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

1Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное УчреждениеВысшего Профессионального Образования«Национальный Исследовательский Университет «МЭИ»Объединенный Институт Высоких ТемпературРоссийской Академии Наукна правах рукописиМельников Иван АлександровичИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНАМГД-ТЕЧЕНИЙ В ВЕРТИКАЛЬНОЙ ТРУБЕ В ПОПЕРЕЧНОММАГНИТНОМ ПОЛЕСпециальность 01.04.14 – «Теплофизика и теоретическая теплотехника»Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель: к.т.н., доцент Свиридов Е.В.Москва 2014 г2ОГЛАВЛЕНИЕСписок используемых сокращений .........................................................

4Список условных обозначений ................................................................ 5Введение ................................................................................................... 91 Современное состояние вопроса ........................................................ 161.1 Математическое описание исследуемых процессов ...................... 161.1.1 Гидродинамика и теплообмен при течении жидких металлов вотсутствие магнитного поля. ................................................................. 211.1.2 Гидродинамика и теплообмен при ламинарном течении ЖМ впоперечном МП ......................................................................................

221.1.3 Гидродинамика и теплообмен при турбулентном течении ЖМв поперечном МП ................................................................................... 241.2 Выводы по современному состоянию вопроса ............................... 322 Экспериментальные исследования ..................................................... 332.1 Цель исследования ........................................................................... 332.2 Экспериментальный стенд ...............................................................

352.2.1 Рабочий участок............................................................................. 362.2.2 Рычажный зонд со сферическим шарниром ................................ 402.2.3 Автоматизированная система научных исследований. ............... 422.3 Методика экспериментальных исследований .................................

442.3.1 Коэффициент теплоотдачи ............................................................ 442.3.2 Плотность теплового потока ......................................................... 452.3.3 Температура стенки ....................................................................... 462.3.4 Среднемассовая температура жидкости ....................................... 462.3.5 Расход ............................................................................................. 472.3.6 Индукция магнитного поля ........................................................... 472.3.7 Поле температуры ......................................................................... 482.3.8 Статистические характеристики температурных пульсаций ...... 482.3.9 Погрешности экспериментальных исследований ........................

5032.4 Результаты экспериментов ............................................................... 542.4.1 Коэффициенты теплоотдачи и локальная температура стенки .. 542.4.2 Поля температур и интенсивностей температурных пульсаций 592.4.3 Область влияния свободной конвекции на теплообмен впоперечном магнитном поле ................................................................. 652.5 Выводы по результатам экспериментальных исследований ......... 683 Численное моделирование .................................................................. 693.1 Цель исследования ...........................................................................

693.1.1 Среда численного моделирования ANES20XE ............................ 693.1.2 Расчетный комплекс ...................................................................... 703.1.3 Исследуемая конфигурация .......................................................... 713.1.4 Математическое описание ............................................................ 723.1.5 Цилиндрическая система координат ............................................

743.1.6 Декартова система координат ....................................................... 763.1.7 Граничные условия ........................................................................ 783.1.8 Влияние поперечного магнитного поля на турбулентныйперенос ....................................................................................................

793.2 Результаты моделирования .............................................................. 843.2.1 Коэффициенты теплоотдачи и локальная температура стенки .. 843.2.2 Использование различных систем координат и CAD-геометрии 883.3 Выводы по расчетным исследованиям ............................................ 94Заключение ............................................................................................. 95Список используемых источников ........................................................ 964СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙАКФ – автокорреляционная функцияАСНИ – автоматизированная система научных исследованийАЭС – атомная электростанцияДСК – декартова система координатЖМ – жидкий металлКОП – канал общего пользованияКТО – коэффициент теплоотдачиМГД – магнитная гидродинамикаМП – магнитное полеПО – программное обеспечениеСК – свободная конвекцияТГК – термогравитационная конвекцияТИН – термоядерный источник нейтроновТОКАМАК – тороидальная камера с магнитными катушкамиТЯР – термоядерный реакторЦСК – цилиндрическая система координат5СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙОбозначениеВеличинаКоординаты:, ,Декартовы координаты, м, ,Цилиндрические координаты, ( , : м, : рад)Векторные величины:=(=(;;;);Скорость,)мсПлотность теплового потока на стенке,=(;;)Индукция магнитного поля, Тл=(;;)Напряженность магнитного поля,=(;;)Индукция электрического поля,=(;;)Напряженность электрического тока,=( ; ; )=(=(;;;;Плотность тока,Ам)Электромагнитная сила, Н)Сила плавучести, НСкалярные величины:Время, сРадиус трубы, мДиаметр трубы, мТолщина стенки, мДиаметр королька термопары, мАмКлмВмВтм6Средняя скорость по сечению,БезразмернаямспродольнаякомпонентаскоростиБезразмерное расстояние от стенки трубыБезразмерная толщина вязкого подслояУскорение свободного падения,мсДавление, ПаКоэффициент гидравлического сопротивленияТемпература, ℃Интенсивность пульсаций температуры, ℃Интенсивностьпульсацийтемпературыотсутствие магнитного поля, ℃ΘБезразмерная температура стенкиСреднемассовая температуры жидкости, ℃Коэффициент теплоотдачи,Втм ∙КНапряжение, ВСила тока, АТеплопроводность,Втм∙КТемпературопроводность,мсМагнитная проницаемость среды,ГнмДиэлектрическая проницаемость средыКинематический коэффициент вязкости,Динамический коэффициент вязкости,Плотность,кгмЭлектропроводность,Ом∙ммкгм∙ссв7Теплоемкость,Джкг∙ККоэффициентрасширения,объемноготермическогоКПлотность электрического заряда,Критерии подобияЧисло РейнольдсаЧисло ПрандтляЧисло ПеклеЧисло ГартманаЧисло НуссельтаЧисло ГрасгофаПараметр МГД-взаимодействияКлм8Индексы:ТурбулентныйЛаминарный(Hartmann) Учет магнитного поля(Wall) Стенка(Average) Среднее по периметру (сечению) значениеСечение на входе в рабочий участокСечение на выходе из рабочего участка(штрих)Мгновенное значение величины X(черта)Осредненное значение величины X(тильда)Безразмерная величина X (или отнесенная к ч-л)9ВВЕДЕНИЕЖидкие металлы (ЖМ), обладая специфическими особенностями,являютсяперспективнымитеплоносителямивразличныхотрасляхэнергетики.

