автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Экспериментально-расчетное исследование нестационарных теплогидравлических процессов в теплообменных устройствах с закруткой потока в космических энергетических установках

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ

российской федерации

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ ииени СЕРГО 0РДЕ0НИКИДЗЕ

На правах рукописи Калятка Альгирдас Витаутович

ЗДК. 536.24.

ЗКСПЕРИМЕНГАЛЬНО-РАСЧЕГЮЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕШЮЩЦРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕШЮОШЕНШХ УСТРОЙСТВАХ С .ЗАКРУТКОЙ ШТОКА В КОСШЧЕСКИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

.Специальность 05.14.05 - " Теоретические основы теплотехники"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Лаборатории Теплообмена в ядерных устройствах Института физико-технических проблем энергетики АН Литвы

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

. Б.В. Дзюбенко Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор . Б.М. Галицейский кандидат технических наук, старший научный сотрудник . В.Л. Смирнов

Ведущее предприятие: Институт атомной энергии имени И.В. Курчатова

4&В*

Защита состоится "//" " 1992 г. на заседашш Специализи-

рованного совета КР 053.04.01 в Московском авиационном институте им. С. Орджоникидзе. 125871, ГСП, Волоколамское ш.,д.4.

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять в адрес КАИ, ученому секретаре специализированного совета Т.В. Ыихайловой.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КАИ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

специализированного совета к.т.н., д

В. Михайлова

, >?с|

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В состав многорежимной ядерной двигс. гель-но-энергетической установки (ЯДЭУ) входят такие теплонапряженнче узлы, работающие в условиях высоких температур и плотностей теплового потока, как теплообменные аппараты (ТА) и ядерный реактор с тепловыделяющим! сборкам! (TBC). Данные узлы долины обладать высокой надежностью ii интенсивностью тепломассообмена, иметь малые габариты и массу, а также обеспечивать выравнивание возможных азимутальных и. радиальных иераЕНОмерностей полей температур. Перечисленным требованиям удовлетворяют тепловыделяющие сборки с витыми твэлами овального профиля и теплообменные аппараты с витыми трубами овального профиля.

Так как нестационарные теплогпдравлические процессы в данных узлах могут иметь определяющее значение для их надеяшоати, возникает задача расчета нестационарных полей температур в пучках витых труб и твэлов. Для расчета нестационарных теплогидравлических процессов могут быть использованы методы, основанные на .применении модели течения гомогенизированной среды, ilpn этом для замыкания системы дифференциальных уравнений, описывающих течение двухфазной сре-цы с неподвижной твердой фазой, требуется из эксперимента определить значения эффективных коэффициентов турбулентной диффузии для каждого типа нестационарности. Коэффициенты теплоотдачи и перемешивания теплоносителя при резком увеличении' и уменьшении мощности и постоянном расходе в пучках витых труб исследованы достаточно полно. Однако при эксплуатации ЯДЭУ могут, реалиэовыЕатЬся режимы, когда мощность N н расход G изменяются по различным законам и темпам как одновременно, так и при N = const и G = var, N = var и G =const. поскольку эти типы нестационарностей не были изучены ранее, возникает необходимость в определении эффективных коэффициентов диффузии в пучках витых труб или твэлов для переходных режимов работы.

Цель работ - экспериментально-расчетные исследования закономерностей нестационарных процессов перемешивания теплоносителя для различных типов нестационарности при осескмметричной и асимметрич-■юй неравиомэрностях тепловыделения в пучках витых труб и труб со :пиральным оребреннем п получение критериальных замыкающих уравне-шй для расчета эффективных коэффициентов диффузии;

- разработка и экспериментальное обоснование методики теплоги-фавлического расчета переходных процессов ТЗС и ТА с витыми труба-

ми о использованием полученных критериальных зависимостей для опре деления нестационарных коэффициентов перемешивания.

Научная новизна - впервые выполнено экспериментально-расчетнс исследование нестационарных температурных полей в пучках витых тр> при изменении расхода теплоносителя и постоянной мощности тепловоГ нагрузки и на основании полученных результатов.установлены кpитep^ альные зависимости для расчета эффективных коэффициентов диффузии для этого типа нестационарности;

- обобщены полученные экспериментальные данные и уточнены закономерности нестационарного перемешивания теплоносителя в пучках витых труб и труб со спиральным оребрением для случаев увеличения уменьшения мощности тепловой нагрузки при постоянном расходе тепле носителя, при азимутальной и осесимметричной неравномерностях тепловыделения;

- при периодическом изменении во времени расхода теплоносите; и постоянной мощности определены границы применимости квазисгацио-нарного приближения для расчета эффективного коэффициента,'диффувш для этого типа нестационарности;

- впервые выполнено экспериментально-расчетное исследование нестационарных полей температур теплоносителя и стенки трубы при одновременном изменении мощности тепловой нагрузки и расхода'тепл< носителя, моделирующем переходные процессы работы ЯДЭУ, и ввданы рекомендации по расчету этих рекимов;.

