Экспериментальное исследование развития теплообмена жидкого металла по длине горизонтальной трубы в поперечном магнитном поле в условиях неоднородного обогрева

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 01.04.14 _Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Экспериментальное исследование развития теплообмена жидкого металла по длине горизонтальной трубы в поперечном магнитном поле в условиях неоднородного обогрева

Дорофеев Дмитрий Игоревич

Москва 2007

Работа выполнена на кафедре Инженерной теплофизики Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Свиридов Валентин Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Красильников Евгений Юрьевич, доктор технических наук Лущик Валерий Григорьевич.

Ведущее предприятие: ФГУП Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А. Доллежаля (НИКИЭТ)

Защита состоится "___" ___________ 2007 года ___ час ___ мин на заседании диссертационного совета Д.212.157.04 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу Москва, Красноказарменная ул., д.17, корп. Т, кафедра Инженерной теплофизики, ауд. Т-206.

Отзывы просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан "___" ___________ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ________________Мика В.И.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В силу ряда особенностей жидкие металлы (ЖМ) рассматриваются как весьма перспективные теплоносители для атомной, а в дальнейшем, и термоядерной энергетики. Широкое применение ЖМ могут найти, например, в термоядерных реакторах (ТЯР) типа ТОКАМАК. В реакторах типа ТОКАМАК могут присутствовать различные конфигурации МГД-течений, при этом каждая конфигурация течения имеет свои особенности, определяемые взаимной ориентацией векторов скорости потока, силы тяжести, индукции магнитного поля и характером распределения тепловой нагрузки. Поэтому для практических целей создания энергетических термоядерных реакторов необходимы детальные исследования различных конфигураций МГД-течений при различных вариантах распределения плотности теплового потока. На протяжении многих лет на кафедре Инженерной теплофизики Московского энергетического института проводятся комплексные экспериментальные и расчетно-теоретические исследования гидродинамики и теплообмена ЖМ в магнитном поле (МП). Данная диссертационная работа продолжает эти исследования. Отдельные этапы работы выполнялись по федеральной программе «Интеграция», а также по грантам Министерства образования и науки РФ, РФФИ.

Цель работы

Целью работы являются комплексные экспериментальные исследования полей осредненной температуры, коэффициентов теплоотдачи и характеристик турбулентных пульсаций температуры по длине горизонтальной трубы при неоднородном по периметру сечения трубы обогреве в поперечном МП. Анализ и обобщение полученных результатов, вывод расчетных зависимостей.

Научная новизна

Впервые выполнены измерения трехмерных полей осредненной температуры по длине горизонтальной круглой трубы в поперечном МП при неоднородном распределении тепловой нагрузки по периметру сечения трубы. Получены распределения коэффициентов теплоотдачи и интенсивности температурных пульсаций по длине, и по периметру сечения трубы. Построены автокорреляционные функции для различных сечений трубы. Обнаружено сильное влияние термогравитационной конвекции (ТГК) и поперечного МП на исследуемые характеристики. Предложена формула для расчета теплоотдачи жидких металлов при течении в сильном поперечном МП. С научной точки зрения рассматриваемая задача представляет собой интересный случай совместного воздействия на гидродинамику и теплообмен массовых сил различной природы - электромагнитных, гравитационных и сил инерции.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты и рекомендации могут быть использованы при проектировании энергетических установок с жидкометаллическими теплоносителями, в частности, при разработках бланкета и дивертора ТЯР типа ТОКАМАК. Разработанная методика измерений в турбулентном потоке ЖМ может быть использована в различных областях науки и техники. Внедрение в учебный процесс: жидкометаллический МГД-стенд, на котором проводились экспериментальные исследования, включен в состав распределенной учебной лаборатории теплообмена в режиме удаленного компьютерного доступа.

На защиту выносятся

· результаты экспериментальных исследований развития по длине горизонтальной трубы полей осредненной температуры и коэффициентов теплоотдачи в поперечном МП в условиях неоднородного по периметру сечения трубы обогрева;

· результаты экспериментальных исследований статистических характеристик турбулентных пульсаций температуры по длине горизонтальной трубы в поперечном МП;

· рекомендации по расчету средних коэффициентов теплоотдачи в сильном поперечном магнитном поле.

