Автореферат (Моделирование процессов тепломассопереноса при течении двухфазных потоков в зернистых средах)

На правах рукописиХРАМЦОВ ДМИТРИЙ ПЕТРОВИЧМОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИТЕЧЕНИИ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ В ЗЕРНИСТЫХ СРЕДАХСпециальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехникаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2019 г.Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательногоучреждении высшего образования «Московский политехнический университет» накафедре «Термодинамика и неравновесные процессы переноса».Научный руководитель:доктор технических наук, профессор, чл.-корр. РАНПокусаев Борис Григорьевичпрофессор кафедры «ХимБиотех», Федеральноегосударственноебюджетноеобразовательноеучреждение высшего образования «Московскийполитехнический университет»Официальные оппоненты:Деревич Игорь Владимировичдоктор технических наук, профессор, Федеральноегосударственноебюджетноеобразовательноеучреждение высшего образования «Московскийгосударственныйтехническийуниверситетимени Н.Э.

Баумана (национальный исследовательскийуниверситет)», профессор кафедры «Прикладнойматематики»Пилипенко Николай Васильевичдоктор технических наук, профессор, Федеральноегосударственноеавтономноеобразовательноеучреждениевысшегообразования«СанктПетербургскийнациональныйисследовательскийуниверситет информационных технологий, механики иоптики», профессор факультета «Низкотемпературнойэнергетики»Ведущая организацияФедеральноегосударственноебюджетноеобразовательное учреждение высшего образования«Национальныйисследовательскийуниверситет«МЭИ», г. МоскваЗащита диссертации состоится «24» сентября 2019 года в 16.00 часов на заседаниидиссертационногосоветаД 212.229.06ФГАОУВО«Санкт-Петербургскийполитехнический университет Петра Великого» по адресу: 195251, Санкт- Петербург, ул.Политехническая, д. 29, Главное здание, ауд.

118С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГАОУВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» и на сайтеwww.spbstu.ruАвтореферат диссертации разослан «_____»_____________ 2019г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.229.06,к.т.н., доцентВ.А. Талалов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность и степень разработанности темы исследованияИсследование процессов тепло- и массопереноса имеет важное значение дляразработки и обеспечения безопасной эксплуатации энергетического оборудования,такого как атомные и каталитические реакторы. Особенно важно понимание подобныхпроцессов в условиях аварийных ситуаций при потенциальном нарушении герметичностиреакторов и теплообменных аппаратов.

В случае аварийной разгерметизации емкости,содержащей жидкость под высоким давлением, возникает явление критическогоистечения парожидкостной смеси с возможным достижением режима газодинамическогозапирания. В настоящее время возрастает интерес к малой распределенной ядернойэнергетике.

В качестве проекта рассматривается, например, ядерная установка среактором КЛТ–40С – модернизированный вариант установки атомных ледоколов наоснове микротвэл. Широкое применение зернистый слой находит и в химическихреакторах для обеспечения каталитических реакций.Процесс разгерметизации приводит к возникновению многофазного течения прискоростях,близкихкскоростизвука,чтоприводиткпроявлениюэффектагазодинамического запирания, при котором дальнейшее увеличение массового расходасмеси невозможно. Для оценки последствий аварий и разработки систем защитынеобходимо проведение экспериментального и численного моделирования критическогоистечения многофазного потока в присутствии зернистого слоя. Первые эксперименты покритическому истечению парожидкостного потока из трубы с зернистой засыпкойрассматривались с точки зрения изучения аварийной разгерметизации рабочего участкаэнергетической установки.

В результате исследований были получены данные покритическому истечению пароводяной смеси при массовых паросодержаниях от 0 до 0.2 иперепадами давлений от 200 до 800 кПа при течении через зернистую засыпку сдиаметром зерна 2 и 4 мм на рабочих участках длиной 250 и 355 мм. Для создания болеесовершенных методик предотвращения аварий необходима разработка новых численныхмоделей, учитывающих факторы конструкции, таких как наличие зернистого слоя в трубеи структуры потока.

Учитывая сложность объекта исследования, предварительнонеобходимо рассмотреть задачи гидродинамики двухфазной (газ-жидкость) среды имежфазного массообмена в трубах с зернистой средой при свободном всплытии газовыхпузырей в трубах с зернистой засыпкой. Ранее подобные задачи в экспериментальныхисследованиях не рассматривались.3Цели работыРазработать расчётную модель и программное обеспечение для моделированияпроцесса аварийной разгерметизации энергетических аппаратов с зернистыми средами.Для достижения целей в рамках работы решаются следующие задачи:1.Разработать модель гидродинамики газожидкостного потока в трубе при наличиизернистой засыпки.2.Выполнить экспериментальные исследования по определению скорости всплытиягазовых пузырей в трубе диаметрами 10 и 20 мм при различных углах наклона с зернистойзасыпкой диаметрами от 3 до 20 мм, а также интенсивности межфазной массоотдачи.3.Выполнить верификацию разработанной численной модели на основе проведенныхэкспериментальных исследований.4.На основе модели гидродинамики двухфазного потока в трубе разработатьчисленную модель истечения критического потока из канала с зернистой засыпкой сучётом процессов теплообмена и фазовых превращений с размерами частиц 2 и 4 мм,длиной рабочего участка 250 мм и 355 мм и массовыми паросодержаниями от 0 до 0.2.5.