- установлено влияние нестационарных граничных условий на эффективный коэффициент диффузии и. экспериментально обоснованы моде, течения и методика теплогидравлического расчета.

Практическая ценность работы.Долученнке результаты экспериме! тально-расчетного исследования нестационарных процессов переметив. ния]геплоносителя для различных типов нестационарности и предложен ные обобщающие зависимости позволяют замкнуть системы дифференциальных уравнений, описывающих течение в TBC ядерного реактора и в ТА с витыми трубами ЯДЭУ, и выполнить теплогидравлические расчеты переходных процессов в этих установках. Эти результаты могут быть также использованы для расчета теплообменных устройств, применяем в бланкетах термоядерного реактора (ТЯР), в энергетике, на транспорте и в других областях техники. Полученные результаты использо вались при разработке проектов ЯДЭУ и ТЯР в ИАЭ им. Курчатова и НИИТП, а также при проведении экспериментальных исследований в ИФТЛЭ АН Литвы.

Автор защищает: - метод экспериментального исследования нест ционарных процосоов перемешивания теплоносителя для различных тип

нестационарности при осесимметричной и асимметричной неравномерное-тях тепловвделения в пучках витых труб и труб со спиральным оребре-нием;

- результаты расчетно-экспериментального исследования нестационарного тепло-массообмена при увеличении и уменьшении мощности тепловой нагрузки при постоянном расходе теплоносителя, при увеличении и уменьшении расхода теплоносителя и Ы= const, при периодическом изменении расхода и Ы= const, а также при одновременном изме--•нении"мощности тепловццелеНия и расхода теплоносителя;

- полученные зависимости и установленные закономерности для расчета эффективных коэффициентов диффузии, необходимые для замыкания системы дифференциальных уравнений, описывающей течение в пуч~. ках витых труб;

- методику расчета теплообменных устройств с пучками витых труб на нестационарных режимах работы о использованием предложенных замыкающих зависимостей;

- результаты экспериментального обоснования применяемой модели течения, ее математического описания и метода расчета полей температур для различных типов нестационарности процесса.

Апробация работы.Результаты диссертационной работы докладыва- , лись и обсуждались на трех республиканских, пяти всесоюзных и одной мездународной конференциях и семинарах,, а работа в целом рассмотрена на семинаре по теплообмену в Институте физико-технических проблем энергетики Литовской АН. Результаты диссертации отражены в 3-ми печатных работах и 10 научно-технических отчетах.

Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Объем работы составляет 215 страниц, включая 64 рисунка, 13 таблиц и список литературы из 70 наименований.

' СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, ее научная новизна и практическая ценность.

В первой главе проведен обзор литературы по исследованиям стационарных и нестационарных теплогидравлических процессов в пучках витых труб, выполненным в МАИ, НИИГП, ИАЭ, ИФТ11Э и других организациях.

При расчете теплогидравлических процессов в каналах сложной формы могут быть использованы различные теоретические модели течения. Так, для решения стационарных задач в пучках оребренных стержней обычно применяется поканапьный метод расчета. В этом случае необходимо решать систему уравнений для каждой ячейки пучка твэлов,

что при расчете нестационарных процессоз затруднитель ю из-за большого "количества разностных уравнений, которые требуется решить в какдый момент времени. Поэтому для решения задачи о стационарном и нестационарном теплообмена* в пучках с большим количеством труб и при существенной неравномерности тепловцделения в поперечном сечении пучка целесообразно применить модель течения гомогенизированной среды.

Математически двухтемлературнал модель нестационарного течения гомогенизированной двухфазной среды с неподвижной твердой-фазой для теоретического расчета полей температур описывается зависимостями:

Х,Т) " ( Тт " Т) + ™ +

=р + ?исР Гх + ^р ^ = 4£т) + ? я4 §> +

х э П ЭТ Ч , д I й (У ЭТ ч + эфф ' + А г*3? эфф

+ (I- Л) <рV № . - г _ гI ¿> ^ № +

д(?ит) I Э(грут) _ 0 (4ч

дХ г эг

Р=$>КГ, (б)

где при расчете двухмерных полей температур (осесимметричная задача) коэффициент А=0.и решаются уравнения (I), (2), (3), (4), (6), а при расчете трехмерных - А=1 и решаются уравнения (I), (2), (3), (5), (6). К исходной системе присоединяются краевые условия, определяющие состояние системы в начальный момент времени, на входе, на выходе, на оси пучка и условия периодичности.

