Диссертация (Исследование гидродинамики и теплообмена МГД-течений в вертикальной трубе в поперечном магнитном поле), страница 7

2.16 приведены характерные пульсации температуры вблизиRe=80000Re=35000Re=35000Re=12000Спектр мощностиRe=80000oТемпература, Cстенки в отсутствие магнитного поля и их спектры.Re=12000012345678910 11 12 13 14 1501020Частота, ГцВремя, сРис. 2.16. Осциллограммы пульсаций температуры при различных числахРейнольдса и их спектрыХорошо видно, что при Re=35000 и Re=80000 на рисунке виднытипичные турбулентные пульсации (и их спектры), влияние свободнойконвекции на гидродинамику невелико. Вынужденное течение преобладаетнад свободноконвективными.

Но при числе Рейнольдса 12000 в спектрепульсаций температуры имеется пик на частоте порядка 1 Гц. Начинаетразвиваться свободноконвективное течение и появляются низкочастотныетемпературные пульсации большой амплитуды.60Далее рассмотрим экспериментальные результаты по температурнымпульсациям в магнитном поле.

На Рис. 2.17 представлены осциллограммытемпературы вблизи стенки при различных числах Гартмана для режимов с< 0.1. В этих режимах СК не оказывает существенного влияния на потоки по пульсациям температуры могут быть оценены турбулентные пульсациискорости.Ha=500Температура, КHa=320Ha=220Ha=130012345678910 11 12 13 14 15Время, сРис. 2.17. Подавление пульсаций температуры магнитным полем(Re =35000, q1/q2=55/0 кВт/м2, Grq=0.6 ∙ 10 )Принято считать, что критическое число Рейнольдса при течении впоперечном МП может быть определено как:≅ 900Это означает, что во всех, реализуемых на установке, режимахтурбулентность должна быть подавлена полностью.

При отсутствии в потокевнутренних источников тепла, пульсации температуры могут быть вызванытолько пульсациями скорости. Поэтому и уровень турбулентных пульсацийдолжен был бы быть незначительным. Однако, как видно из Рис. 2.17,уровень пульсаций температуры остается ощутимым вплоть до Ha=320 ивыше. При этом стоит отметить, что качественного изменения характерапульсаций с ростом числа Гартмана не происходит.61На Рис. 2.18 приведены профили интенсивности температурныхпульсацийприразличныхчислахГартмана/характеризующихся небольшим соотношением1.601302205001.21.4.Ha=...1.21.00.801302205000.8 CC1.0режимов,1.6Ha=1.4для0.60.60.40.40.20.20.0-1.0-0.50.00.50.0-1.01.0-0.5R ()0.00.51.0R ()Рис.

2.18. Распределение интенсивности пульсаций температуры по сечению(Re =35000, q1/q2=55/0 кВт/м2, Grq=0.6 ∙ 10 )Увеличение числа Гартмана приводит к снижению интенсивностипульсаций, причем форма профиля для сечений=0и=сохраняется.На Рис. 2.19 приведены профили интенсивности температурныхпульсаций при различных числах Гартмана для режимов с большим1312 Ha=11109876543210-1.0/.0130220320550CCсоотношением-0.50.0R ()0.51.01312 Ha=11109876543210-1.00130220320550-0.50.00.51.0R ()Рис. 2.19. Распределение интенсивности пульсаций температуры по сечению(Re =12000, q1/q2=55/0 кВт/м2, Grq=0.6 ∙ 10 )62Из рисунка видно, что снижения уровня пульсаций температуры непроисходит.

Поле интенсивности температурных пульсаций в таких режимахпри наложении МП сначала медленно «растет», а затем изменяетсяскачкообразно с изменением своей формы. Очевидно, что гидродинамикапотокасущественноменяется.Развиваютсявторичныетечениятермогравитационного происхождения. В условиях совместного воздействияна течение массовых сил различной природы (электромагнитные силы, силыинерции и силы плавучести) в потоке формируется крупномасштабныевихревые структуры, захватывающие существенную область течения всечении трубы. Поперечное МП не препятствует, а, напротив, способствуетих развитию: стабилизирует вихри, разворачивая их оси параллельно векторуиндукции магнитного поля.Примерно такая же картина (Рис.