Наиболее перспективным выглядит использование ЖМ втермоядерных реакторах (ТЯР) типа ТОКАМАК для охлаждения дивертора ибланкета, где ЖМ циркулирует в условиях сильного магнитного поля (МП).В последние годы интерес к ЖМ теплоносителям существенно возрос.Это связано с новой концепцией развития ядерной энергетики, основанной насоздании гибридного термоядерного реактора – термоядерного источниканейтронов (ТИН) [1].

Основное предназначение ТИН это наработка ядерноготоплива для атомных электростанций (АЭС), а также снижение активностиминорных актинидов в отработанном ядерном топливе, другими словами,дожигание ядерных отходов. Для работы ТИН не нужно обеспечиватьсамоподдерживающуюся ядерную реакцию, что позволяет существенноснизить рабочие параметры установки, а также снизить ее стоимость [2].Использование воды для охлаждения первого контура ТИНа неприемлемо,т.к.

вода – эффективный замедлитель нейтронов. В свою очередь ЖМ илирасплавы солей (флайбы) являются предпочтительным теплоносителембланкета ТИНа (Рис. В.1) [3].Рис. В.1. Модуль бланкета дожигателя отходов10Создание таких реакторов станет важным шагом при проработке ядерныхтехнологий будущих энергетических установок.В настоящее время мировое сообщество трудится над созданиеммеждународногоэкспериментальноготермоядерногореактора(ITER),проектирование которого было завершено в 2001 году (Рис.

В.2). В 2013 годуначато строительство ITER в Кадараше (Франция). Несмотря на водянуюконцепциюохлажденияконструированиебланкетаотдельныхЖМреактора(Рис.модулейдляВ.3),планируетсянаработкитрития,получаемого в результате облучения лития нейтронами [4], [5].Рис. В.2. Проект ITERКонструкция бланкетаМодуль бланкета с двумятеплоносителямиРис. В.3.

Элементы бланкета проекта ITER11При проектировании элементов ТЯР необходимо знать закономерностигидродинамики и теплообмена ЖМ в магнитном поле. Эти закономерностисущественнозависятотпараметровМГД-конфигурации:взаимнаяориентация векторов скорости потока и индукции магнитного поля, форма игеометрические размеры канала, ориентация канала в поле силы тяжести,электропроводностьматериаластенки,характеробогрева.Поэтомудетальное исследование всех возможных МГД-конфигураций являетсяважнейшей практической задачей. В настоящее время нельзя говорить ополноте таких данных.На протяжении многих лет на кафедре Инженерной Теплофизикисовместно с ОИВТ РАН проводятся комплексные экспериментальные ирасчетно-теоретическиеисследованиягидродинамикиитеплообменажидкометаллических теплоносителей в магнитном поле.

Исследуютсятеченияртутивпоперечномипродольноммагнитныхполях,вгоризонтальных, наклонных и вертикальных каналах различной геометрии, соднородным и неоднородным по периметру трубы обогревом.В работах [6], [7] был обнаружен ряд неожиданных и даже опасныхэффектов, вызванных влиянием свободной конвекции на течение. Оказалось,что использование существующих расчетных рекомендаций об осредненныхпо периметру канала коэффициентах теплоотдачи при проектированиитеплообменникаколичественнонеприемлемо.икачественноЗакономерностиизменятьсятеплообменавзависимостимогутотМГД-конфигурации и необходимо исследовать каждую конфигурациюотдельно.12Данная диссертационная работа представляет собой очередной этапэтих исследований, посвящённый экспериментальному и численномуисследованиямзакономерностейнеисследованнойранеегидродинамикиМГД-конфигурации:итеплообменаопускноетечениеввертикальной круглой трубе в поперечном магнитном поле в условияхнеоднородного по периметру трубы обогрева.Диссертация общим объемом 102 страницы состоит из введения, трехглав и заключения, содержащего основные выводы по работе.