Система уравнений (I)...(6) решается численными методами. Расчетный алгоритм нестационарной задачи реализован в виде программы на языке ФОРТРАН применительно к ЭьМ БЭСМ-6, ЕС-1046.

Во второй главе рассматривается метод экспериментального исследования нестационарных теплогидравлических процессов и дается -описание экспериментальных установок.

Для замыкания дифференциальных уравнений (1)...(б) требуется из эксперимента определить критериальные зависимости для величин Аэфф, | | (X. Если принять, что турбулентные числа Льюиса и

Прандтля равны единице,' то получим

Лэфф= ^Р.^эфф3 (7)

Тогда из эксперимента требуется определить только значение коэффициента диффузии или коэффициента

Кн в (8)

и его зависимости от определяющих критериев подобия.

Экспериментальное исследование нестационарного перемешивания теплоносителя проводилось на аэродинамическом контуре открытого типа, схема которого показана на рис. I. Б качестве теплоносителя использовался воздух. Из турбокомпрессора 12 (производительность до 3600 м^/час) воздух, предварительно охлажденный в холодильнике II, по магистрали с устройствами для изменения 10 и измерения расхода 9 поступает в экспериментальный участок I. Устройства изменения расхода установлены на байпасе и на магистрали и позволяют избежать динамических нагрузок на турбокомпрессор или производить ступенчатое изменение расхода. Источником нагрева слухач генератор постоянного тока типа АНГМ-90 мощностью 90 кВт - 6 (рис.1). Постоянный ток выбран с целью избежать наводок в различных металлических конструкциях экспериментального участка.

Модель тепловвделяющей сборки представляет собой плотноупако-ванный пучок из 151 витой трубы овального профиля длиной Ъ= 0,5 м. Трубы пучка с максимальным размером овала с!= 12,3 мм имели шаги закрутки 5=6,и 5= 12,2-с1.

Число, характеризующее закрутку потока:

ГГМ =52/(сН), (9)

изменялось в пределах ГГр) = 57...220. Эксперименты проводились на пучках с осесимметричной и. асимметричной нагреваемыми зонами (рис2) Такие исследования проводились и на пучке круглых труб со спирально навитой дистанциокируицей проволокой. Экспериментальный участок представляет собой с>;орку из 37 стержней диаметром с!= 10 мм, длиной 1/з 1,0 м, установленных в шестигранную асбоцементную кассету (рис.2). К поверхности.трубок по спиральной линии с шагом 5 = 240мм

- а -

(Ггм =1380) была приварена дистанционирующая проволока. Температур теплоносителя на выходе и на входе измеряется гребенками термопар.

Мощность тепловьщеления и расход теплоносителя устанавливаютс с помощью регулятора мощности и устройства для изменения расхода, используя комплекс ИВК-2. Измеряемые при этом значения температуры и давления преобразователем информации переводятся в цифровые сигналы и обрабатываются в комплексе ИВК-2.

Обработанные данные (мощность тепловой нагрузки, расход и тем пература теплоносителя) позволяют в каждый момент времени получить экспериментальные поля температур теплоносителя в выходном сечении пучка, которые сравниваются с теоретически рассчитанным путем реше ния системы уравнений (1)...(6) полями температур в том же сечении пучка. Лри этом модифицированным методом наименьших квадратов опре деляется нестационарное значение безразмерного эффективного коэффи циента диффузии К для кавдого момента времени.

В третьей главё представлены результаты исследования нестацио парного перемешивания теплоносителя при изменении мощности теплова нагрузки и постоянном расходе теплоносителя.

Эксперименты проводились на пучках труб при осесимметричном и асимметричном нагреве (рис.2). Лри осесимметричном теплоподводе ис пользовались пучки витых труб (Ггм = 57 и БГМ = 220) с центральной нагреваемой зоной из 37 труб. Мощность тепловой нагрузки в интерва ле Ы= 0...20 кВт увеличивалась с темпом нагрева (ЭЫ/ЭТ)М =10... 0,3 кВт/с, и уменьшалась с темпом (ЭЫ/ЭТ)М = - 0,3...-5 кВт/с (рис.3) при постоянном расходе теплоносителя й (число Ее = 5Ю3.. 12-Ю3).-

Лри представлении опытных данных использовался относительный коэффициент )С в функции определяющих критериев подобия:

-Й1«НГоь, №И,'ЮН/ЭТ)И,Г0), (Ю

"КС

где критерий Фурье '

Гоь =ЛьТ/(СРрь(ф, (II

Т0- временная задержка..

