Диссертация (Исследование теплогидравлических характеристик шаровых засыпок при радиальном течении теплоносителя в условиях объемного тепловыделения), страница 12

3.17. Сетка контрольных объемовПерфорированная решетка без шаровой засыпкиДля верификации математической модели были проведены численныерасчеты для перфорированной решетки без шаровой засыпки. В результате этихрасчетов были получены картины полей давления и скорости. Примеры такихкартин представлены на рис. 3.18, рис. 3.19.99Рис.

3.18. Поле полного давления при массовой скорости воды 345 кг/(м2·с)Рис. 3.19. Поле скорости при массовой скорости воды 345 кг/(м2·с)Для получения количественных значений потерь давления были построеныграфики распределения давления по оси X, перпендикулярной к пластине инаправленной по потоку. При этом полное давление было разбито на статическоеи динамическое давление. Пример распределения давления вдоль оси X приведен100на рис. 3.20.

Пунктирными линиями отмечено положение перфорированнойпластины.Рис. 3.20. Распределение давления по оси х при течении через перфорированнуюпластину: ρU = 345 кг/(м2·с)На графике можно видеть, что потери полного давления происходят зарешеткой. При сопоставлении характера зависимостей давления, представленныхна рис.

3.20 и рис. 3.2 можно отметить их качественное соответствие.В результате обработки данных распределения давления по оси X (рис.3.20) были определены потери давления на решетки без засыпки в зависимости отмассовойскоростижидкости.Сопоставлениерезультатовчисленногоиэкспериментального исследования приведено на рис. 3.21.Поэкспериментальнымданнымбылирассчитаныкоэффициентыгидравлического сопротивления перфорированной решетки по формуле (3.2).Полученная зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числаРейнольдса представлена на рис.

3.22. На рис. 3.22 также представленыэкспериментальные данные автора и результаты расчета по рекомендациям [29].101Рис. 3.21. Зависимость потерь давления от массовой скорости жидкостиРис. 3.22. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числаReoНаблюдаетсякачественноесовпадениерезультатов,количественнорасхождение результатов численного моделирования и экспериментальныхданных не превышает 7%. Полученные результаты численного моделирования102удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными и табличнымизначениями, показана корректность математической модели и достоверностьрезультатовчисленногомоделирования.Математическаямодельможетиспользоваться для дальнейших расчетов.Перфорированная решетка с шаровой засыпкойПри выполнения численного моделирования геометрия расчетной области исетка были такие же, как в предыдущем пункте.

За пластиной располагаласьшаровая засыпка, которая описывалась моделью пористой среды. Вязкостный иинерционный коэффициенты сопротивления определялись по формулам (3.4).В результате моделирования получены картины полей давления и скорости.Примеры таких картин представлены на рис. 3.23 и рис. 3.24.Рис. 3.23. Поле полного давления: ρU = 345 кг/(м2·с)103Рис. 3.24.

Поле скорости: (ρU = 345 кг/(м2·с).Далее также как для решетки без шаровой засыпки были построеныграфики распределения давления вдоль оси X перпендикулярной к пластине инаправленной по потоку. Пример графика приведен на рис. 3.25. На рис. 3.25пунктирными линиями отмечено положение перфорированной решетки. Давлениепостроено вдоль двух линий: линия (1) проходит вдоль оси симметрии отверстияпластины, линия (2) проходит через участок пластины без отверстий. На графикевидна зона перестроения потока после выхода из отверстий пластины.Перестроение потока заканчивается на расстоянии 1 мм за пластиной, далеедавление меняется линейно, что характерно для шаровой засыпки прииспользовании модели пористой среды.104Рис.

3.25. Распределение давления по оси x. (ρU = 345 кг/(м2·с).Расчеты были проведены для всего диапазона массовых скростей жидкости,реализуемых в эксперименте. Результаты расчетов были обработаны аналогичнообработке экспериментальных данных, описанной в пункте 3.1.1. Зависимостькоэффициента гидравлического сопротивления от числа Reo приведена на рис.3.26. Коэффициент гидравлического сопротивления, полученный при обработкеданныхчисленногоэкспериментальнымимоделированиязначениями.сильноВероятно,завышеносновнаяпосравнениюпричинастакогорасхождения связана с использованием модели пористой среды для шаровойзасыпки. Такая модель не учитывает наличие зоны с повышенной пористостью, а,следовательно, с пониженными потерями давления у стенок.

Кроме того, такаямодель не может корректно описать зону перестроения потока после выхода изотверстий пластины.Следовательно, для получения корректных результатов необходимонепосредственно моделировать как перфорированную пластину, так и шаровуюзасыпку. Такое моделирование не входит в объем данной работы.105Рис. 3.26. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от Reo2. Численное моделирование с использованием модели пористой средыдля решетки и засыпкиПрямое численное моделирование, когда все поверхности в расчетнойобласти моделируются непосредственно, дает хорошие результаты, а такжевозможность увидеть и проанализировать структуру течения между отдельнымиэлементами геометрии. Однако такой способ требует больших затрат машинноговремени, которые значительно возрастают с увеличением размеров расчетнойобласти.