Личный вклад автора

Автором диссертации была проведена модернизация экспериментального стенда. Выполнены экспериментальные исследования теплообмена при при турбулентном течении ЖМ в круглой трубе в условиях совместного влияния поперечного МП и ТГК. Предложены рекомендации по расчету коэффициентов теплоотдачи.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и научных семинарах:

- на Второй Российской конференции «Тепломассообмен в закрученных потоках», Москва, 2005 г.

- на Пятнадцатой школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», Калуга, 2005 г.;

- на Двенадцатом совещании по инженерным проблемам термоядерных реакторов, Санкт- Петербург, 2006 г.

- на Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 2006 г.

- на Шестнадцатой школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, Санкт-Петербург, 2007 г.

Публикации

Основные положения диссертационной работы изложены в публикациях /1-5/.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация объемом 116 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Список цитируемых источников составляет 123 наименования.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации. Сформулирована цель и основные задачи исследования.

В Первой главе приводится математическое описание исследуемых процессов. Определяются важные для лабораторного моделирования критерии подобия.

Во Второй главе приведен обзор современного состояния вопроса и сделаны следующие выводы. Достаточно подробно исследован теплообмен при течении ЖМ без МП и без влияния свободной конвекции на течение. Для расчета коэффициентов теплоотдачи на участке стабилизированного теплообмена может быть рекомендована формула Лайона:

Nu =7+0,025 Ре0,8.

Для начального термического участка предложена зависимость (МЭИ):

,

где Nu - рассчитывается по формуле (1).

Проведены исследования влияния ТГК на течение и теплообмен в горизонтальных трубах неметаллических жидкостей с числом Прандтля Pr > 0.6. Обнаружена сильная асимметрия профилей скорости и температуры, возникают вторичные свободноконвективные движения в плоскости, перпендикулярной оси трубы.

Достаточно подробно исследовался теплообмен ЖМ в продольном МП, а также при совместном воздействии ТГК и продольного МП на течение ЖМ в горизонтальной трубе как при однородном, так и неоднородном распределении плотности теплового потока по периметру поперечного сечения трубы. Обнаружено значительное воздействие ТГК и продольного МП на поля температуры, локальные коэффициенты теплоотдачи.

Известны отдельные исследования теплообмена при течении ЖМ в круглой трубе в поперечном МП (работы Гарднера и Ликодиса и др.). Качественно опытные точки разных авторов ведут себя похожим образом, но количественно наблюдаются значительные расхождения. В работах не учитывалось влияние ТГК и контактного термического сопротивления.

Непосредственными предшественниками данной работы являются работы Листратова Я.И. и Ивановой О.Н., выполненные совместно МЭИ и ИВТ РАН по программе «Интеграция». В первой исследовались поля температуры и коэффициенты теплоотдачи по длине горизонтальной трубы при однородном обогреве в поперечном МП в условиях влияния ТГК. Во второй исследовались поля скорости и температуры, коэффициенты теплоотдачи, статистические характеристики турбулентных пульсаций температуры в горизонтальной трубе в поперечном МП в условиях неоднородного обогрева. Измерения проводились в одном сечении потока, достаточно удаленном от входа в рабочий участок.

Вместе с тем, не проводились исследования теплообмена и полей температуры при течении ЖМ в поперечном МП по длине горизонтальной трубы в условиях неоднородной по периметру тепловой нагрузки и влияния ТГК. Не исследованы закономерности их развития и стабилизации по длине зоны обогрева. Поэтому задача проведения таких исследований является новой и актуальной.

В Третьей главе приводится описание экспериментального стенда, методики измерений и системы автоматизации эксперимента. Приведен анализ погрешностей измерений режимных параметров и коэффициентов теплоотдачи.



Рис.1. Схема экспериментального стенда

1 - рабочий участок; 2 - термопарный зонд; 3 - расходомер;

4 - дифманометр; 5 и 7 - холодильники; 6 - электромагнитный насос;

8 - резервуар со ртутью; 9 - электромагнит; 10 - термопары выхода;

11 - термопары входа; 12 - нагреватель.

Опыты проводились на экспериментальном стенде МЭИ - ИВТ РАН, который представляет собой замкнутый герметизированный ртутный контур, схематично изображенный на рис. 1.