Поскольку в данных случаях темп нагрева (ЗЫ/ЭТ)^, или производные изменяются в широких пределах, опытные данные обобщались с помощью модифицированного критерия Фурье:

где а = 0,043, Ь= 0,957, 0Ы/ЗГ)Мо= 3,64 кВт/с.

Тогда опытные данные при увеличении мощности тепловой нагрузки К и постоянном расходе в обобщаются зависимостью (рис.4):

Ггм) (13)

Для пучка Ггм = 57 при переходе с одного на другой режим с большей мощностью в диапазоне чисел Гом = 0...0,25-10

' зс = I + 2,83-Ю2Гом (14)

При увеличении мощности с Ы1 = 0 до уровня Нд в диапазоне чисел Гом = 0...0,25-КГ2

Л = I + 8,8-Ю2ГОм 115)

о

В диапазоне чисел 10^0,25-10 опытные данные хорошо обобщаются зависимостью:

О.Ш-КГ^Го"2 - 0,153-КГ2Го~Г + 1,024, (16)

ранее полученной в работах Б.В.Дзюбенко, Л.А.Урбонаса и др. и другом интервале определяющих параметров. Тем самым был раширен диапазон применения этой формулы. Теми же авторами была получена и аналогичная зависимость для .пучка с Ггм = 220

де- 0,307-10^Го"2 - 0,226-Ю-2^1 + 0,91. (IV)

При уменьшении мощности тепловой нагрузки обнаружено, что в диапазоне чисел Ггм = 57...220 коэффициент^ не зависит от ГХ^. При этом опытные данные можно обобщить зависимостью (рис.4):

<£=/(Гом). (13)

Для случаев \811/дТ\^4 кВт/с в интервале Ео^, = 0.. .0,3-10~2

I - З^ЗСГоцЮ-2)1'66^ (13)

и для случаев | ЗИ/ЭГ!.^ (1,3. ..0,3) кВт/с в интервале Гом = 0...0,4-Ю~2 ■

дг = I - 2,68(Гом-Ю-2)2'07. (20)

Опытные данные при |9Ы/ЭГ|()= (4,4.. .0,3-4) кВт/с в интервале чисел Бон = (0,2... 1,2) • Ю-2 описываются зависимостью:

а = 0,45-КГ5Гом - З.аб'Ю"^"1 + 1,28, (21)

ранее полученной Л.А.Урбонасом для другого диапазона параметров.

Эксперименты при ассиметричном теплоподводе проводились на пучке витых труб с числом Ггм = 220, в диапазоне изменения чисел • ■ Бе = 3,5>1СГ...2,1'104(в = 0,09. ..0,55 нг/с) при увеличении и уменьшении тепловой нагрузки в диапазоне N = 0... 15 кВт. Нагреваемая зо-

на была собрана из 46 труб и имела форму равнобочной трипеции (рис. 2). Также проводились эксперименты и с пучком круглых труб со спирально навитой дистанционирущей проволокой. При постоянно поддерживаемом расходе теплоносителя (диапазон чисел Ве =5,1-10^.. .2, ИО? G = 0,04...О,17 кг/с) мощность тепловой нагрузки изменялась в диапазоне Ы« 0...9 кВт.

11олученные результаты сопоставлялись с данными для пучков витых труб при осесимметричной неравномерности теплоподвода (рис.4). Обнаружено хорошее совпадение для всех центральных ячеек пучка с зависимостями (18) и (24). Только в области периферийных ячеек пучка, где условия течения отличаются от условий течения в центральных ячейках, опытные значения температуры отличаются от рассчитанных. Поэтому можно сделать вывод, что при расчете нестационарных полей температур в пучке витых труб и в пучке круглых труб со спирально навитой дистанционирующей проволокой и .асимметричной неравномерностью теплоподвода, в первом приближении можно использовать зависимости для пучков витых труб при осесимметричной неравномерности тепловой нагрузки.

В четвертой главе представлены результаты исследования "еста-ционарного перемешивания теплоносителя при изменении его расхода и постоянной мощности тепловой нагрузки.

Эксперименты проводились на пучках с осесимметричным нагрзвом (рис.3) при числах FrH = 57 и 220, в диапазоне изменения тепловой нагрузки N= 5,2...8,6 кВт, отношения максимального расхода теплоносителя после внесения возмущения к его первоначальному значению, Qz/Gj = 1,12...1,77 (при увеличении расхода) и G2/Gj = 0,594...0,69 (при уменьшении расхода). Как видно из рис.5 после внесения-возмущения путем увеличения расхода (G^/ Gj>I) в поток теплоносителя, проходящего через пучок, в первые моменты времени коэффициент К(( резко уменьшается (до 1,5...2 раз) по сравнению с К^,, а затем плавно увеличивается и при t «= fl...10 становится равным квазистационарному значению К^. При резком уменьшении расхода (Gg/G^O коэффициент Кн, наоборот, в первые моменты резко увеличивается, а затем медленно уменьшается и через 10... 12с достигается

кн/ккс = I.