Кроме этого в реальных конструкциях не всегда есть возможностьвыделить ячейку симметрии и необходимо выполнять моделирование всейрасчетной области. При таких условиях необходимо принять упрощения длявыполнения численного моделирования, а именно использовать модели пористойсреды. В ANSYS Fluent, как было описано выше, модель пористой средыпредполагаетзаданиекоэффициентовсопротивления.Привыполнениимоделирования с использованием модели пористой среды, шаровая засыпка иперфорированные пластины представляются пористыми средами.

Коэффициенты106сопротивления перфорированной пластины и шаровой засыпки определены вышена основе собственных экспериментальных данных.Математическая модель при моделировании таким способом требуетверификации. Для моделирования в подпрограмме Design Modeler ANSYS былапостроенадвумернаягеометриярасчетнойобласти,поразмерам,соответствующая РУ №1. Далее в подпрограмме Meshing ANSYS была построенаквадратная сетка контрольных объемов, состоящая из 95000 элементов.Численноемоделированиепроводилосьдлярежимныхпараметровэксперимента, как для участка без засыпки, так и с засыпкой.

Результатамичисленного моделирования стали зависимости потерь давления от координаты имассового расхода, которые были сопоставлены с экспериментальными данными.На рис. 3.27 представлены данные для участка без засыпки. Видно, что для однойрешетки значения, полученные экспериментально и численно хорошо совпадают,расхождение не превышает 5%.Рис. 3.27. Зависимость потерь давления от массовой скорости. ▲ –экспериментальные данные автора, линия – результаты численногомоделирования107Данные для рабочего участка с засыпкой представлены на рис. 3.28.Экспериментальные значения удовлетворительно согласуются с результатамичисленного моделирования, расхождение результатов не превышает 10%.Таким образом показано, что численное моделирование гидродинамики сиспользованием модели пористой среды для шаровой засыпки и удерживающихееперфорированныхрешетокдаетудовлетворительноесоответствиеэкспериментальным данным, а, следовательно, такую модель можно использоватьдля дальнейших расчетов и анализа реальных конструкций.Рис.

3.28. Зависимость потерь давления от массовой скорости для разной высотызасыпки h: ●, ■, ▲ – экспериментальные данные автора, линии – результатычисленного моделирования3.2.Исследование потерь давления и теплообмена при радиальномтечении жидкости через шаровую засыпкуЭксперименты проводились на рабочем участке №2. РУ №2 моделируеттепловыделяющую сборку с микротвэлами. В ходе проведения экспериментовфиксировались значения перепада давления, объемного расхода воды иизмерялась температура воды с помощью термопар, установленных в рабочем108участке.Основнаяцельпроведенияэкспериментов–верификацияматематической модели ANSYS Fluent при радиальном течении теплоносителя ивнутреннем тепловыделении.3.2.1.

Результаты экспериментального исследования потерь давления прирадиальном течении жидкости через шаровую засыпкуЭксперименты по определению потерь давления проводились в диапазонемассового расхода жидкости от 0,05 до 0,6 кг/с, что соответствует массовымскоростям ρU = 315 ÷3300 кг/(м2·с), при температуре жидкости 20ºС. Пористостьзасыпки равна ε = 0,385.Для конструкций тепловыделяющих сборок с микротвэлами важной задачейявляется определение оптимальной степени перфорации чехлов, удерживающихшаровую засыпку, поскольку потери давления на чехлах вносят весьма высокийвклад в общие потери давления.

Для учета вклада внутреннего и внешнегоперфорированных чехлов в общие потери давления в рабочем участке былипроведены эксперименты без шаровой засыпки, результаты этих экспериментовпоказаны на рис. 3.29. Затем было проведено несколько серий экспериментов сшаровой засыпкой при одинаковых режимных параметрах, результаты этихэкспериментовпредставленынарис.3.29.Можноотметитьхорошуювоспроизводимость результатов, расхождение результатов данных разныхэкспериментов не превышает 5%.109Рис.

3.29. Зависимость потерь давления от массовой скорости жидкости.3.2.2. Результатыэкспериментальногоисследованиятеплообменаираспределения температуры при радиальном течении жидкостичерез шаровую засыпкуВ ходе проведения экспериментов фиксировались потери давления нарабочем участке, расход теплоносителя, распределение температуры в рабочемучастке, а также разность температур жидкости и стенки. Исследованиепроводилось в диапазоне расходов теплоносителя от 0,1 до 0,6 кг/с и подводимойэлектрической мощности от 5 до 10 кВт, что соответствует объемномутепловыделению в засыпке от 4,3 до 9,3·107 Вт/м3.В результате экспериментов были измерены температуры жидкости в разныхточках засыпки при разных расходах и тепловыделениях.