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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования «Московский политехнический университет»На правах рукописиХрамцов Дмитрий ПетровичМОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСАПРИ ТЕЧЕНИИ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ В ЗЕРНИСТЫХ СРЕДАХСпециальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехникаДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наукчл.-корр. РАН Покусаев Б.Г.Москва – 2019 г.2СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ .........................................................................................................................................

3ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ КРИТИЧЕСКОГО ИСТЕЧЕНИЯ .................. 111.1 Задача критического истечения ............................................................................................................................... 111.2 Методы численного решения задачи....................................................................................................................... 221.3 Обеспечение параллельных вычислений ................................................................................................................ 281.4 Выводы .......................................................................................................................................................................

30ГЛАВА 2. ЧИСЛЕННОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕГИДРОДИНАМИКИ ГАЗОВОГО ПУЗЫРЯ ................................................................................ 322.1 Экспериментальное исследование ........................................................................................................................... 322.2 Математическое моделирование.............................................................................................................................. 402.3 Экспериментальное исследование процесса массообмена в трубе ...................................................................... 512.4 Математическое моделирование процесса массообмена ......................................................................................

512.5. Выводы ...................................................................................................................................................................... 60ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКА СУСПЕНЗИИ В ТРУБЕ ............................................. 653.1 Введение ..................................................................................................................................................................... 653.2 Математическое моделирование..............................................................................................................................

663.3 Экспериментальная часть ......................................................................................................................................... 703.4 Анализ результатов ................................................................................................................................................... 713.5 Исследование процесса формирования и старения геля .......................................................................................

753.6 Выводы ....................................................................................................................................................................... 79ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КРИТИЧЕСКОГО ИСТЕЧЕНИЯ ПАРОЖИДКОСТНОГОПОТОКА ...........................................................................................................................................

804.1 Введение ..................................................................................................................................................................... 804.2 Экспериментальная установка ................................................................................................................................. 804.3 Расчётная модель критического истечения ............................................................................................................ 824.4 Выводы .......................................................................................................................................................................

97ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................................................ 99СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ........................................................................................................... 100СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................................

102ПРИЛОЖЕНИЕ .............................................................................................................................. 1113ВВЕДЕНИЕАктуальность и степень разработанности темы исследованияИсследование процессов тепло- и массопереноса имеет важноезначениедляразработкииобеспечениябезопаснойэксплуатацииэнергетического оборудования, таких как атомные и каталитическиереакторы. Особенно важно понимание подобных процессов в условияхаварийныхситуацийприпотенциальномнарушениигерметичностиреакторов и теплообменных аппаратов.

В случае аварийной разгерметизацииемкости, содержащей жидкость под высоким давлением, возникает явлениекритического истечения парожидкостной смеси с возможным достижениемрежима газодинамического запирания.В настоящее время возрастает интерес к малой распределеннойядерной энергетике.

В качестве проекта рассматривается, например, ядернаяустановка с реактором КЛТ–40С – модернизированный вариант установкиатомных ледоколов на основе микротвэлов. Широкое применение зернистыйслой находит и в химических реакторах для обеспечения каталитическихреакций.Процесс разгерметизации приводит к возникновению многофазноготечения при скоростях, близких к скорости звука, что приводит кпроявлению эффекта газодинамического запирания, при котором дальнейшееувеличение массового расхода смеси невозможно.

Для оценки последствийаварийиразработкисистемзащитынеобходимопроведениеэкспериментального и численного моделирования критического истечениямногофазного потока в присутствии зернистого слоя. Первые экспериментыпо критическому истечению парожидкостного потока из трубы с зернистойзасыпкойрассматривалисьсточкизренияизученияаварийнойразгерметизации рабочего участка энергетической установки. В результатеисследованийбылиполученыданныепокритическомуистечениюпароводяной смеси при массовых паросодержаниях от 0 до 0.2 и перепадамидавлений от 200 до 800 кПа при течении через зернистую засыпку сдиаметром зерна 2 и 4 мм на рабочих участках длиной 250 и 355 мм.

Для4создания более совершенных методик предотвращения аварий необходимаразработка новых численных моделей, учитывающих факторы конструкции,таких, как наличие зернистого слоя в трубе и структуры потока. Учитываясложность объекта исследования, предварительно необходимо рассмотретьзадачи гидродинамики двухфазной (газ-жидкость) среды и межфазногомассообмена в трубах с зернистой средой при свободном всплытии газовыхпузырей в трубах с зернистой засыпкой. Ранее подобные задачи вэкспериментальных исследованиях не рассматривались.Цели работыРазработать расчётную модель и программное обеспечение длямоделированияпроцессааварийнойразгерметизацииэнергетическихаппаратов с зернистыми средами.Для достижения целей в рамках работы решаются следующие задачи:1.Разработать модель гидродинамики газожидкостного потока в трубепри наличии зернистой засыпки.2.Выполнитьэкспериментальныеисследованияпоопределениюскорости всплытия газовых пузырей в трубе диаметрами 10 и 20 мм приразличных углах наклона с зернистой засыпкой диаметрами от 3 до 20 мм, атакже интенсивности межфазной массоотдачи.3.Выполнить верификацию разработанной численной модели на основепроведенных экспериментальных исследований.4.На основе модели гидродинамики двухфазного потока в труберазработать численную модель истечения критического потока из канала сзернистойзасыпкойсучётомпроцессовтеплообменаифазовыхпревращений с размерами частиц 2 и 4 мм, длиной рабочего участка 250 мм и355 мм и массовыми паросодержаниями от 0 до 0.2.5.Выполнитьверификациюмоделинаосновецеленаправленныхэкспериментальных исследований в диапазоне перепада давлений от 200до 800 кПа.5Научная новизна работы- Впервые исследовано поведение газовых пузырей углекислого газапри их всплытии в трубах с зернистой засыпкой при различных углахнаклона и выявлена особенность зависимости интенсивности межфазноймассоотдачи от угла наклона трубы.

Выявлен экстремальный характерзависимостей максимумов скоростей всплытия и интенсивности массоотдачиот диаметра зерна засыпки и угла наклона трубы. Показан экстремальныйхарактер зависимостей скорости всплытия и интенсивности массоотдачи.- Разработана численная модель процесса движения газового пузыря иего межфазного массообмена в трубе при её наклоне и наличии сферическойзасыпки, позволяющая производить трёхмерный численный расчёт приварьировании линейных размеров трубы и зернистой засыпки.- Разработана численная модель процесса критического истеченияпарожидкостной смеси из трубы с зернистой насадкой, позволяющаяпроводитьрасчетмассовогорасходапарожидкостнойсредыприварьировании параметров, таких как диаметр зерна, давление и линейныеразмеры трубы.