В качестве определяющих критериев подобия в данном случае использовались: критерий Fob, критерий Fl*M и параметр G^/Gj^ характеризующий ускорение потока:

Как видно из рис.5, при увеличении расхода ^/Gpl) данные и;; к ..-• ф&щяеату X Для пучков витнх труб с Fi'M = 57 и 220 описываются г>ц-•пики и теми ко крившп, следовательно, число П*мдля дкнног., ,ша иоатац:юнарностн практически не влияет i;a р? и диапазоне Г'гм = 57... 220. Отсутствие влияния числа FJ'M на коэффициент X наблюдается и при ЭН/ЭТ^О и G - const, то есть в случаях, когда имеет mqcto eon--падение характера иэменашя нестационарна пэлеЯ температур ?.-ц.и>-ноеитзля во врегкши. Это свидетельствует о том, чго nr.-v.ec: iK-ст.ч» ционпрпого теплообмена определяется прежде всего перс-с ¡робкой .ем-пературных полей, связанной с воздействием нестационирнш. грапичнп:; условий. Таким образом, для случая резкого увеличения расхода (G^/Gpl), в диапазоне чисел FrM = 57...220 определены »оцу»«:,:«-вгфатения относительного коэффициента перемешивания:

Х = I - 1,334-Ю3-Гоь, U3)

з диапазоне чисел Го^ ^ 0...4,5-10"^ и

р£= A-Fo^ + В

Л = 4,04, 1,652 - 0,927(C-2/Gr), В = 0,99 - 4,I2(G2/Gj - L)3'8 з диапазоне FOj^>4,S• Ю~".

3 случае резкого укенызения расхода при одинаково:.: соотношении Gg/Gj для разных пучков Г{\, = 220 и FrM = 57 в изменении коэффициента t?ii наблюдается отличие (рис.5). В случае Fi'M = 57 коэффициент Кн медленное приближается к Кнс и гдкеигалыюе значение ко:*4фиштнга ¡t э данном случае вше, чем для пучка с FrM = 220. Таким образ«.!, для Go/Gj<I коэффициент д? определяется следующими завис,н.юсткмн: для FrM = 220

ft = 959-Fob+ I, (26)

в диапазоне Fo^ = 0...5,5-10"^

и

= А •Fo" + В (26)

А = 0,391, Л =» 0,1873 Gg/Gj - 0,278, В = 1,085 - 1,56 G^Gj,

в диапазоне I для РГМ = 57

диапазоне Frj>5,5-10"^;

в диапазоне Fo^ = 0...3,5-10"^

^=I855-Ibb+I (27)

э-КГ4

# = А • Fo + В (23)

А - 2,57, П = 0,009 - 0,049, В = 1,483 - 0,£т.2 С^,

з диапазоне Ггь>3,5-Ю-4*

Наряду с гидродинамической нестационарностью, связанной с резким уменьшением или увеличением расхода теплоносителя при постоянной тепловой нагрузке в различных теплообменных устройствах и аппаратах может наблодаться и периодическое изменоние теплоносителя во времени. В этом случае закономерности изменения эффективного козфх-. фициента Кп во времени могут отличаться от зависимостей (23)...(28) и быть функцией, частоты (периода) н а\'длитуды гармоничного колебания расхода.

Исследования данного типа нестацио;(арности проводились на пучках с числами ЕГМ = 57 и 220, при осесиммзтрпчной неравномерности нагрева в диапазоне изменения расхода й = 0,0В...0,32 кг/с (Ко = 3-Ю3...1,2-10^) и мощности II» 2,5...0,5 кВт. При поддеркиЕаемой постоянной мощности тепловой нагрузки расход теплоносителя изменялся или по синусоидальному или по прямоугольному закону (рис.б).

Полученные результаты свидетельствуют о существенном отличии переносных свойстз нестационарного турбулентного потока от переносных свойств стационарного турбулентного потока. Обнаружено, > :о при периодическом изменении расхода теплоносителя С, коэффициент дс. то.т.е претерпевает периодические изменения с тем же периодом, но периодическое изменение г' смещено но осп времени относительно периодического изменения О на 1/2 периода, т.е. максимальное значение р£'по времени совпадает с минимальны: и: значениями (х. Лри отом в пэрг-ые моменты времени коэффициент ¡1 изменяется в больпей море, чем после выхода на режим регулярного периодического изменения параметров. 11р1 изменении расхода б по синусоидально;^' закону в интервалах от ± 15% до 20,V, коэффициент & изменяется в пределах а при интервале С

от ±2э% до ±35'/о -±20,?. При изменении расхода й по прямоугольному закону в интервалах ±50,£ -¿70,* ¿^изменяется в пределах ¿25;» - ±30Й. Коэффициент }£ не изменяется (К([ = Кгс) при очень больших t= СО... 100 с или очень маленьких периодах { = 0,5...2 с.