2.20) наблюдалась и в другойконфигурации обогрева – неоднородный обогрев q1/q2=35/15 кВт/м2.8Ha=76C5013022032043210-1.0-0.50.00.51.0R ()Рис. 2.20 Распределение интенсивности пульсаций температуры по сечению(Re =20000, q1/q2=35/15 кВт/м2, Grq=0.6 ∙ 10 )63Необходимоотметить,чтоодностороннийобогревявляетсяпредельным случаем неоднородного и, пожалуй, наиболее близким кусловиямконтуровохлажденияпервойстенкиТЯР.Крометогоодносторонний обогрев является дополнительным дестабилизирующимфактором.На Рис.

2.21 приведены характерные для одностороннего обогреваосциллограммы температуры в разных точках сечения трубы.Y1.0U, gОбогреваемая стенка0.5X0.0qw-0.5BТемпература, T/(TOUT-ТIN)-1.01.0Центр трубы0.50.0-0.51.0-1.0Необогреваемая стенка0.50.0-0.5-1.005101520Время, сРис. 2.21.

Осциллограммы температуры в различных точкахсечения трубы (Re =12000, Ha=300, q1/q2=55/0 кВт/м2, Grq=0.6 ∙ 10 )64Как видно из рисунка, имеют место низкочастотные пульсациитемпературы с аномально высокой амплитудой, которая сопоставима стемпературнымнапоромврабочемучастке.Такиенизкочастотныепульсации в условиях реального теплообменника глубоко проникают встенкуканалов,создаваятемсамымдополнительнуюпеременнуютермическую нагрузку, и могут вызвать преждевременное разрушениестенки.

Реализация таких режимов в теплообменнике крайне опасна иприводит к нештатной работе теплообменного аппарата и преждевременномувыходу его из строя.На Рис. 2.22 представлены трехмерные картины распределенияинтенсивности пульсаций температуры режимов с существенным влияниемТГК.Ha=0Ha=320Рис.

2.22. Поле интенсивности температурных пульсаций(Re =12000, q1/q2=55/0 кВт/м2, Grq=0.6 ∙ 10 )Как видно из рисунка, в магнитном поле в условиях воздействия ТГКуровень интенсивности температурных пульсаций существенно больше, чемуровень турбулентных пульсаций температуры без МП.652.4.3 Область влияния свободной конвекции на теплообмен впоперечном магнитном полеНа Рис. 2.23 представлены характерные зависимости относительнойинтенсивноститемпературныхпульсаций( =;-интенсивностьпульсаций температуры без МП) от числа Гартмана для режимов сосущественным влиянием СК и без него.

На Рис. 2.23 экспериментальныеточки соединены линиями лишь для увеличения наглядности картины и этилинии не должны трактоваться как интерполяция имеющихся значений.5Re=12000Re=20000Re=35000Re=50000Re=80000403210050100150200250300350400450500550HaРис. 2.23. Зависимость относительной интенсивности температурныхпульсаций от числа Рейнольдса при различной величине МП(q1/q2=55/0 кВт/м2, Grq=0.6 ∙ 10 )Как видно из полученных результатов, существует два семействакривых, по форме которых можно судить о влиянии свободной конвекции нагидродинамику и теплообмен при течении ЖМ в поперечном МП.66На Рис.

2.24 представлено обобщение полученных опытных данных поотносительной интенсивности температурных пульсаций в трехмерном виде= (,).4.05002.040004.55.01.54.54.03.03003.53.5Ha3.02.52002.01.5100020000300004000050000ReРис. 2.24. Трехмерное поле относительной интенсивности температурныхпульсаций (q1/q2=55/0 кВт/м2, Grq=0.6 ∙ 10 )На основании Рис. 2.24 можно определить зону режимных параметров,в которой существенное влияние на гидродинамику и теплообмен оказываетсвободная конвекция. На Рис. 2.25 отображена граница такой области взависимости от числа Грасгофа.77x10Ha=...H 20076x1030040050075x10Grq74x1073x1072x1071x1010000100000ReРис.