Температурные измерения в потоке ртути проводились микротермопарным зондом типа «гребенка». На рис. 2 показан эскиз зонда. Он состоял из десяти медь-константановых микротермопар с оголенными спаями диаметром 0.25 мм. Центральная термопара находилась на оси трубы, а две крайних прижимались к стенке. Зонд с помощью автоматизированной системы перемещался по длине зоны обогрева и поворачивался вокруг продольной оси. При этом центрирующее устройство обеспечивало сохранение радиальных координат термопар с точностью 0.1 мм.



Рис. 2. Эскиз зонда типа “гребенка”.

1-шток зонда; 2-первое центрирующее кольцо;

3-стенка рабочего участка; 4-капилляр с термопарой

Измерения и первичная обработка опытных данных осуществлялись с помощью автоматизированной системы научных исследований. Цикл измерений полей температуры начинался после установления стационарного теплового режима. Зонд перемещался на очередную продольную координату и (или) поворачивался на необходимый угол и начинался опрос термопар зонда. Оценка осредненной температуры в точке потока и ее дисперсия рассчитывались обработкой массива из 40 измеренных некоррелированных значений сигнала каждой термопары зонда.

Температура стенки в каждом сечении определялась экстраполяцией на стенку измеренного температурного профиля. Такой способ определения температуры стенки позволяет исключить погрешность, связанную с термическим контактным сопротивлением на границе «стенка-жидкость», при этом нет необходимости закладывать термопары в стенку, что позволяет исключить неравномерности плотности теплового потока.

Безразмерные местные коэффициенты теплоотдачи рассчитывались по формуле: теплоотдача сечение труба магнитный

, ,

где и _ значения плотности теплового потока на левой и правой половинах трубы (рис. 3), - коэффициент теплопроводности жидкости, - температура стенки в определенной точке поверхности трубы, - среднемассовая температура жидкости в данном сечении.

Представление локального числа Нуссельта в виде формулы (3) является общепринятым. Формула (3) удобна для расчета. Величины и , входящие в формулу (3), могут быть легко определимы при расчетах теплообменников. Тем не менее, представление локального числа на графиках оказывается не совсем удобным. Распределение числа терпит разрыв там, где значение меняет знак. Отрицательное значение этой величины здесь вовсе не означает, что поток отдает тепло стенке, а свидетельствует о том, что локальная температура стенки, сильно изменяясь по периметру, в некотором месте оказывается ниже среднемассовой температуры потока в данном сечении. Поэтому в дальнейшем, говоря о локальных характеристиках теплоотдачи, мы пользуемся величиной обратной числу Нуссельта (безразмерная температура стенки):

.

Оценки показали, что относительная погрешность измерения теплоотдачи составила 10% для верхней образующей и 16% для нижней. Погрешность оценки температурных пульсаций можно оценить в 10%.

Рис. 3. Исследуемая конфигурация течения и обогрева.

В Четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования температурных полей и теплоотдачи при течении ЖМ в горизонтальной трубе в поперечном МП при неоднородной по периметру сечения трубы тепловой нагрузке.

Конфигурация течения в и обогрева показана на рис. 3. Во всех случаях обеспечивалось условие постоянства теплового потока по длине трубы рабочего участка. Рассматриваются следующие случаи обогрева:

- Односторонний обогрев q2 = 0 .

- Двусторонний неоднородный обогрев q1 > q2,

Числа Рейнольдса, Гартмана и Грасгофа в эксперименте были следующие: Re = (111)·104; Ha=0500; .

Теплоотдача при неоднородном обогреве слева/справа в отсутствие магнитного поля. Результаты, полученные при отсутствии магнитного поля, указывают на сильное влияние вторичных течений свободной конвекции. В горизонтальной трубе свободно-конвективное движение имеет вид двух симметричных вихрей с осями, параллельными оси трубы, в случае однородного обогрева, двух несимметричных вихрей, в случае неоднородного обогрева и одного вихря, в случае одностороннего обогрева. Это явление приводит к нарушению осевой симметрии полей температуры, к неравномерности распределения температуры стенки по периметру поперечного сечения трубы (рис. 4).

Рис. 4. Поля осредненной температуры в различных сечениях потока:

q1/q2 = 35/0 кВт/м2, Re = 10000, На=0.