В пятой главе рассматривается задача о нестационарном перемешивании теплоносителя при одновременном изменении мощности тепловой нагрузки и расхода теплоносителя в пучках битых труб (Г"ГМ= 57). Эксперименты проводились в диапазоне изменения расхода й = 0,075... 0,31 кг/с и мощности 11= 0...20 кВт. Экспериментально измеренные нестационарные температуры теплоносителя и стенки труб сравниваются с результатами теоретического расчета при значении безразмерного эффективного коэффициента диффузии К() - К.[С (рис.7). Хорссее совпадег-ние опытных и расчетных температур объясняется тем, что поскольку в

соответствии с зависимостями (18) и (27) при росте К и G = const-КН>К , а при росте G-и II =const - KH<K¡[C, то при одновременном увеличении II и G эти аффекты практически компенсируют друг друга. В первом приближении моино принять, что К ~К и расчет KfJ можно проводить по формуле для квазистационарного коэффициента безразмерного эффсктисного коэффициента диффузии К = Pt/ilü3. Аналогичная картина наблюдается и при одновременном уменьшении N и G (рис.7).

В пятой главе тшгее приводится примеры расчзта переходных процессов применительно к пучка?! ядерной двигательно-энергетической установки (ЯДЭУ). Численноо моделирование проводилось применительно к паналъно-корпусному варианту ядерного реактора. Были рассмотрено переходное ре:г>.::.м при одновременном увеличении мощности реактора и расхода теплоносителя (рис.о(а)). Реализация такого переходного процесса позволяет достичь требуемого значения температуры водородного теплоносителя па выходе из реактора б ~2900 к через ~Ю с поело начала перемещения регуляторов, а мощность увеличивается с уровня снергетического режима (~200 кВт) до уровня мощности двигательного резака (¿00 кВт) за с. 3 случае резмка расхолатлгания при переходе от двигательного речи;а к энергетическому г.ожет быть реко-кендовано ступенчатое снижение расхода (рис.3(6)).' Лри зтом с помощью органов регулирования репктср переводится п подкритичеекое состояние с уменьшением тепловой мощности до 102 от номинального значения за~5 с, г. расход теплоносителя угепьпастся до величины, равной ЗОЙ от значения расхода на двигательном рзстз, что поз зол лет за 10 с сэкономить пасся тсплоисс.ггеля по сравнению с рпехелл-киванисм при нокчнчльксч расходе. Полученное в данной главе резупь-тати могут бь:ть использованы для расчета переходных прецесасв ксо-иичоскоЯ ЯДЭУ.

1. З'гпо.-л.тко комплексна; ррсчз?к0"эксп',,рч"?н-гальн0<'. «ссярдовп-Ш'О KCCT2i::iC!iap'2"í полеП гс'лзргтур и ггрср.сссч nepei'e^HEa'-:.!.-. гс\г.-> ■ носителя а тепловмделг.щнх c'iop:c<r< с :глт::ми тз->яаки и теилсоЯг-лгт/ аппаратах с гитеки трубами ядерной двагателию-атргетячеикоЧ уст.ч-новкп (ЯДЭУ), что позволило выявить ряд hof/íx закономерностей пр-.~ цс-сса переноса и ирозезти тз«логизозшп1«еский тс»ет этих у?.к>а ЯДЭУ.

2. Рапрчботан метод зкепериментгльнего яссдедовпшш ibítíh;.: • -нэркчх процессов перочетиевкич теплоносителя для рззтамът типов нзстаписнарности, который позволяет изучить прометен пупсс-со я пучках витых груб (твэлсв) и rpy'i со сикрялъныч среб^мен ,члг-

симметричной и азимутальной неравномерностей теплоьццеления.

3. Экспериментально обоснована расчетная двухтемпературнал модель нестационарного течения в пучка витых твзлов (труб), основанная на использовании понятия течения гомогенизированной среды с неподвижной твердой фазой, математическое описание этой модели, а ■ также метод расчета процессов нестационарного тепломассообмена, который состоит б использовании метода переменных направлений с применением неявной конечно-разностной схемы для решения уравнений теплопроводности и энергии и t года прогонки при решении уравнений движения и неразрывности с помощь» подставки Снмуки с последующим увязывание;.! решений тепловой и гидродинамической задач с помощью уравнения состояния в итерационных циклах.

