Диссертация (Моделирование процессов тепломассопереноса при течении двухфазных потоков в зернистых средах), страница 3

Особенно важно понимание подобныхпроцессов в условиях аварийных ситуаций при потенциальном нарушениигерметичности реакторов и теплообменных аппаратов. В случае аварийнойразгерметизации емкости, содержащей жидкость под высоким давлением,возникает процесс критического истечения парожидкостной смеси свозможным эффектом газодинамического запирания. Построение моделейподобных систем позволит улучшить процесс моделирования потенциальныхаварийных ситуаций на тепловых и атомных электростанциях, а такжепредприятиях химической промышленности.В настоящее время в промышленной энергетике формируетсятенденция к внедрению мобильных энергетических установок малоймощности, включая маломощные ядреные реакторы [1]. Одной из моделеймаломощных реакторов является реактор КЛТ–40С [2]. В перспективерассматривается реализация модификации подобного реактора на основемикротвэлов [3].

Развитие реакторов малой мощности требует надежногорешенияпообеспечениюбезопасногофункционированиеподобныхэнергетических установок. Перспективным направлением в этой областиявляется проведение численного моделирования. В отличие от физическогоэксперимента, численная модель позволяет сократить издержки и время напроведение эксперимента и позволяет получить параметры среды в широкомдиапазоне начальных условий. В связи с этим необходима разработкачисленных моделей гидродинамики и теплообмена в энергетическихустановках на основе микротвэлов. Присутствие микротвэлов в рабочемучастке приводит к необходимости учета как гидродинамических процессов,так и процессов теплообмена в каналах со сложной геометрией.12Наиболее критической аварийной ситуацией для перспективныхреакторов на основе микротвэлов и каталитических реакторов являетсяразгерметизациярабочегопарожидкостногопотокаучасткаиспоследующимвозможнымпоявлениемистечениемэффектагазодинамического запирания, при котором увеличение перепада давления неприводит к дальнейшему росту расхода смеси.

Таким образом, основнымкритерием критических потоков является массовая скорость расходапарожидкостнойсмеси.Ввидусложностипротекающихпроцессовнеобходимо развитие новых численных методов для моделированиякритических потоков.Критические потоки являются примером нестационарных тепловыхпроцессов. Сложность описания такого процесса привела к тому, чтоосновное количество первопроходческих работ носило экспериментальный иэмпирический характер. В работах С.

Г. Телетова [4], А. А. Арманда [5],С. С. Кутателадзе [6] были проведены исследования по классификациидвухфазных потоков и предложены методы их описания. В работеН.Г. Рассохина [7]рассматривалсяслучайнестационарногоистечениядвухфазной смеси при разгерметизации трубы. был также выполненчисленный расчет задачи на основе метода Годунова.Случай нестационарного вскипания жидкости в случае истечения изотверстия при разгерметизации рабочего участка были изучены в работахВ.В. Власова [8]. Рассматривался случай истечения смеси пара и жидкости изтрубы при резком открытии клапана. При этом были предложены граничныеусловия для описания подобного класса задач. В стороне трубы, остающейсягерметичной скорость смеси считалась равной нулю, в то время как в областиразгерметизации давление смеси определяется характеристиками смеси прикритическомистечении.Одномернаязадачакритическогоистечениярассматривалась аналитические в работах Р.И.

Нигматулина [54].Критическоепроцессомистечениевскипанияпарожидкостнойжидкостиввидусмесирезкогохарактеризуетсяперепададавления.Увеличение концентрации паровой фазы ведет к уменьшению массового13расхода [9]. Существенным критерием оценки критического потока являютсяакустическиепроцессы.Экспериментальныеисследования[10]поопределению акустических характеристик критического парожидкостногопотокапоказали,чтоспектральныехарактеристикиакустическихвозмущение в подобном потоке имеют широкий спектр, достигая вминимуме скоростей 1 м/с. Исследования показали, что в критическомпотоке реализуется не замороженная скорость звука, а равновесная.Получена связь замороженной скорости звука с частотой передачивозмущений в потоке.Частнымслучаемистечениядвухфазныхпотоковявляетсянестационарное истечение парожидкостной смеси. Такие смеси частовстречаются в промышленности.

Критическое истечение парожидкостногопотока реализуется в случае аварийной разгерметизации охлаждающегоконтура реактора. Задача о критическом истечении пара была рассмотренаМ.Е. Дейчем и Г.В. Циклаури [12]. Была рассмотрена структура двухфазногопотока пара и жидкости при достижении критического режима [11, 12].Обобщение уравнений гидродинамики для описания критическогоистеченияпарожидкостнойсмесипостроеныС.Г.Телетовым[4].Предложены критериальные методы для оценки экспериментальных данных.Необходимостьпониманияфизическихпроцессовприкритическомистечении для задач промышленности привела к необходимости разработкиметодовоценкифизическиххарактеристикпотока.Распространениеполучили полуэмпирические методы, благодаря своей относительнойпростоте и возможности достаточного точного описания прикладных задач.В том числе подобные подходы были использованы при исследованиидвухфазныхадиабатныхтечений[11]ипара [12].Такиеметодыиспользовались С.С.