Анализ температурных полей показывает, что ТГК оказывает существенное влияние на характер теплообмена. При этом данные о средней теплоотдаче не очень показательны. При сравнительно небольших числах Рейнольдса (Re=10000 - рис. 5) средние по периметру сечения трубы числа Nu оказываются несколько выше кривой Nuт, построенной по формуле (2). Это указывает на некоторую интенсификацию средней теплоотдачи под влиянием ТГК, однако эффект выглядит несущественным. С ростом числа Re влияние ТГК на среднюю теплоотдачу уменьшается и уже при Re=75000 (рис. 6) опытные точки практически совпадают с расчетом по формуле (2). Однако при таком «обычном» поведении средних по периметру чисел Nu локальные числа Nu благодаря влиянию ТГК очень сильно отличаются от средних, с образованием зон «ухудшенной» и «улучшенной» теплоотдачи.

Действительно (рис. 7), локальные значения безразмерной температуры стенки на верхней и нижней образующих трубы для Re=10000 сильно отличаются от среднего - экспериментальные данные соответствующие верхней образующей близки к ламинарной теплоотдаче (рис. 7).

Причем мы можем наблюдать некоторую немонотонность в их распределении по длине, что, по-видимому, связано с особенностями формирования вторичного течения ТГК. С ростом Re распределение локальной безразмерной температуры стенки по длине трубы меняется, отклонения значений на образующих от среднего уменьшаются, но все же остаются существенными (рис. 8). Этот факт говорит о том, что даже при сравнительно большом числе Re=5•104 свободно-конвективные течения все еще существуют, хотя уже и не отражаются на средней теплоотдаче.



Рис. 5. Изменение среднего числа Нуссельта по длине рабочего участка

q1/q2 = 35/0 кВт/м2,

Re =10000.

Рис. 6. Изменение среднего числа Нуссельта по длине рабочего участка

Отметим, что на рис. 8 можно увидеть ряд сечений трубы (x/d=3ч25), в которых температура и на нижней, и на верхней образующих оказывается ниже средней по периметру. Такое поведение экспериментальных точек связано с неоднородностью обогрева по периметру сечения трубы.

Анализ всего объема опытных данных о температурных полях и теплоотдаче без МП показывает, что как в отсутствие, так и при наличии свободно-конвективного движения происходит процесс тепловой стабилизации. При этом длина участка тепловой стабилизации Lнт осредненных по периметру коэффициентов теплоотдачи возрастает с ростом Re, что характерно для жидкометаллических теплоносителей.

Рис. 7. Изменение безразмерной температуры стенки на верхней (1) и на нижней (2) образующих по длине трубы, а также средней по периметру (3):

Рис. 8. Изменение безразмерной температуры стенки на верхней (1) и на нижней (2) образующих по длине трубы, а также средней по периметру (3):

Теплоотдача при неоднородном обогреве слева/справа в поперечном магнитном поле. Известно, что влияние поперечного МП на изотермическое течение ЖМ проявляется в виде двух эффектов: эффекта Гартмана (уплощение профиля скорости в плоскости, параллельной вектору индукции МП) и подавления турбулентности.

В работах непосредственных предшественников Листратова Я.И. и Ивановой О.Н. отмечается, что, в целом, поперечное МП препятствует развитию ТГК. Тем не менее, при определенных соотношениях режимных параметров, возможны и исключения из этого правила. В связи с этим мы последовательно рассмотрим режимы течения, соответствующие различным соотношениям Re, Gr и Ha.

Начнём рассмотрение экспериментальных данных со сравнительно небольших чисел Рейнольдса (Re = 10000) и случая одностороннего обогрева q1/q2 = 35/0 кВт/м2 (рис. 9). Так как поперечное МП подавляет турбулентность, то значения среднего числа Нуссельта с ростом числа Гартмана должны монотонно снижаться и выходить на горизонтальную асимптоту Nuл,На, что и наблюдается на рис. 9.

Рис. 9. Изменение среднего числа Нуссельта по длине в поперечном МП:



Рис. 10. Изменение безразмерной температуры стенки на верхней (1) и на нижней (2) образующих по длине трубы, а также средней по периметру (3):

q1/q2 = 35/0 кВт/м2,

Re = 10000,

На=100.

Рис. 11. Изменение безразмерной температуры стенки на верхней (1) и на нижней (2) образующих по длине трубы, а также средней по периметру (3):

q1/q2 = 35/0 кВт/м2,

Re = 10000,

На=320

Тепловая стабилизация завершается примерно на тех же расстояниях от начала обогрева, что и в отсутствие поперечного МП.

