Диссертация (Моделирование процессов тепломассопереноса при течении двухфазных потоков в зернистых средах), страница 4

Авторами получены экспериментальныезависимости массового расхода парожидкостной смеси в зависимости отпадения давления в канале и была предложена политропическая модель дляописания критического потока парожидкостной смеси, выведенная изсоотношений полученных в [9].В [9] поставлена серия экспериментов по определению массовогорасхода парожидкостной смеси в цилиндрическом канале при наличиизернистого слоя. Получены экспериментальные результаты по критическомуистечению парожидкостного потока при различных значениях доли пара припрохождении через рабочий участок, заполненный сферическими частицами.Использовались частицы из нержавеющей стали диаметрами 2 и 4 мм; длинарабочего участка составила 250 мм и 355 мм.

Рабочий участок заполнялсясферическойзасыпкойполностью.Результатыэкспериментальныхисследований показали, что на значение критической массовой скоростиоказывают влияние такие параметры как перепад давлений на входе и выходерабочего участка, доля пара в двухфазном потоке, диаметр сферическойзасыпки. Был введен безразмерный критерийd / H , при этом показаналинейная зависимость расхода смеси от данного параметра.Однофазные течения, являясь простейшим случаем гидродинамическихзадач,являютсянаиболееизученными.Однаковсовременныхпромышленных задачах большее распространение получили двухфазныепотоки, например, такие как жидкость-газ и жидкость-пар. Помимо течениядвухфазных потоков в каналах и трубах, важное практическое значениеимеет исследование гидродинамических свойств двухфазных потоков вканалах сложной геометрии, таких как пористые среды и каналы с засыпкой17[84-87].

Каналы, заполненные зернистой засыпкой, находят применение вобластихимическойпромышленности,например,вкаталитическихреакторах и атомной энергетике в перспективных реакторах на основемикротвэлов [88, 89]. В системах охлаждения реакторов с топливнымиэлементами в виде микротвэлов возможно возникновение аварийныхситуаций с разгерметизацией охлаждающего контура и реализацией режимакритического истечения в открытую среду [90]. В связи с этим актуальнойзадачей является экспериментальное и численное определение расходовпарожидкостной смеси в режиме критического истечения через отверстия инасадки [91-93].В настоящее время данные по экспериментальному исследованиюкритических потоков при истечении из каналов с зернистой засыпкойпрактически отсутствуют [94].

Также остается открытым вопрос о численныхподходах к моделированию подобных задач, включая расчет взаимодействияпарожидкостного потока с твердой фазой в виде зернистого слоя.В экспериментах [95, 96] изучалась гидродинамика газожидкостного потокачерез зернистую засыпку, изготовленную из различных материалов: свинца,стали и алюминия. В работах [97-99] рассматривались вопросы численногорасчета процессов теплообмена при критическом истечении через слойчастиц.Наиболее полное описание гидродинамических свойств, а такжепараметров теплообмена при течении двухфазных потоков в зернистойзасыпке применительно к системам охлаждения в энергетических аппаратахпредставлено в [100].

Исследуется динамика потока жидкость-пар вдокритическом режиме, показатели массовой скорости критического потокаи показатели коэффициента скольжения фаз [101]. При этом необходимыновые экспериментальные и численные данные по параметрам критическихпотоков в случае истечения из каналов, заполненных зернистой засыпкой.В ходе выполнения измерения изменялось значение исходногомассового содержания пара в смеси от 1.1 до 17.8% [9].

Значение массового18расхода было рассчитано из условия изоэнтальпийности при истечениипарожидкостной смеси, а массовый расход был рассчитан по (1.2).C =DE∙C(1.2)Произведен анализ зависимости критического расхода парожидкостнойсмеси при истечении из рабочего участка [9]. В исследованиях достигалсярежим критического истечения с реализацией эффекта газодинамическогозапирания. Таким образом дальнейшие увеличение давления на входе врабочий участок не приводило к увеличению расхода смеси на выходе.В исследовании установлено влияние геометрических параметров канала,доли пара в смеси и длины рабочего участка на критический расход.Анализ, проведенный авторами экспериментов [9], показал, чтогеометрические характеристики зернистой засыпки и длина рабочего участкаимеют существенный вклад в значения критического массового расхода.Такое виляние может быть связано с изменением гидравлическогосопротивления при изменении диаметра засыпки и длины участка.