Кутателадзе [6] для исследования двухфазных течений,для построения моделей движения потока [13] и структуры [14].Численное решение задачи критического истечения в одномерномслучае рассматривалось в работах Нигматуллина [15]. Была поставленазадача одномерного стационарного истечения. Случаи неравновесного14критического истечения жидкости исследовались в работах Нигматуллина иИвандеева [16, 17].

За счет одномерности потока, реализация численноймоделинетребовалаинформацииоструктурепотока.Случайадиабатического истечения вскипающей жидкости через насадку былипредставлены в работе Шагапова [18, 19]. Было предложено баротропическоеуравнение состояния для описания гидродинамической системы. Для случаяаварийного истечения были получены решения для описания критическогоистечения жидкости.

В работе Филиппова [20] рассматривалась численнаямодельвскипанияжидкостиидинамикипузырьковогопотокаприменительно к задачам атомной энергетики. В работе [10] рассмотреназадача течения теплоносителя в цилиндрическом слое шаров. Разработаначисленная модель гидродинамики и теплообмена движения жидкости вшаровой засыпке. Случай истечения вскипающей жидкости через щель какмодель аварийной разгерметизации был представлен в [21]Учитывая сложность моделирования процесса критического истечения,представляется целесообразным разделить данный процесс на несколькокомпонентов,рассматриваягидродинамикуипроцессытеплообменараздельно.

Гидродинамический компонент связан с движением двухфазногопотока, в том числе в канале с зернистой засыпкой [53]. В работе [47] былапредложена формула для определения скорости всплытия газовых пузырей втрубах при наличии сферической засыпки (1.1):&V = 0.4 '(∙(+,-∙./0a1,3 ) ∙ 5 ∙ ∙ aАвторамибылвведенбезразмерный(1.1)параметр<Σ = =>∙?∙&@ ,учитывающий силы поверхностного натяжения и диаметр трубы.

При этомформула содержит свободный параметр B, который подбирался опытнымпутем. В работе показана согласованность формулы с экспериментальнымиданными, однако остается открытым вопрос о диапазоне параметров, вкоторых обосновано применение подобной формулы.Учитывая, что при вскипании формируется газовая, либо паровая фазав объемах, достаточных для реализации снарядного режима течений,15следования по снарядному режиму течения могут быть использованы дляразвитиячисленныхмоделейкритическихпотоков.Численноемоделирование движения газовых снарядов в вертикальных трубах былорассмотрено в [22].

Рассматривался случай движения тейлоровского пузыря.Расчетная модель была основана на методе конечных объемов [23].Процесс критического истечения в промышленных энергетическихустановках характеризуется процессами фазовых переходов. Особенноважным становится исследование фазовых переходов при нестационарномтечения и высоких давлениях, так как подобные процессы характеризуютсяпроцессом вскипания жидкости и быстрым изменением соотношения фаз всмеси. В работе [24] рассматривался частный случай критического истечениячерез сужение в канале.

Предложены уравнения расхода, основанные наполуэмпирическомпоправочныеподходе.коэффициенты,Восновууравненийполученныевбылиходесериизаложеныиз186экспериментов.Системы охлаждения с применением фреона и других видовхладагентов являются примером установок, в которых потенциально можетреализоваться режим критического истечения в случае разгерметизациисистемы охлаждения, сопровождающийся вскипанием теплоносителя [25].Модель неравновесной двухфазной смеси была использована в [26] длямоделирования истечения хладагента R407C с учетом процесса вскипания.Численная реализация модели основана на методе конечных разностей.

Былавыполнена верификация на основе ранее полученных экспериментальныхданных, на основе которых был сделан вывод о надежности подобной моделидля решения задач о критическом истечении хладагента.Вопрос о моделировании критического истечения при открытииаварийныхклапановбылрассмотренв[27].Быловыполненоэкспериментальное и численное исследование задачи. Исследовался случайистечения парожидкостной смеси через аварийный клапан с достижениемрежимагазодинамическогоапробировананазапирания.экспериментальныхРазработаннаяданныхимодельбыларекомендованак16использованию при расчетах геометрических характеристик аварийныхклапанов в энергетическом оборудовании. В настоящий момент наблюдаетсянедостаток данных по критическим потокам при наличии зернистого слоя. Вработе [9] были выполнены эксперименты по определению массовогорасхода парожидкостной смеси при критическом истечении из канала сзернистойзасыпкой.Процессистечениярассматривалсякакизоэнтальпийный и адиабатический.