Рис. 12. Распределение безразмерной температуры стенки по периметру в различных сечениях трубы:

q1/q2 = 35/0 кВт/м2, Re =10000: а) - x/d=20, б) - 40

1) На=0; 2) 100; 3) 320.

Рис. 13. Поля осредненной температуры в в сечении трубы x/d =40:

q1/q2 = 35/0 кВт/м2 ; Re = 10000.

Значения безразмерной локальной температуры стенки с на верхней и нижней образующих трубы показаны на рис. 10 и 11. Так как при малых числах Рейнольдса (Re10000) влияние ТГК относительно велико, оно остается существенным и в поперечном МП. При этом характерная немонотонность в распределении с на верхней и нижней образующих по длине рабочего участка, отмеченная нами на рис. 7, также наблюдается, но имеет несколько иной характер.

Подавление турбулентности магнитным полем приводит к тому, что профили температур становятся более «вытянутыми», возрастает роль сил плавучести во всем сечении потока, и формируются устойчивый вихрь ТГК. При Ha=100 данный эффект оказывается сильнее, чем эффект подавления ТГК магнитным полем, и поэтому неоднородность распределения с возрастает.

При относительно большом числе Гартмана (На=320) разность между локальными безразмерными температурами на верхней и нижней образующих уменьшается, что происходит из-за подавления ТГК магнитным полем.

Распределение с по периметру сечения трубы (рис. 12) неоднородно, причем эта неоднородность выражена гораздо сильнее, чем в случае однородного обогрева. В левой половине трубы (0<<180) температура стенки в основном больше среднемассовой температуры жидкости в сечении и с положительна. В правой половине трубы (180<<360) температура стенки меньше среднемассовой температуры жидкости в сечении и с отрицательна.

Рис. 14. Изменение среднего числа Нуссельта по длине в поперечном МП:

q1/q2 = 35/0 кВт/м2,

Re =35000:

1 - Ha = 0;

2 - 100;

3 - 320.

Рис. 15. Изменение среднего числа Нуссельта по длине в поперечном МП:

q1/q2 = 55/35 кВт/м2,

Re =35000:

1 - Ha = 0;

2 - 100;

3 - 500.

Максимумы температуры стенки, соответствующие различным режимам течения, находятся в интервале 90<<180 и различны для каждого из чисел Ha. Это следствие влияния ТГК, так как при отсутствии вторичного вихревого течения максимальная с должна наблюдаться при =90, что следует из условия неоднородности обогрева слева/справа. Важно заметить, что в отличие от случая однородного обогрева максимальное значение с значительно превышает не только 1/Nuт, но и 1/Nuл. Также следует отметить, что максимальное значение с наблюдается при x/d=40, а значит, данные именно в этом сечении являются наиболее информативными для оценки ухудшения локальной теплоотдачи.

На рис. 13 представлены поля осредненной температуры в сечении трубы x/d =40. При значительных числах Гартмана (рис. 13, в) симметрия относительно горизонтальной осевой плоскости начинает восстанавливаться, что также указывает на подавление ТГК магнитным полем.

Обратимся к экспериментальным данным при Re=35000. Характер поведения средних чисел Нуссельта (рис. 14) не совсем такой как при Re=10000. В отсутствие МП процесс термической стабилизации затягивается и занимает почти весь участок обогрева. С наложением поперечного МП средняя теплоотдача так же монотонно снижается. При больших значениях числа Гартмана (На=320) ТГК существенно подавляется МП, поэтому средние числа Нуссельта выходят на уровень ламинарного значения Nuл 7, что наблюдалось и при однородном обогреве. При этом тепловая стабилизация течения наступает при x/d=25ч30 (рис. 14).

Рис. 16. Распределение безразмерной температуры стенкипо периметру в различных сечениях трубы:

q1/q2 = 55/35 кВт/м2, Re =35000: а) - x/d=20, б) - 40

1) На=0; 2) 100; 3) 500.

При увеличении тепловой нагрузки до q1/q2 = 55/35 кВт/м2 средние числа Нуссельта в поперечном МП (рис. 15) ведут себя аналогично предыдущему случаю (рис. 14). При больших числах Гартмана (Ha=500) влияние свободной конвекции на среднюю теплоотдачу несущественно. В отсутствие же МП данные хорошо ложатся на зависимость Nuт (2).