Так, придлине рабочего участка 355 мм наблюдается снижения критического расходана 17%. Изменение диаметра зерна засыпки с 2 до 4 мм приводит кувеличению критического расхода на 30%, что может быть связано сизменением порозности среды.Установлена связь критического расхода парожидкостной смеси взаданном диапазоне паросодержаний от значения безразмерного критерияd / H . Для заданного массового паросодержания и заданном начальномдавлении на входе в рабочий участок массовый расход меняется взависимости от безрасмерного параметра (1.3) линейно [9]:(C )CFG ~5 ⁄(1.3)Результаты исследования критических парожидкостных потоков втрубах [91] показывают, что модель однородной среды демонстрируетсогласованность с экспериментальными исследованиями относительноопределения расходных характеристик. Аналогично зависимости массового19расхода от массовой доли пара, существует зависимость расхода отобъемного паросодержания φ [9].Наличие зернистой засыпки приводит к существенному усложнениюгеометрии каналов для движения теплоносителя.

В отличие от труб беззаполнения твердой фазой, сферическая засыпка приводит к формированиюмикроканалов [28]. В работе [29] был проведен эксперимент с ударнойтрубой, при котором одна часть была заполнены перегретой водой, а втораячасть была отделена диафрагмой. После разрушения диафрагмы проводиласьфиксация параметров потока. С помощью датчиков измерялось давление ипаросодержание. Однако точность результатов оказалась низкой ввидусущественного влияния структуры потока на измерения.Вопрос динамики колебании низкой амплитуды в неоднородныхсмесях газообразных веществ с паром и каплями представляет собойактуальную проблему волновой динамики дисперсных систем.

Такимобразом,приобретаютзначениеисследованияразличныхпроцессовтепломассопереноса на характер распространения возмущений в двухфазныхсистемах газ-жидкость.Ввиду сложности протекающих процессов необходимо развитие новыхматематических моделей процесса истечения, позволяющих учесть такиеэффекты критического потока, как фазовые превращения, теплообмен искольжениефаз.Приэтомприменениеклассическихметодиквычислительной гидродинамики сопряжено со сложностью формированиярасчётной области.Одним из подходов к численному решению задачи критическогоистечения был расчет в равновесном приближении, используемый в работахА.А.

Губайдуллина [16] и [17]. Первые экспериментальные результатыисследования критического течения парожидкостной смеси через плотноупакованные слои сферических частиц, проведенного авторами, былипредставлены в работе [9]. Здесь был сделан важный вывод о линейнойзависимости между скоростью критической массы и отношением диаметрачастицы к высоте слоя. Эта зависимость, выявленная экспериментально,20совпадает с результатом, полученным с использованием теоретическоймодели движения однородной сжимаемой среды в зернистом слое. Аналогиямежду потоком однофазной сжимаемой среды и потоком двухфазной смесииспользовалась для исследования критического течения через сопла,диафрагмы и короткие трубы.

В работе Э.А. Таирова [9] была примененаподобная аналогия к течению парожидкостной смеси в упакованных слояхтвердых частиц для определения перепада давления. Изоэнтальпийноеразложение двухфазной смеси аппроксимируется уравнением политропногопроцесса. Соответствующий политропный коэффициент определяется сучетом давления и паросодержания.Численноеприсутствиимоделированиезернистогослоякритическихявляетсядвухфазныхтеченийнетривиальным,таквкакмоделирование подобной системы сопряжено со сложным взаимодействиемтечения парожидкостной смеси со сферическими частицами. В работе [9]разработананалитическийподходнаосновеполитропноймодели,основанный на работах М.А.