Автореферат (Исследование теплообмена жидкого металла в плоском вертикальном канале в компланарном магнитном поле применительно к системе охлаждения реактора-токамака)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫПрименение жидкометаллической концепции охлаждения бланкета ТЯР типаТОКАМАК является одним из наиболее обсуждаемых вопросов в термоядернойэнергетике. В ТЯР типа «токамак» течение теплоносителя происходит в сильныхмагнитных полях. Поскольку жидкие металлы являются электропроводнойжидкостью, наличие магнитного поля (МП) приводит к деформации полейскорости и температуры, что в свою очередь приводит к изменениюгидравлического сопротивления и теплообмена в потоке. Для техническойреализациитакойконцепцииохлаждениянеобходимымасштабныеэкспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена в условиях,максимальноприближенныхкреальным,гдежидкометаллическийтеплоноситель циркулирует при одновременном воздействии магнитного поля итермогравитационной конвекции. В последнее время на базе научнообразовательного центра МЭИ-ОИВТ РАН стало возможным получениеэкспериментальных данных на крупномасштабных модельных установках,адаптированных под исследование закономерностей МГД-теплообмена сиспользованием зондовых методов.

Наряду с получением опытных данных,которые могли бы быть использованы для валидации CFD кодов, важнымнаправлениемдальнейшихисследованийявляетсяразработкапростыхалгебраических моделей для инженерных расчетов, не требующих большихвычислительных ресурсов.Диссертационнаяработапосвященаисследованиюзакономерностейтеплообмена и процесса подавления пульсаций температуры компланарныммагнитным полем под слабым влиянием термогравитационной конвекции притечении ртути в прямоугольном канале (соотношение сторон 1:3).

Такаяконфигурациятечениясоответствуетроссийско-индийскомупроектуохлаждения бланкета ИТЭР.Целью работы является:Экспериментальное исследование подъемного и опускного течения жидкогометалла в копланарном магнитном поле при низких тепловых нагрузках со3слабым влиянием термогравитационной конвекции. С помощью зондовойметодики измерения на экспериментальном ртутном стенде РК-2 получитьданныепопрофилямбезразмернойтемпературыиинтенсивностямтемпературных пульсаций, безразмерным температурам стенки, локальнымчислам Нуссельта, а также статистическим характеристикам температурныхпульсаций.Проведение обобщения экспериментальных данных по интенсивностипульсаций температуры.

На основе обобщения данных сформулировать модельподавления турбулентности компланарным магнитным полем.Проведениечисленногомоделированияисследуемойзадачисиспользованием полученной модели подавления.Научная новизна работы:Впервые получены комплексные экспериментальные данные по полямосреднённойтемпературы,интенсивноститемпературныхпульсаций,температурам стенки, статистическим характеристикам пульсаций температурыпри опускном и подъемном течении жидкого металла (ртути) в прямоугольномканале в компланарном магнитном поле при симметричном обогреве в широкомдиапазоне режимных параметров (Re, Ha, Gr).Впервые предложена алгебраическая модель подавления турбулентностикомпланарныммагнитнымполемпринезначительномвлияниитермогравитационной конвекции. Обнаружена аналогия между степеньюподавления турбулентного переноса компланарным полем в прямоугольномканале и поперечным полем в круглой трубе.

Данные численного моделированияс использованием предложенной модели согласуются с экспериментальнымирезультатами.Достоверность полученных результатов подтверждается:- использованиемметодикиизмерений,котораяхорошосебязарекомендовала и была многократно апробирована в ранее проведенныхисследованияхнакафедреинженернойтарировкой всех используемых датчиков;4теплофизики,предварительной- автоматизацией эксперимента с помощью современного оборудования,статистической обработкой больших массивов первичных данных, выполненнойвпрограммнойсредеLabVIEW,библиотекойэффективных программстатистического анализа данных;- соответствием полученных данных общим физическим представлениям охарактере воздействия компланарного магнитного поля на турбулентность.Практическая ценностьПолученные опытные данные о коэффициентах теплоотдачи, поляхосредненнойтемпературыитемпературныхпульсациймогутбытьиспользованы как при конструкторских проработках теплообменных системреактора-токамака, так и для валидации компьютерных кодов численногомоделирования процессов теплообмена.

