Митрофанова О.В. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в каналах ядерных энергетических установок Изд. 2, испр. и доп.

ЦВЕТНАЯ ВЕРСИЯ ИЛЛЮСТРАЦИЙ

PDF

Содержание

Георгию Алексеевичу Гладкову с глубокой благодарностью за его удивительный талант учёного и широту человеческой души посвящается

Благодарности 7

Предисловие 8

Глава 1. Современное состояние исследований в области изучения гидродинамики и теплообмена закрученных потоков в каналах с завихрителями 11

1.1. Введение 11

1.2. Виды завихрителей и их применение для интенсификации теплообмена 13

1.3. Физические особенности турбулентных закрученных потоков в каналах с завихрителями 22

1.3.1. Вопросы терминологии 22

1.3.2. Основные закономерности закрученных течений. Связь интенсивности закрутки потока с формированием поля скорости закрученного течения в канале 26

1.3.3. Вторичные течения 34

1.3.4. Отрыв и присоединение потока 43

1.4. Факторы, влияющие на вихревую структуру потока, гидравлическое сопротивление и теплообмен в каналах с завихрителями 52

1.4.1. Форма завихрителей 53

1.4.2. Загромождение канала 59

1.4.3. Степень турбулентности потока 63

1.4.4. Шаг расположения закручивающих элементов и угол скоса потока 67

1.4.5. Продольная кривизна 73

1.5. Современное состояние проблемы расчетного моделирования сложных турбулентных течений 78

1.5.1. Использование моделей турбулентности для расчета криволинейных и закрученных течений 78

1.5.2. Различные подходы к построению расчетных методов сложных турбулентных течений 85

1.6. Опыт разработки инженерных методов расчета для каналов сложной геометрии с закруткой потока 94

1.7. Выводы 99

Глава 2. Теоретические основы математического моделирования гидродинамики и теплообмена в каналах с закручивающими устройствами 1

2.1. Принципы расчетного моделирования 1

2.2. Постановка задачи. Вывод расчетных уравнений 1

2.2.1. Система исходных уравнений 1

2.2.2. Процедура пространственного осреднения 1

2.2.3. Уравнения для осредненных компонент скорости и давления 115

2.2.4. Осреднение уравнения энергии 120

2.3. Формулировка замыкающих феноменологических соотношений 124

2.3.1. Описание силового воздействия завихрителей на поток 124

2.3.2. Описание компонент тензора сопротивления 127

2.3.3. Моделирование эффективного переноса в каналах с завихрителями 132

Глава 3. Метод расчета гидродинамики и теплообмена для кольцевых каналов со спиральными завихрителями 137

3.1. Постановка задачи 137

3.2. Гидродинамический расчет кольцевых каналов с непрерывными по длине спиральными завихрителями 140

3.2.1. Оценка эффективной вязкости 141

3.2.2. Вычислительный алгоритм метода гидротеплового расчета 148

3.3. Расчет теплообмена в кольцевых каналах с завихрителями 152

3.3.1. Уравнение теплового баланса 153

3.3.2. Интегральные соотношения в форме интегралов Лайона для расчета теплоотдачи в кольцевых каналах с завихрителями при произвольном соотношении тепловых нагрузок

3.4. Гидротепловой расчет винтообразных каналов 167

3.5. Верификация расчетного метода. Сравнение результатов расчетов и экспериментов 173

Выводы к главе 3 193

Глава 4. Метод расчета гидродинамики и теплообмена в трубах с локальными завихрителями 195

4.1. Постановка задачи. Вывод расчетных уравнений 195

4.1.1. Введение 195

4.1.2. Вывод интегральных уравнений 197

4.1.3. Описание профиля окружной скорости закрученного потока. Предварительный анализ 2

4.2. Модель трансформации вихря 2

4.2.1. Основные положения 2

4.2.2. Система расчетных уравнений 2

4.2.3. Параметрическое описание поля скорости 2

4.2.4. Оценка эффективной вязкости 215

4.3. Влияние завихрителей на теплообмен 217

4.4. Вычислительный алгоритм метода гидротеплового расчета труб с локальными завихрителями 223