Рис. 17. Изменение среднего числа Нуссельта по длине в поперечном МП:

q1/q2 = 55/0 кВт/м2,

Re =100000:

1 - Ha = 0;

2 - 500.

Рис. 18. Изменение безразмерной температуры стенки на верхней (1) и на нижней (2) образующих по длине трубы, а также средней по периметру (3):

q1/q2 = 55/0 кВт/м2,

Re = 100000,

На=0.

Рис. 19. Изменение безразмерной температуры стенки на верхней (1) и на нижней (2) образующих по длине трубы, а также средней по периметру (3):

q1/q2 = 55/0 кВт/м2,

Re = 100000,

На=500.

Что касается температурных полей, то при высоких числах Гартмана (Ha=500) симметрия относительно горизонтальной осевой плоскости полностью восстанавливается и можно говорить о подавлении ТГК.

На графиках распределения безразмерной температуры стенки по периметру сечения трубы (рис. 16) видно, что её максимальные значения при Ha=100 и Ha=500 практически совпадают, что существенно отличается от случая одностороннего обогрева (рис. 12).

В области больших чисел Рейнольдса - Re=105 обнаружен интересный эффект - в поперечном МП при некотором соотношении режимных параметров ТГК может усиливаться. Несмотря на то, что данные по средним числам Нуссельта (рис. 17) подобно предыдущим режимам стремятся к Nuл 7, разность между температурами на верхней и нижней образующих при увеличении Ha возрастает (рис. 18 и 19). Причина этого, по-видимому, следующая: с ростом Ha благодаря ламиниризации течения и снижению турбулентного переноса сильно возрастает перепад температур (Tc-Tж), что приводит к развитию ТГК, несмотря на «сдерживающую» роль поперечного МП.

Рис. 20. Изменение среднего числа Нуссельта по длине в поперечном МП:

Ha=320,

q1/q2 = 35/0 кВт/м2

1 - Re=10000,

2 - 35000,

3 - 50000,

4 - 75000.

На основе экспериментальных данных была построена обобщающая зависимость для средних по периметру коэффициентов теплоотдачи при условии одностороннего бокового обогрева:

.

Предложенная формула справедлива в условиях насыщения влияния магнитного поля (в нашем случае - Ha? 320) и аппроксимирует экспериментальные данные в диапазоне Re = 10000ч100000, с точностью 15%. Эффект насыщения влияния магнитного поля означает, что при достижении некоторого значения числа Ha дальнейшее увеличение индукции МП уже не влияет не теплоотдачу. А именно случай больших чисел Ha представляет наибольший интерес для проектирования элементов бланкета и дивертора ТЯР типа ТОКАМАК. Кривые, построенные по формуле (4.2), в сравнении с опытными данными, показаны на рис. 20.

Измерение температурных пульсаций. Были проведены экспериментальные исследования пульсационных характеристик теплообмена под влиянием ТГК как в отсутствие МП, так и в поперечном МП. Измерения впервые проводились по всей длине рабочего участка вдоль боковой (=90) и верхней (=180) образующих (рис. 21) термопарой с координатой R=0.6 (3я от стенки термопара зонда).

Рис. 21. Распределение интенсивности пульсаций температуры по длине участка обогрева трубы в потоке с R=0.6 углом

?=90o (1,3),

?=180 o (2,4),

в поперечном МП

На=0 (1,2),

На=320 (3,4)

q1/q2 = 35/0 кВт/м2,

Re = 10000

Рис. 22. Коэффициент автокорреляции интенсивности температурных пульсаций для сечения x/d=40 с R=0.6 углом =90o, в поперечном МП:

1) На=0, 2) 100, 3) 320; q1/q2 = 35/15 кВт/м2; Re = 35000.

Рассмотрим распределение интенсивности температурных пульсаций по длине рабочего участка при одностороннем обогреве и Re = 10000 (рис. 21). В отсутствие МП интенсивность турбулентных пульсаций вдоль образующей =90 выше, чем для =180. Максимальные значения наблюдаются при x/d10, что, очевидно, связано с перестройкой структуры течения в этой области из-за формирования свободноконвективного вихря. При наложении поперечного МП максимум турбулентных пульсаций температуры сдвигается к x/d5, где МП еще неоднородно.

