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

ОглавлениеСписок обозначений4Введение61. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.121.1 Математическое описание процесса131.2 Баланс энергии пульсационного движения. Уравнения баланса трёхпульсационных компонент.171.3 Классификация МГД-течений.181.4 Гидродинамика и теплообмен при течении жидкого металла в круглойтрубе.221.4.1 Течение жидкого металла в круглой трубе без магнитного поля. 221.4.2 Течении жидкого металла в продольном магнитном поле в круглой трубе.261.4.3 Течение жидкого металла в круглой трубе в поперечном магнитномполе.351.5 Гидродинамика и теплообмен при течении жидкого металла в плоскомканале.411.5.1.

Течение жидкого металла в плоском канале без магнитного поля 411.5.2 Течение жидкого металла в плоском канале в поперечном магнитномполе (задача Гартмана)421.5.3 Гидродинамика и теплообмен при течении жидкого металла в плоскомканале в поперечном магнитном поле.462. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИИЗМЕРЕНИЯ.612.1 Экспериментальная установка.612.2 Опытный участок.632.3 Измерительные зонды642.4 Методика экспериментальных исследований.6822.5 Оценка неопределенностей.722.6 АСНИ773. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.803.1 Опускное течение жидкого металла в магнитном поле.813.2 Подъемное течение жидкого металла в магнитном поле.944 МОДЕЛЬ ПОДАВЛЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОСТИ КОМПЛАНАРНЫММАГНИТНЫМ ПОЛЕМ.1104.1 Обобщение опытных данных.1104.2 Моделирование исследуемой задачи в системе ANES20XE116Выводы122Список литературы1233СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙx,y– декартовы координаты, м;z,φ,r- цилиндрические координаты;- угол наклона к горизонту;t– время, с;uм– скорость, с ;U– безразмерная скорость;2δ– двойная ширина канала, мм;y– текущая ширина, мм;Yy– безразмерная ширина канала;B– индукция магнитного поля, Тл;U– напряжение, В;I– сила тока, А;jА2– плотность тока, м ;EВ– напряженность электрического поля, м ;T– температура, C;Gкг– расход, с ;p– давление, Па;qcВт2– плотность теплового потока на стенке, м ;Вт2– коэффициент теплоотдачи, м  К1– коэффициент объемного термического расширения, К ;4Вт– коэффициент теплопроводности, м  К ;aм2– коэффициент температуропроводности, с ;мГн– магнитная проницаемость среды, м ;e– диэлектрическая проницаемость среды;Θс– безразмерная температура стенки;Θ– безразмерная температура;м2– кинематический коэффициент вязкости, с ;кг– динамический коэффициент вязкости, м  с ;кг3– плотность, м ;– безразмерная интенсивность пульсаций температуры, Cс1– удельная электропроводность, Ом  м ;cДж– удельная теплоемкость, кг  К ;gм2– ускорение свободного падения, с ;– коэффициент гидравлического сопротивления;ReкрHa– критическое число Рейнольдса;γ– коэффициент подавления турбулентности.5ВВЕДЕНИЕЖидкие металлы (ЖМ) являются перспективными теплоносителями втермоядерной и ядерной технике, также их широко используют и в другихобластях науки.Другим направлением, где ЖМ могут найти применение - это атомнаяэнергетика.

В настоящее время атомная энергетика базируется в основном нареакторах на тепловых нейтронах, которые используют в качестве топливаприродный уран, запасы которого ограничены. Отработавшее ядерноетопливо хранится, пока не будет решена проблема его переработки. Именноиз-за проблемы переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ)необходимо развитие и создание реакторов на быстрых нейтронах.Говоря о ЖМ в термоядерной технике, прежде всего, подразумевают ихиспользование в качестве теплоносителя в термоядерном реакторе типа«ТОКАМАК» [1-3]. Управляемый термоядерный синтез является практическинеисчерпаемым источником энергии, способным удовлетворить потребностьчеловечества в энергоресурсах.

Важным преимуществом термоядерныхреакторов (ТЯР) является практически полное отсутствие биологическиопасных радионуклидов с периодом полураспада в миллионы лет.Традиционно, основным вариантом теплоносителя рассматривается литий,посколькуонобладаетпрекраснымитеплофизическимисвойствами,удовлетворяет критериям экономичности, а также является сырьём длянаработки трития. Однако существенным недостатком лития является еговзрывоопасность при контакте с водой и воздухом, а это требует болеесложной конструкции теплоотвода.Применение жидкометаллической концепции охлаждения бланкета ТЯРтипа ТОКАМАК является одним из наиболее обсуждаемых вопросов втермоядерной энергетике. В ТЯР типа «токамак» течение теплоносителяпроисходит в сильных магнитных полях.