4. Путем сопоставления теоретически рассчитанных г. экспериментально измеренных полей температур теплоносителя с использованием методов математической статистики определены опытные значения эффективных коэффициентов диффузии в широком диапазона изменения определяющих параметров: числа Рейнольдса Re « 5,1*10^.. Л,25-Ю4, числа Fl'f.j = 57...1380, отношения расходов G^/Gj = 3,75...0,28, максимальных темпов изменения мощности теплог й нагрузки (ЭМ/ЭГ)И = -5...

10 кит/с, характерных для натурных изделий и для различных типов нестационарности: при увеличении и уменьшении мощности тепловой нагрузки и G = const, при увеличении и уменьшении расхода теплоносителя и N = const, при одновременном изменении II и G л при периодическом изменении расхода и Н= const.

5. Предложены ноше критериальные уравнения для расчета нестационарных эффективных коэффициентов диффузии для различных типов нестационарности, что позволило замкнуть систему уравнений, описывающих процессы тепломассообмена в пучках витых твэлов (труб) и провести расчет нестационарных полей температур.

6. Экспериментально установлено, что при изменении во времени мощности тепловыделения и расхода теплоносителя наблюдается перестройка полей температур теплоносителя в первые моменты времени после внесения возмущения в систему и резкое изменение эффективного коэффициента диффузии, который в далы&шем с течением времени стремится к своему квазистационарному значению. Обнаруженные закономер--ности можно объяснить изменением структуры турбулентного потока из-за влияния нестационарных граничных условий.

7. Разработана^ методика теплогидравлического- расчета переходных процессов ЯДЭУ с витыми твэлами и теплообменник аппаратов с витыми трубами с учетом влияния межканального перемешивания, которая позволила выполнить расчеты характерных нестационарных режимов ра-

боты ЯДЭУ.

S. Полученные результаты исследования, сделанные выводы и рекомендации были использованы при разработке проектов ЯДЭУ и ТЯР, а такке при проведении исследований и расчетов нестационарных режимов их работы. Разработанные методы экспериментального исследования и обработки опытных данных, полученные замыкающие уравнения подобия для определения эффективного коэффициента диффузии могут быть использованы в различных организациях, занимающихся разработкой и созданием тепловыделяющих сборок и теплообменных аппаратов различного назначения, применяемых в авиации, в энергетике, на транспорте и в других областях техники.

Результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Багдонавичюс A.B., Калятка A.B. Нестационарное перемешивание теплоносителя в пучках витых труб при резком изменении расхода // Физико-технические проблемы энергетики. - Каунас: ИФГПЭ, 1986. с. £63—171.

2.Багдонавичюс A.B., Калятка A.B. Влияние резкого изменения расхода на нестационарное перемешивание в пучках витых труб // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Атомно-водородная энергетика и технология. - М.: 1933. Был.1. с. 53-54.

3. Багдонавичюс A.B., Калятка A.B. Экспериментально-расчетные исследования нестационарного перемешивания в пучках витых труб, при переменном расходе // процессы тепломассопереноса в энергетических установках. - Минск, HTM, 1-339. с. 53-63.

4. Багдонавичюс A.B., Калятка A.B. Влияние изменения расхода на нестационарное перемешивание теплоносителя d пучках витых труб // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Атомно-водородная энергетика и технология. - М.: 1ЭЭ0. - № 2. с. 67-оЭ.

5. Багдонавичюс A.B., Калятка A.B. Исследование переходных процессов тепломассопереноса при различных законах изменения мощности и расхода теплоносителя, в пучках витых труб // Гидроупругость и долговечность конструкций энергетического оборудования. - Каунас, ИОТШ, 1990. с. 201-202.

о. Дзюбенко Б.В., Калятка A.B., Розанов В.И., Сегаль М.Д. Нестационарный тепломассообмен при азимутальной неравномерности теплоподвода в пучках витых труб // 5Ш. 1990. - т.59, М. с. 641-647.

7. Дзюбенко Б.В., Розанов В.И., Калятка A.B., Врубляускас С.П. Нестационарный тепломассообмен в пучках груглых труб со спирально навитой проволокой // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1Э90. № 6. с. I04-II0.

8. Дзюбенко Б.Ь., Ашмантас Л.А., Багдонавичюс A.B., Калятка А. Межканальное перемешивание теплоносителя при периодическом изменени расхода во времени в пучках витых труб /Д1ФЖ. 1ЭЭ1. Т.60, № 5. с..724-72Э.

