5-я международная научно-техническая конференция «ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ АЭС С ВВЭР» 29 мая – 1 июня 2007 г., Подольск, Россия, ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС» Влияние эффектов закрутки потока на тепломассообмен в ЯЭУ О.В. Митрофанова Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

Критические явления в однофазной гидродинамике 1. Кризис обтекания 2. Вторичные течения. Гидродинамические неустойчивости 3. Кризис истечения 4. Критический расход закрученного потока 5. Турбулентность (переход от ламинарного режима к турбулентному, явление перемежаемости) 6. Переход от квазитвердого к квазипотенциальному закону вращения в закрученном потоке. Трансформация вихря 7. Спиральность. Винтовое течение как бездиссипативная форма движения жидкости. 8. Эффект Ранка 9. Эффект Коанда 10. Звуковые и ударные волны 11. Возникновение фликкер-шума

Общие закономерности Кризисные явления сопровождаются структурной перестройкой движущейся среды Образуются трехмерные вихревые структуры, наиболее типичная форма которых соответствует продольным или тороидальным спиральным вихрям Устойчивость упорядоченной вихревой структуры обусловлена наличием спиральности Детерминированная вихревая структура потока обеспечивает минимальную диссипацию энергии Идеальным случаем вихревого движения является бездиссипативное винтовое течение Перестройку внутренней структуры потока можно связать с возникновением «кризиса» устойчивости реальной термодинамической системы.

Термодинамический подход (Д. Гиббс, Л.Д. Ландау, И.И. Новиков) Новиков И.И. Термодинамика спинодалей и фазовых переходов. М.:Наука, с. Современное развитие термодинамического подхода, основанного на изучении критических явлений и фазовых переходов первого и второго рода, исследовании условий устойчивости термодинамических систем, а также введение в рассмотрение предложенного Л.Д. Ландау параметра порядка как внутреннего параметра системы, позволяет надеяться, что критические явления имеют общие физические закономерности и должны подчиняться математическому описанию. Развиваемая в настоящее время академиком И.И.Новиковым теория, исходящая из уравнений Гиббса для критического состояния, позволяет объяснить основные особенности и закономерности критических явлений и фазовых переходов, а также предложить новый точный метод вычисления критических индексов. И.И.Новиковым были найдены решения уравнений Гиббса для критического состояния, показано, что эти уравнения составляют основу описания как критических явлений, так и фазовых переходов первого и второго рода, а также рассмотрена аналогия между фазовыми переходами второго рода и возникновением неустойчивостей.

Кризис обтекания (1) (2) Sh = Sh (Re) Re кр =

Различная геометрия коллекторов с боковым входом теплоносителя

Примеры типичных коллекторных вихреобразований Рис. 1Рис. 2 Рис. 3

Самопроизвольная закрутка потока в коллекторах ЯЭУ Схема течения теплоносителя в коллекторе

Фрагменты полей скорости и давления в напорной части упрощённой модели коллектора: а) линии тока, б) изобары а) б)

Вязкая несжимаемая жидкость:

Вторичные течения. Гидродинамические неустойчивости Вихри Тейлора n Распределени е : Вторичные течения - это осредненные по времени течения, которые развиваются в плоскости, перпендикулярной направлению основного потока До кризиса Ta < 41,3 Критическое условие:

K = 19,64K = 30 K = 39,28K = 40

Винтовое течение: - локальная завихренность: - полная локальная скорость потока, - интенсивность завихренности:

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕОРИИ ГРОМЕКИ-БЕЛЬТРАМИ ДЛЯ АНАЛИЗА УСЛОВИЙ СУЩЕСТВОВАНИЯ МАКРОВИХРЕВОЙ СТРУКТУРЫ ВНУТРЕННИХ ЗАКРУЧЕННЫХ ТЕЧЕНИЙ (1) (2) (3) (4)

Вихревые структуры в пылевой плазме Винтовое движение Рыков К.В. «Методы получения и свойства пылевых структур в ядерно-возбуждаемой плазме» – автореф. канд. дисс. – Обнинск, 2006 г.