Поскольку жидкие металлыявляются электропроводной жидкостью, наличие магнитного поля (МП)6приводит к деформации полей скорости и температуры, что в свою очередьприводит к изменению гидравлического сопротивления и теплообмена впотоке.Длятехническойреализациитакойконцепцииохлаждениянеобходимы масштабные экспериментальные исследования гидродинамики итеплообмена в условиях, максимально приближенных к реальным, гдежидкометаллическийтеплоносительциркулируетприодновременномвоздействии магнитного поля и термогравитационной конвекции. В последнеевремя на базе научно-образовательного центра МЭИ-ОИВТ РАН сталовозможным получение экспериментальных данных на крупномасштабныхмодельных установках, адаптированных под исследование закономерностейМГД-теплообмена с использованием зондовых методов. Наряду с получениемопытных данных, которые могли бы быть использованы для валидации CFDкодов, важным направлением дальнейших исследований является разработкапростых алгебраических моделей для инженерных расчетов, не требующихбольшихвычислительныхисследованиюресурсов.закономерностейиНастоящаяпроцессаработапосвященаподавленияпульсацийтемпературы в магнитном поле под влиянием термогравитационнойконвекции при течении ртути в прямоугольном канале (соотношение сторон1:3).

Такая конфигурация течения соответствует российско-индийскомупроекту охлаждения бланкета ИТЭР [4].Диссертация общим объемом 129 страниц состоит из введения, четырехглав и выводов. Список цитируемых источников составляет 62 наименования.Во введении обосновывается актуальность темы диссертации.В первой главе приводится математическое описание процессов теченияэлектропроводной жидкости в магнитном поле.

Рассматривается современноесостояние вопроса исследования течения жидких металлов в магнитном полеибезнего.Приведенобзорлитературыохарактереподавлениятурбулентности в разных конфигурациях МГД течения: течение в круглых ипрямоугольных каналах в поперечном, продольном и компланарноммагнитных полях.7Вторая глава посвящена описанию экспериментального ртутного стенда,измерительных зондов и датчиков, методики измерения, системе АСНИ, атакже оценке неопределенности измеряемых величин. Также в главеприводятсяпроектымодифицированныхизмерительныхзондов,позволяющих проводить исследования в разных средах, таких как: свинец,расплавы солей, KOH и др.В третьей главе приводятся результаты проведенных экспериментов поисследованию подъемного и опускного течения жидкого металла впрямоугольном канале в компланарном магнитном поле с соотношениемсторон 1:3 в условиях двустороннего обогрева при низком значении тепловогопотока.

Представлены графики профилей безразмерной температуры иинтенсивности температурных пульсаций в исследуемом сечении канала,распределения безразмерной температуры стенки и локальные числаНуссельта на обогреваемых стенках, а также статистические характеристики:осциллограммы температуры, автокорреляционные функции и частотныеспектры.В четвертой главе представлен результат обобщения полученныхэкспериментальных данных по интенсивностям температурных пульсаций дляопускного и подъемного режимов течения.

Результатом обобщения являетсяалгебраическаямодельподавлениятурбулентностикомпланарныммагнитным полем. Также в главе представлены результаты численногомоделирования двух режимов течения в системе ANES20XE c использованиемполученной модели подавления турбулентности.В заключении содержаться основные выводы по работе.Целью работы является:1. Экспериментальное исследование подъемного и опускного теченияжидкого металла в копланарном магнитном поле при низких тепловыхнагрузках со слабым влиянием термогравитационной конвекции.

С помощьюзондовой методики измерения на экспериментальном ртутном стенде РК-2получение данных по профилям безразмерной температуры и интенсивности8температурных пульсаций, безразмерной температуре стенки, локальнымчислам Нуссельта, а также статистическим характеристикам температурныхпульсаций.Проведение2.обобщенияэкспериментальныхданныхпоинтенсивностям пульсаций температуры. Формулировка модели подавлениятурбулентности компланарным магнитным полем на основе обобщенияданных.3. Проведение численного моделирования исследуемой задачи сиспользованием полученной модели подавления.Научная новизнаВпервые получены комплексные экспериментальные данные по полямосреднённой температуры, интенсивностям температурных пульсаций,температурамстенки,статистическимхарактеристикампульсацийтемпературы при опускном и подъемном течении жидкого металла (ртути) впрямоугольном канале в компланарном магнитном поле при симметричномобогреве в широком диапазоне режимных параметров (Re, Ha, Gr).Впервыепредложенаалгебраическаямодельподавлениятурбулентности компланарным магнитным полем при незначительномвлиянии термогравитационной конвекции.