В однородном поперечном МП уровень турбулентных пульсаций температуры монотонно снижается, и практически достигает нуля уже к x/d30. Таким образом поперечное МП, уже при Ha=300 хорошо подавляет пульсации температуры. Этот эффект является благоприятным, с точки зрения прочности материала. На рис. 22 показаны примеры автокорреляционных функций для x/d=40 и x/d=40. Из графиков видно, что с ростом числа Гартмана пик АКФ расширяется, что свидетельствует о сужении спектра процесса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе диссертационной работы были получены следующие научные и практические результаты:

1. Впервые проведены исследования теплоотдачи по длине обогреваемой горизонтальной трубы при течении ЖМ в поперечном МП в условиях существенного влияния ТГК. Выполнены измерения трехмерных полей осредненной температуры в случае однородного по длине, но неоднородного по периметру обогрева в широком диапазоне чисел Рейнольдса, Гартмана и Грасгофа.

2. Впервые подробными измерениями по длине обогреваемого участка исследован процесс подавления поперечным МП турбулентного переноса тепла и ТГК при неоднородном по периметру распределении тепловой нагрузки. Отмечено, что средние коэффициенты теплоотдачи снижаются. Однако даже при больших числах Гартмана и Рейнольдса влияние ТГК существенно.

3. Обнаружено, что в исследуемом диапазоне режимных параметров при неоднородном обогреве, как и в случае однородного обогрева поперечное МП не оказывает существенного влияния на процесс тепловой стабилизации и длину начального термического участка.

4. Отмечено, что подавление ТГК поперечным магнитным полем в случае неоднородного обогрева увеличивает разность между минимальным и максимальным значением температуры стенки, то есть образуются зоны ухудшенной и улучшенной теплоотдачи. Это необходимо принимать во внимание при конструировании теплообменников.

5. Впервые подробно исследованы статистические характеристики турбулентных пульсаций температуры по длине при течении ЖМ в горизонтальной трубе в поперечном МП. Измерены интенсивности пульсаций и автокорреляционные функции. Исследован характер подавления температурных пульсаций поперечным МП в рассматриваемой конфигурации МГД-теплообмена.

6. Предложена обобщающая зависимость для средних по периметру трубы коэффициентов теплоотдачи в сильном поперечном МП (Ha? 320) при одностороннем боковом обогреве.

ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Влияние вторичных вихрей термогравитационной конвекции на теплообмен жидкого металла в горизонтальной трубе в магнитном поле / Генин Л.Г., Дорофеев Д.И., Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Листратов Я.И., Разуванов Н.Г., Рыжкова С.И., Свиридов В.Г. // Тепломассообмен в закрученных потоках. Тезисы докладов второй российской конференции. - М., Издательство МЭИ, 2005. - С. 97-98.

2. Экспериментальное исследование теплообмена жидкого металла в трубе в поперечном магнитном поле / Дорофеев Д.И., Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Листратов Я.И., Разуванов Н.Г. Свиридов В.Г. // Пятнадцатая школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. Тр. конф. - Калуга, 2005. - С. 152-155.

3. Экспериментальное исследование МГД-теплообмена жидкого металла применительно к реактору Токамаку / Генин Л.Г., Дорофеев Д.И., Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Разуванов Н.Г., Свиридов В.Г. // Тезисы докладов на «12 Совещание по инженерным проблемам термоядерных реакторов». - Санкт- Петербург, НИИЭФА им. Ефремова, 2006. - С. 81-82.

4. Экспериментальное исследование теплоотдачи жидкого металла по длине горизонтальной трубы в магнитном поле в условиях одностороннего обогрева / Генин Л.Г., Дорофеев Д.И., Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Разуванов Н.Г. Свиридов В.Г. // Четвертая Российская национальная конференция по теплообмену. Тр. конф. - М., 2006. - Т.2. - С. 93-96.

5. Экспериментальное исследование развития теплообмена по длине трубы при течении жидкометаллического теплоносителя в поперечном магнитном поле / Генин Л.Г., Дорофеев Д.И., Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Листратов Я.И., Разуванов Н.Г., Свиридов В.Г. // Теплоэнергетика - М., 2007. - № 3. - С. 52-59.

Размещено на Allbest.ru

...