Вихри Тэйлора-Гертлера. Вторичные течения в изогнутых каналах Критические условия - турбулизация

Вихревая структура пристенной области турбулентного пограничного слоя Вторичные течения в некруглых прямолинейных каналах возникают при турбулентном течении. В угловых зонах

– предельный шаг вихревой структуры при Экспериментируя с воздухом, продуваемым через щель, Г. Коанд обнаружил, что отклонённый поверхностью поток подсасывает воздух из окружающего пространства. При этом расход воздуха в струе, обтекающей поверхность, увеличивается в двадцать раз по сравнению с расходом, истекающим из щели. Тело может двигаться вперёд за счёт «отрицательного сопротивления»: низкого давления в лобовой области тела и повышенного а кормовой. Эффект Коанда Жукаускас А., Жугжда И. Теплоотдача цилиндра в поперечном потоке жидкости.

Распределение скорости а) – в нижней, б) – в верхней части напорного коллектора а) б)

Скоростные распределения при нестационарном режиме изменения поля завихрённости на входе в опускной участок коллектора: а) - в нижней, б) – в верхней части напорного коллектора а)б)

МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ В КАНАЛАХ С ЗАВИХРИТЕЛЯМИ Принципы расчетного моделирования заключают в себе совместное решение следующих проблем: проблемы пространственного осреднения трехмерных уравнений динамики сплошной среды; проблемы описания эффективных коэффициентов переноса и граничных условий, что связано с переходом к выбранным масштабам осреднения, и проблемы формулировки замыкающих феноменологических соотношений для описания силового и энергетического воздействия завихрителей на поток

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Система исходных уравнений: (1) (2) (3) (4)

ОСРЕДНЕНИЕ ПО ПРОСТРАНСТВУ Система осредненных уравнений:

АНИЗОТРОПИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ

(1) (2) (3)

МОДЕЛЬ ТРАНСФОРМАЦИИ ВИХРЯ параметрическое описание тангенциальной и продольной компонент осредненной скорости закрученного потока; переход от решения дифференциальных уравнений относительно локальных компонент скорости и давления к решению осредненных интегральных уравнений относительно скоростных формпараметров модели; использование замыкающих эмпирических соотношений для учета эффекта анизотропии сопротивления в каналах с завихрителями, не полностью перекрывающими их проходное сечение Параметрическое описание поля скорости: Параметры модели:D(Z), q.

ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ R 0, ммh, ммЗагромождение = h/R 0 Угол навивки, о Число заходов m Тип завихрителя ,4 72,3 1Пластинчатые спирали ,4 17, ,4 38,1 1Спиральная накатка , ,9 3 0,435 59,5 1Проволочные спирали 6 6,9 3 0,435 48, ,9 2 0,29 40,8 1

Применение расчетного исследования для оптимизации геометрии тепловыделяющих каналов ЯЭУ Для условий высоких паросодержаний и давлений, превышающих 7,0 МПа (при расходном паросодержании x > 0,8), что дало возможность использовать модель гомогенизации потока, были проведены вариантные теплогидравлические расчеты парогенерирующих каналов со спиральными завихрителями. Проблема безопасности здесь рассматривается с точки зрения предотвращения опасных локальных перегревов твэлов в условиях ухудшенного теплообмена при дисперсном режиме течения пароводяной эмульсии в тепловыделяющих каналах активной зоны в случае возникновения аварийных ситуаций. Распределение температуры тепловыделяющей поверхности по длине канала: 1 – гладкая труба; 2 – спиральная накатка по всей длине канала; 3 – спиральная накатка при 0 < z < 0.65 м, гладкая труба при 0.65 м < z < 0.9 м; 4 – спиральная накатка при 0,2 м < z < 0.65 м, гладкая труба при 0 < z < 0,2 м и 0.65 м < z < 0.9 м; ( - загромождение канала, - угол навивки спирали).

Ураган Изабель и галактика M51: логарифмические спирали

Спасибо за внимание!