Выполнить верификацию модели на основе целенаправленных экспериментальныхисследований в диапазоне перепада давлений от 0.2 до 0.8 МПа.Научная новизна работы- Впервые исследовано поведение газовых пузырей углекислого газа при ихвсплытии в трубах с зернистой засыпкой при различных углах наклона и выявленаособенность зависимости интенсивности межфазной массоотдачи от угла наклона трубы.Выявлен экстремальный характер зависимостей максимумов скоростей всплытия иинтенсивности массоотдачи от диаметра зерна засыпки и угла наклона трубы.- Разработана численная модель процесса движения газового пузыря и егомежфазного массообмена в трубе при её наклоне и наличии сферической засыпки,позволяющая производить трёхмерный численный расчёт при варьировании линейныхразмеров трубы и зернистой засыпки.- Разработана численная модель процесса критического истечения парожидкостнойсмеси из трубы с зернистой насадкой, позволяющая проводить расчет массового расходапарожидкостной среды при варьировании параметров, таких как диаметр зерна, давлениеи линейные размеры трубы.

Выполнена верификация численной модели на основеэкспериментальныхданных.Показанасогласованностьрасчетныхэкспериментом в диапазоне перепадов давления от 200 до 800 кПа.4данныхс-Наосновечисленноймоделиреализованопрограммноеобеспечение,позволяющее производить оценку критического массового расхода в зависимости отмассовой доли пара, линейных размеров трубы и диаметра зерна засыпкиМетоды исследованияВ качестве метода исследования применялся численный̆ эксперимент. Дляпостроения расчетных моделей применялось аппаратное обеспечение на основеграфического процессора nVidia Tesla C2075. Для программной реализации численныхмоделей использовались языки программирования CUDA C и Python.Личный вклад автораЛичный вклад автора состоит в получении экспериментальных данных поскоростям всплытия газовых пузырей в трубах с чистой жидкостью и при наличиизернистой засыпки. Автором были получены данные по интенсивности межфазноймассоотдачи при всплытии газовых пузырей в зависимости от угла наклона трубы идиаметра зернистой засыпки.

Разработаны алгоритмы и программное обеспечение длятрёхмерного моделирования движения газовых пузырей в трубах, в том числе приналичии зернистой засыпки, моделирования движения суспензии в трубах и расчётагидравлического сопротивления, а также для моделирования критического истеченияпарожидкостного потока с учётом теплообмена и фазовых переходов.Основные положения диссертации, выносимые на защиту- Экспериментальные данные по скорости всплытия газовых пузырей в наклонныхтрубах с учетом процесса массоотдачи и при наличии зернистой засыпки;- Разработанная численная модель движения суспензии в трубах различнойгеометрии;- Разработанная численная модель для расчета характеристик критическогопарожидкостного потока и его структуры в виде реализованного программногообеспечения;-Результатычисленногоисследованияхарактеристиккритическогопарожидкостного потока и его структуры;Практическая значимость работы- Создан программный комплекс для моделирования истечения критическогопотока из трубы с зернистой засыпкой, позволяющий моделировать критический поток иэффект газодинамического запирания при различных параметрах среды.

Программныйкомплекс был применён для расчёта массового расхода парожидкостной смеси прикритическом истечении из трубы с зернистым слоем в рамках выполнения научноисследовательского проекта Российского фонда фундаментальных исследований (проект№17-08-00709)5- Результаты экспериментальных исследований по определению интенсивностимассоотдачи газового пузыря при движении в трубе при различных углах наклонаиспользованы при выполнении научно-исследовательских проектов Российского фондафундаментальных исследований (проект №14-08-00626), а результаты численногомоделирование газожидкостного потока в канале между слоями геля в гранте Российскогонаучного фонда (проект №15-19-00177).- Модель была модифицирована с целью решения задачи о гидравлическомсопротивлении пульпы на выходе пищевого диспоузера.

Модель была использована вГБУ «Промотходы» с целью определения оптимальных режимов работы пищевогодиспоузера с целью улучшения экологической ситуации в г. Москвt. По факту внедрениямодели получен соответствующий акт о внедрении.Достоверность полученных результатовОбеспечиваласьприменениемметодовоценкиустойчивостиалгоритмов,проведением тестирования моделей на тестовых задачах и сравнением с аналитическимирешениями. Путем проведения целевых экспериментов была выполнена верификациямоделей. Надежность опытных данных подтверждается воспроизводимостью результатови постановками специальных тестовых экспериментов.Апробация работыРабота выполнена на кафедре «Термодинамика и неравновесные процессыпереноса»Московскогополитехническогоуниверситета.Основныерезультатыдиссертационной работы докладывались и обсуждались на: 11-ой Международнойконференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики»(Алушта, 22-27 сентября 2013г.); 3-ей Международной конференции с элементаминаучной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физикинизких температур» (МГМУ «МАМИ», Москва, 14-16 декабря 2013г.); 27-ойМеждународнойнаучнойконференции«Математическиеметодывтехникеитехнологиях» (Тамбов, 3-5 июня 2014г.); 15-ой Международной конференции потеплообмену (10-15 августа 2014г.