4.5. Верификация метода расчета гидродинамики и теплообмена труб с локальными завихрителями. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов 224

Выводы к главе 4 236

Глава 5. Использование теории Громеки-Бельтрами для анализа условий существования макровихревой структуры внутренних закрученных течений при высоких числах Рейнольдса 238

Введение 238

5.1. Перенос завихренности 239

5.2. Винтовое течение в каналах 241

5.2.1. Решение для кольцевого канала 242

5.2.2. Анализ результатов 244

5.3. Влияние интенсивности завихренности на структуру закрученных потоков в цилиндрических каналах 253

Глава 6. Генерация спиральности и критические переходы в закрученном потоке однофазной жидкости 259

Введение 259

6.1. Понятие спиральности. Вывод уравнения спиральности 259

6.1.1. Приведение к безразмерному виду 261

6.1.2. Связь спиральности с интенсивностью завихренности 263

6.2. Теоретический анализ 265

6.2.1. Некоторые свойства вихревых течений с ненулевой спиральностью. Уравнение энергии для винтового течения 265

6.2.2. Переход к винтовому движению 267

6.3. Самопроизвольная закрутка теплоносителя в коллекторных системах ядерно-энергетических установок 275

Выводы к главе 6 284

Глава 7. Повышение теплогидравлической эффективности каналов ЯЭУ при использовании закручивающих устройств

7.1. Способы оценки теплогидравлической эффективности каналов с закручивающими устройствами 286

7.2. Выбор критерия эффективности для решения задач повышения безопасности и эффективности работы ЯЭУ 289

7.3. Оптимизация геометрии дистанционирующих устройств в кольцевых каналах ТВС 297

7.4. Примеры решения оптимизационных задач на основе вычислительных экспериментов 3

7.4.1. Интенсификация теплообмена в парогенерирующих каналах ТВС 3

7.4.2. Улучшение массогабаритных характеристик авиационного теплообменника 3

7.4.3. Уменьшение длины технологических каналов пиролизных печей 312

Выводы к главе 7 314

Заключение 315

Приложение 1. Значения коэффициентов полного сопротивления C_d для тел различной геометрии 319

Приложение 2. Вывод зависимости для определения коэффициента тензора сопротивления k_ηη при течении жидкости в винтообразном канале 325

Приложение 3. Приведение уравнений модели трансформации вихря к конечноразностному виду 328

Список литературы 335

Summary 349

Благодарности

Я выражаю безграничную признательность дорогим для меня людям, благодаря которым оказалось возможным появление этой книги: моему отцу Торгашеву Виктору Ивановичу, первым открывшему для меня мир теплофизических явлений; Льву Сергеевичу Кокореву моему учителю и истинному учёному, своим подвижническим трудом исследователя показавшему, что для научного познания нет ограничений; Александру Сергеевичу Корсуну научному руководителю при выполнении кандидатской диссертации, учась у которого я поняла, что красота и стройность физической гипотезы выражаются математически.

Автору выпало счастье принадлежать к школам двух выдающихся академиков Российской академии наук (РАН): академика Ивана Ивановича Новикова одного из первых руководителей Атомного проекта и Московского инженерно-физического института (МИФИ), основателя кафедры Теплофизики МИФИ и Института Теплофизики Сибирского отделения РАН, и академика Александра Ивановича Леонтьева, создавшего свою уникальную школу подготовки научных кадров не только в рамках советского, а затем и постсоветского пространства, но и объединившего наиболее ярких учёных-теплофизиков России, Англии, США, Украины, Белоруссии и других стран.

Слова особой благодарности я адресую Георгию Алексеевичу Гладкову, явившемуся идейным вдохновителем создания данной монографии, выдающемуся ученому, обладавшему не только даром научной интуиции, но и высочайшим профессионализмом и феноменальной памятью, что позволяло на практике оперативно решать сложнейшие теплофизические задачи.

Я благодарна за счастье дружеского знакомства, сотрудничества и ощущения поддержки в решении научных задач со стороны своих старших коллег, признанных мэтров отечественной теплофизики Павла Анатольевича Ушакова и Генриха Александровича Дрейцера.