2.25. Границы проявления эффекта в зависимости от числа Грасгофа67С ростом числа Грасгофа граница области существенного влияниясвободной конвекции смещается в сторону больших чисел Рейнольдса./Такую границу удобно анализировать в координатах/и(Рис.2.26).5.04.54.03.52.52Ha /Re3.02.01.51.00.50.00.00.10.20.30.40.50.62Gr/ReРис. 2.26. Границы проявления эффектаПлощадь под графиком образует область, где влияние свободнойконвекции не существенно. При больших значениях> 0.2 наложениедаже слабого магнитного поля приводит к развитию в потоке вторичныхтечений. Уменьшениеприводит к тому, что влияние свободной< 0.1конвекции начинает проявляется при большей величине МП. И присущественное влияние свободной конвекции на течение не зафиксированодаже при максимальном реализуемом на стенде соотношенииместо асимптотическое поведение кривой на графике вблизи.

Имеет= 0.1.682.5 ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙВпервые получены экспериментальные данные по полям температур,полям интенсивностей температурных пульсаций, рассчитаны коэффициентытеплоотдачи по МГД теплообмену в вертикальной круглой трубе впоперечном МП в условиях неоднородного по периметру трубы обогрева.Впервые была определена область существенного влияния свободнойконвекции в такой МГД-конфигурации. Обнаружено, что в условияхнеоднородного по периметру трубы обогрева граница такой областисмещается в сторону больших чисел Рейнольдса.

Показано, что развитиевторичных течений в условиях магнитного поля приводит к появлениюнизкочастотныхпульсацийаномальновысокойамплитуды,представляют опасность для конструкции теплообменника.которые693 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕДляпроектированиятеплообменныхконтуровперспективныхэнергетических установок необходимо иметь верифицированные расчетныемодели и программные коды. Автором были получены экспериментальныеданныепокоэффициентаминтенсивноститеплоотдачи,полямтемператур,температурных пульсаций.Такимобразомполямчисленноемоделирование задачи, основанное на экспериментальных данных, являетсялогичным продолжением и дополнением исследования предложенной МГДконфигурации течения.3.1 ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯПеред автором была поставлена задача по разработке кодов численногомоделирования гидродинамики и теплообмена опускного МГД-теченияжидкого металла в круглой трубе в поперечном магнитном поле.

Разработкарасчетных кодов проводится в среде численного моделирования ANES20XE,созданной на кафедре инженерной теплофизики НИУ МЭИ научной группойЯнькова Г.Г.3.1.1 Среда численного моделирования ANES20XEКомпьютерныймоделированияодно-,коддвух-(пакет)иAnes20XEтрехмерныхпредназначентеченийдляоднофазноймногокомпонентной сплошной среды в областях сложной геометрическойформы, содержащих внутри твердые проницаемые или непроницаемыеобъекты [34].

В составе кода имеется набор математических моделей ичисленных алгоритмов для решения широкого класса задач гидродинамики итепломассообмена.70Пакет Anes20xe предназначен для работы в операционных системахWindows, Linux и кластерах под управлением Windows или Linux. Главныеотличия обновленной версии от предыдущей заключаются в следующем:1) в коде реализованы параллельные вычисления на основе технологии MPI;2) пакет адаптирован для работы в ОС Linux и на кластерах;3) наряду со структурными сетками реализованы неструктурные декартовыесетки с локальным дроблением;В основе пакета Anes20XE лежит метод контрольных объемов. Однимиз важных свойств метода контрольного объема является то, что в немзаложено точное интегральное сохранение таких величин, как масса,количество движения и энергия на любой группе контрольных объемов и,следовательно, на всей расчетной области.