I

Рис.1. Принципиальная схема экспериментальной установки: экспериментальный участок; 2 пучок витых труб; 3 - преобразо-

ватель давления; 4 - термопары для измерения температуры воздуха на выходе; 5 - термопары для измерения температуры трубки; 6 - генератор постоянного тока; 7 - термопары для измерения температуры возду ха на входе; 8 - несущая конструкция; 9 - устройство измерения расхода воздуха; 10 - устройство изменения расхода; II - холодильник; 12 - турбокомпрессор; 13 - автоматизированная система управления и сбора данных

а (Г Ь

Еис.2. Схемы размещения зоны нагрева:

а - пучок витых труб с осесимметричной неравномерностью теплоподво£ б - пучок витых труб с асимметричной неравномерностью теплоподвода в - пучок круглых труб со спирально навитой дистащионирующей провс локой

I - кожух; 2 - нагреваемая зона пучка; 3 - ненагреваемая зона пучк£

■Рис.3. Изменение во времени коэффициента# при увеличении (а) и уменьшении (б) тепловой нагрузки N. Пучок витых труб с РГМ = 57 при Be » 1,13 I04:

1-4 - Н= N(t) (увеличение) при (9N/9t)M =» 4,70; 1,189; 0,785; 0,326 кВт/с соответственно; 5-9 - N= N(t) (уменьшение) при ON/ST),, « - 4,40; - 1,298; - 0,933; - 0,798; - 0,348 кВт/с соответственно; 10-18 - X = Л СП при тех же (3N/сЮи

' 3

1 1

/ 0- 1 t- » D- t

п гГг 3 7- i T- •

174 11°

WV ■ n.Op

Рис.4. Влияние•определяющих критериев на коэффициент )С в пучках труб при изменении тепловой нагрузки Ы:

1,2- опытные данные при осесиммет-рйчной неравномерности теплоподвода для пучка витых труб С Ргм ■ 57) при увеличении и уменьшении Й; 3, 4 -то же для пучка с Ггм = 220 при асимметричной неравномерности тепло-подвода; 5, б - то же для пучка оребренных труб (1>л) = 1380) при асимметричной неравномерности тепло-подвода; 7-13 - зависимости (16), (17), (13), (I9), (22), (23), (24) для пучков витых труб с осесиммет-ричной неравномерностью теплоподвода при увеличении и уменьшении N

- 1а -

г у <

к/

а

в»

«

а/

Рис.5. Обобщающая зависимость относительного коэффициента дСот определяющих параметровТоь и Я** ПУЧК0В 0 ?гм = 57 и

Тг„ш"г20:

I - Зависимость (26) для пучков Еги в 57 - 220 при резком увеличении расхода в диапазоне

Гоь » 0...4,5'Ю"

к* 2 -1-4

то же в

диапазоне Гоь>4,б-10~^ (зависимость (27)); 3 - зависимость (28) для пучка Ргм = 220 при резком уменьшении расхода в диапазоне

^ чисел Гоь в 0...5,5*Ю ; 4

то

же в диапазоне Гоь>5,5«10 (зависимость (2Э)); 5 - зависимость (30) для пучка Ргм= 57 в диапазон чисел Гоь = 0...3.5-10*4; 6 - то ае в диапазоне Гоь>3,5-10"** (зависимость (31))

« к

V

Рис.6. Изменения расхода в, температуры теплоносителя Т и относительного эффективного коэффициента диффузии # во времени для цучка с Рги = 57 при Ы« 7,7 кВт, Цпах/Ат(п = 1,68 и периоде изменения расхода 1 » 13 с:

I - в = С (Г); 2 - Т = Т (Т) - в выходном сечении пучка в относительных радиусах. Г/гк = 0,073; 0,193; 0,334; 3 - X =Я(?)

и

Рис.7. Сопоставление измеренных и рассчитанных температур при одновременном изменении Н й б: I, 5 - Г1 = ЫТ); 2,6 - й = й (V); 3,4 - рассчитанные при Кн = К температуры твердой фазы Т = Тт(Т) и теплоносителя на выходе Т = ТСГ) при одновременном росте N и С; 9,10 -экспериментально измеренные темпера?- '. туры стенки трубы Тт и теплоносителя Т в тех же самых точках при росте II и й; 11,12 - то яе при уменьшении Ни С

Рис.8. Расчеты характерных режимов работы ЯДЭУ с увеличением (а) и уменьшением (б) мощности реактора: I - И= М(Т); 2 - С = б (Г); 3,4 - Тт = Тт(Т) и Т = Т (г) на выходе из реактора; 5 - Тт = Тт (Т) на расстоянии 100 мм от входа в активную зону;

И, Тт, Т, в - отноиение нестационарных значений параметров к их номинальным значениям

га т. с