Это подаренная судьбой большая удача учиться у таких выдающихся людей, принадлежащих к элите российской науки.

Предисловие

Проблема интенсификации тепло-массообменных процессов имеет важное значение для достижения прогресса в совершенствовании современных и создании новых энергетических и теплообменных аппаратов. Среди многообразия способов интенсификации теплообмена закрутка потоков рабочих сред является одним из наиболее простых и распространенных способов и широко используется в энергонапряженных каналах ядерно-энергетических установок (ЯЭУ), теплообменников, аппаратов авиационной и ракетнокосмической техники, химической промышленности и других технических устройств. Это связано с тем, что применение закрученных потоков приводит не только к усилению тепло- и массообмена, но и выравниванию температурных неравномерностей, стабилизации течений и процессов горения, используется для тепловой защиты стенок каналов, обеспечивает эффективное и экологически чистое сжигание топлива.

Анализ публикаций последних лет показывает, что закрученные потоки привлекают к себе все более пристальный интерес исследователей. Это обусловлено тем, что особые свойства закрученных течений имеют широкий диапазон технических приложений в энергетическом, теплообменном и технологическом оборудовании ядерной энергетики, аэрокосмической техники, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, транспорта, промышленной теплоэнергетики.

В технических устройствах закрутка потока, т.е. сообщение потоку вращательного движения с помощью различных закручивающих устройств, приводит к крупномасштабному воздействию на все характеристики поля течения, а следовательно и теплообмен. При этом характерная для закрученных течений трехмерность поля скорости и соизмеримость тангенциальной и осевой компонент скорости (а в каналах переменного сечения всех трех компонент скорости, включая радиальную) обуславливает формирование трехмерного поля давления с радиальным градиентом, сравнимым по величине с продольным. Благодаря наличию поперечных составляющих скорости тангенциальной и радиальной, усиливается конвективный перенос импульса, энергии и массы и изменяется вихревая структура внутренних закрученных потоков. С этим и связаны столь необходимые в технических приложениях свойства закрученных течений, выражающиеся в их способности интенсифицировать процессы тепло и массообмена, выравнивать локальные температурные неоднородности за счет конвективного перемешивания, подавлять или усиливать случайные возмущения (например, обтекание закрученным потоком выпуклой поверхности приводит к подавлению турбулентного переноса, а обтекание вогнутой к его усилению), стабилизировать процессы течения в условиях сложного теплообмена при протекании химических реакций или процессов горения, обеспечивать рециркуляционное течение в камерах сгорания, что способствует более полному, экологически чистому выгоранию топлива и др.

Классическим стало применение закрученных потоков в циклонных аппаратах для очистки газов и жидкостей, в центрифугах и сепараторах для разделения различного рода смесей, в вихревых трубах для температурного разделения газа, в элементах энергетических и двигательных установок, в системах охлаждения, термостатирования и кондиционирования. Большие перспективы имеет использование закрутки потока для комплексного решения задач повышения безопасности и эффективности работы ядерно-энергетических установок, конструктивного усовершенствования теплообменных и двигательных систем авиационной и ракетно-космической техники, МГД-генераторов, для повышения устойчивости течений в условиях невесомости, для ускорения протекания металлургических и химико-технологических процессов (таких, как обжиг, плавление, коксование, пиролиз), для интенсификации процессов тепло и массообмена в условиях вынужденной и естественной конвекции.

В последние годы повышенный интерес вызывает многоцелевое использование закручивающих устройств: например, одновременно в качестве турбулизаторов и закручивателей пристенных слоев жидкости в каналах теплообменных трактов, или в качестве завихрителей и дистанционирующих элементов в межтвэльном пространстве тепловыделяющих сборок и т.д.. Многофункциональность закручивающих устройств делает экономически более выгодным обеспечение высокой теплоэнергетической эффективности и надежности работы ЯЭУ и другого теплоэнергетического оборудования. В связи с этим весьма перспективным является использование закручивающих устройств, в небольшой степени перекрывающих проходное сечение каналов: локальных, непрерывных или периодически расположенных завихрителей, винтового оребрения с различной формой выступов, спиральных накаток, проволочных навивок и др. Эти устройства наряду с дополнительным вихреобразованием и турбулизацией пристенной области обеспечивают глобальную циркуляцию (закрутку) потока, благоприятно влияющую на выравнивание температурных неоднородностей и усиление тепломассообменных процессов.

