисел Рейнольдса. Показано,что развитие вторичных течений в условиях магнитного поля приводит кпоявлению низкочастотных пульсаций аномально высокой амплитуды,которые представляют опасность для конструкции теплообменника;Наосновеэкспериментальныхданныхпополяминтенсивности температурных пульсаций автором предложена расчетнаямодель подавления турбулентного переноса в поперечном магнитномполе в круглой трубе;Разработанырасчетныекодывсредечисленногомоделирования ANES20XE, проведены расчеты в соответствии срежимными параметрами эксперимента в цилиндрической и декартовойсистемах координат.

Получено хорошее соответствие результатов расчетапо предложенной модели с экспериментом.18Основное содержание работы отражено в 10 следующих публикациях:1. Belyaev I.A., Genin L.G., Listratov Ya.I., Melnikov I.A., Sviridov V.G.,Sviridov E.V., Ivochkin Yu.P., Rasuvanov N.G., Shpansky Yu.S. Specificfeaturesofliquidmetalheattransferinatokamakreactor.Magnetohydrodynamics. Vol.

49. 2013. No. 1, pp. 177-1902. Мельников И.А., Разуванов Н.Г., Свиридов В.Г., Свиридов Е.В.,Шестаков А.А. Исследование теплообмена жидкого металла при течении ввертикальной трубе с неоднородным обогревом в поперечном магнитномполе. Теплоэнергетика. 2013. №5. С. 52-593. Мельников И.А., Ивочкин Ю.П., Свиридов В.Г., Разуванов Н.Г.,Чекменева Е.С., Шашурин А.Д. Исследование МГД- теплообмена жидкогометалла при течении в вертикальной трубе. Тезисы докладов Научнотехнической конференции «Теплофизика». Обнинск. 2012.

С. 38-414. Генин Л.Г., Мельников И.А., Ивочкин Ю.П., Разуванов Н.Г.,СвиридовВ.Г.,ЧекменеваE.C.,ШашуринА.Д.ИсследованиеМГДтеплообмена жидкого металла при течении в вертикальной трубе. XIVМинский международный форум по тепло- и массообмену. Тезисы доклада,доклад. Минск. 2012. т. 1. C. 198-2015. Генин Л.Г., Мельников И.А., Ивочкин Ю.П., Разуванов Н.Г.,Свиридов В.Г., Свиридов Е.В. Особенности теплообмена жидкометаллическоготеплоносителя в термоядерном реакторе-токамаке. Российская конференция помагнитной гидродинамике. Пермь. 2012. С. 27-286.