Предложенная алгебраическая модельподавления турбулентности позволяет проводить инженерные оценочныерасчеты процессов теплообмена в условиях существенного воздействиямагнитного поля.Основные положения, выносимые на защиту:Результатыэкспериментальногоисследованияполейтемпературы,распределения температуры стенки, интенсивности температурных пульсацийпри опускном и подъемном течении жидкого металла в прямоугольном канале вкомпланарном магнитном поле.Результаты обобщения экспериментальных данных, алгебраическая модельподавления турбулентности компланарным магнитным полем.Результаты численного моделирования характеристик теплообмена сиспользованием полученной алгебраической модели.Апробация работыРезультаты исследований докладывались на:1.

Шестой Российской национальной конференции по теплообмену,г. Москва, 2014 г.;2. Российской конференции по магнитной гидродинамике, г. Пермь, 2015г.53. Конференции молодых специалистов «Инновации в атомной энергетике»,г. Москва, 2015 г.;4. Научно-технической конференции «Теплофизика реакторов новогопоколения», г. Обнинск, 2016 г.;5. Двадцать первой школе-семинаре молодых ученых и специалистов подруководством академика РАН А.И. Леонтьева. «Проблемы газодинамики итепломассобмена в энергетических установках», г.

Санкт-Петербург, 2017 г.6. Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодыхученых «22 Сибирский теплофизический семинар», г. Новосибирск, 2017 г.7. Международной конференции «Современные проблемы теплофизики иэнергетики», г. Москва, 2017 г.Автор защищаетРезультатыэкспериментальногоисследованияполейтемпературы,распределения температуры стенки, интенсивности температурных пульсацийпри опускном и подъемном течении жидкого металла в прямоугольном канале вкомпланарноммагнитномполе.Алгебраическуюмодельподавлениятурбулентности и результаты численного моделирования с её использованием.ПубликацииСодержание диссертационной работы изложено в статьях и докладах,опубликованныхавторомвсоавторстве,втрудахотечественныхимеждународных конференций, список которых дан выше. Основное содержаниеработы представлено в публикациях в журналах, входящих в перечень ведущихрецензируемых журналов и изданий ВАК.Структура и объем работыДиссертация общим объемом 129 страниц состоит из введения, четырех глави выводов.

Список цитируемых источников составляет 62 наименования.6СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо Введении изложена актуальность темы диссертации: перспективностьисследования гидродинамики и теплообмена при течении жидкого металла(ЖМ)вмагнитномполе(МП)применительнокиспользованиюжидкометаллического охлаждения активной зоны ТЯР.Первая глава представляет собой обзор литературных данных посовременному состоянию вопроса исследования течения ЖМ в МП и без.Приведен обзор литературы о характере подавления турбулентности в разныхконфигурациях МГД течения: течение в круглых и прямоугольных каналах впоперечном, продольном и компланарном МП.Необходимо исследовать течение ЖМ в компланарном МП, т.к.

характер еговоздействия на течение существенно отличается от продольного и поперечногоМП. Помимо этого, течение ЖМ в компланарном МП в канале с соотношениемсторон 1:3 является реальной практической задачей (российско-индийскийпроект охлаждения бланкета ИТЭР).Вторая глава посвящена описанию экспериментального ртутного стенда,измерительных зондов и датчиков, методики измерения, системе АСНИ, а такжеоценке неопределенности измеряемых величин. Также в главе приводятсяпроекты разработанных автором модифицированных измерительных зондов,позволяющих проводить исследования в разных средах, таких как: свинец,расплавы солей, KOH и др.Эксперименты проводились на объединенном уникальном ртутном стендеМЭИ-ОИВТ РАН (РК-2).

Рассматривается опускное и подъемное течения ЖМ впрямоугольном канале в компланарном МП (Рисунок 1). Циркуляция ртутиосуществляется с помощью электромагнитного насоса (8) из сосуда (10).Рабочий участок расположен в зазоре между двумя полюсами электромагнитапостоянного тока (3). После рабочего участка ртуть последовательно проходитчерез холодильниктипа«трубавдифференциальным манометром (7).7трубе»(5)ирасходомер(6)с4211к вакуум.