Большое разнообразие конструкций закручивающих устройств и сложная структура турбулентных потоков в каналах с завихрителями обусловили в основном прикладной характер проводимых в настоящее время исследований. Полученные при этом расчетные рекомендации носят ограниченный характер и имеют вид обобщающих эмпирических зависимостей, описывающих отдельные типы каналов, завихрителей и режимы течения. Вместе с тем, проблема создания универсальных инженерных методов расчета гидродинамики и теплообмена закрученных течений в каналах сложной геометрии, основанных на более глубоком, фундаментальном изучении физической природы таких течений, приобретает всё большую актуальность для решения задач повышения эффективности, надежности и безопасности работы энергоустановок и теплообменного оборудования, а также для оптимизации их конструкций в целях снижения материалоемкости и затрат энергии на собственные нужды.

В настоящей работе рассмотрены вопросы, касающиеся общих закономерностей и топологии закрученных и винтовых течений, выделены факторы, влияющие на вихревую структуру потока, гидравлическое сопротивление и теплообмен в каналах с завихрителями, дан анализ различных подходов к построению расчетных методов сложных турбулентных закрученных течений, а также предложены два новых физически обоснованных метода инженерных расчетов процессов гидродинамики и теплообмена для кольцевых каналов и труб с различной геометрией закручивающих устройств. Актуальность разработки таких методов обусловлена практической необходимостью сравнения влияния различных типов завихрителей на гидродинамику и теплообмен в каналах, определения оптимальной геометрии завихрителей и получения надежных количественных оценок теплоэнергетической эффективности каналов с закручивающими устройствами.

Abstract

HYDRODYNAMICS AND HEAT TRANSFER OF SWIRL FLOWS IN CHANNELS OF NUCLEAR POWER INSTALLATIONS

Second edition, corrected and supplemented

The monograph is devoted to the problem of modeling the processes of hydrodynamics and heat transfer of complicated swirl and vortex flows of viscous incompressible fluid in channels with swirling devices. The physical features of turbulent swirl flows are considered, the factors affecting the vortex structure of the coolants flows, hydraulic resistance and heat transfer in the channels of nuclear power installations are revealed. The basis of physical and mathematical modeling is a complex solution of problems of spatial averaging of continuum dynamics equations for channels of complex geometry, description of boundary conditions, effective transfer coefficients and formulation of closing relations obtained as a result of experimental confirmation of accepted physical models and hypotheses. Methods of mathematical modeling of hydrodynamics and heat transfer for the most typical types of channels with swirlers of different configurations are developed. Analytical solutions are obtained in the form of modified Lyon integrals for estimating heat transfer in annular channels with swirlers, as well as for the screw flows of the coolant. A computational study of the effect of the vorticity intensity of the flow and the geometric parameters of the channels on the vortex structure of swirl flows was carried out. The ways of increasing the thermal-hydraulic efficiency of the channels of the nuclear power installations with the use of swirling ing devices are considered. For scientists, engineers, postgraduates and students of physical faculties of universities, whose interests are related to thermophysics, fluid mechanics and heat transfer processes in technical and natural systems.

Key words: hydrodynamics, heat transfer, mathematical modeling, vortex structures, swirl flows, nuclear power installations, safety, heat transfer enhancement

Об авторе

Митрофанова Ольга Викторовна

Доктор технических наук, профессор кафедры теплофизики Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», ведущий научный сотрудник НИЦ «Курчатовский институт», главный научный сотрудник Института металлургии и материаловедения РАН (ИМЕТ РАН). Круг научных интересов автора включает в себя гидродинамику и теплообмен сложных вихревых и закрученных течений; теплофизику ядерных энергетических установок; проблемы интенсификации теплообмена; разработку физических моделей и методов расчета, а также экспериментальные и теоретические исследования условий генерации устойчивых крупномасштабных вихреобразований и выявление критических условий, обуславливающих существование акустических и фликкер-резонансных эффектов.