Численное и экспериментальное моделирование конвективного теплообмена при течении жидкого металла в кольцевой трубе
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2025.18.1.4Ключевые слова:
тороидальная система координат, дифференциальные уравнения сохранения, гидродинамика, теплообмен, жидкие металлы, коэффициент теплоотдачи, течение в изогнутой трубеАннотация
Выполнено численное моделирование характеристик процессов гидродинамики и теплообмена в изогнутой в виде кольца трубе, расположенной в горизонтальной плоскости. Однородно обогреваемый участок характеризуется отношением радиуса кольца к внутреннему диаметру трубы, равным 25. Дифференциальные уравнения сохранения движущейся в трубе сплошной среды записываются в криволинейной системе координат. За основу берутся уравнения в цилиндрических координатах, включающие добавочные слагаемые, появляющиеся при переходе к системе координат для кольцевой области. При этом геометрия задачи не изменяется, это по-прежнему прямая труба в цилиндрических координатах. При вычислениях используется структурированная расчетная сетка и учитывается влияние термогравитационной конвекции. Проведены экспериментальные исследования теплообмена при течении жидкого металла в обогреваемой трубе с внутренним диаметром 19 мм и радиусом изгиба 0.5 м. Испытания выполнены на ртутном стенде ОИВТ РАН в диапазоне чисел Рейнольдса 11000÷80000 и разных тепловых нагрузках. Применен зонд с корреляционным датчиком, состоящим из двух микротермопар. Специальный механизм позволяет непрерывно перемещать двухкоординатный измерительный зонд в сечении трубы, удаленном от входа в зону обогрева на расстояние 76 калибров. В этом сечении, находящемся в стабилизированной области неизотермического турбулентного течения, подробно измерены поля осредненной скорости и температуры. Установленные параметры, представленные в безразмерном виде, сопоставлены с аналогичными результатами численного моделирования. Обнаружено значительное влияние инерционных и гравитационных сил на распределения скорости и температуры в сечении потока, приводящее к существенной неоднородности нагрева стенки по периметру рассматриваемого сечения трубы. Результат сравнения опытных и расчетных данных получился удовлетворительным.
Скачивания
Библиографические ссылки
Митрофанова О.В. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в каналах ядерно-энергетических установок. М.: Физматлит, 2010. 288 с.
Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. 840 с.
Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 1. СПб.: Лань, 2004. 528 с.
Разуванов Н.Г. Решение задачи конвективного теплообмена в винтовой системе координат // Вычислительная механика сплошных сред. 2018. Т. 11, № 2. C. 175–184. DOI: 10.7242/1999-6691/2018.11.2.14
Разуванов Н.Г., Белавина Е.А., Полянская О.Н., Беляев И.А. Решение задачи конвективного теплообмена в кольцевой трубе в криволинейной системе координат // Теплоэнергетика. 2022. № 8. C. 39–49. DOI: 10.56304/S0040363622080070
Naphon P., Wongwises S. A review of flow and heat transfer characteristics in curved tubes // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2006a. Vol. 10. P. 463–490. DOI: 10.1016/j.rser.2004.09.014
Berger S.A., Talbot L., Yao L.S. Flow in Curved Pipes // Annual Review of Fluid Mechanics. 1983a. Vol. 15. P. 461–512. DOI: 10.1146/annurev.fl.15.010183.002333
Chupin A., Stepanov R. Full perturbation solution for the flow in a rotating torus // Physical Review E. 2008a. Vol. 77, no. 5. 057301. DOI: 10.1103/PhysRevE.77.057301
Frick P., Noskov V., Denisov S., Khripchenko S., Sokoloff D., Stepanov R., Sukhanovsky A. Non-stationary screw flow in a toroidal channel: Way to a laboratory dynamo experiment // Magnetohydrodynamics. 2002a. Vol. 38, no. 1/2. P. 143–162.
Борисенко А.И., Тарапов И.Е. Векторный анализ и начала тензорного исчисления. М.: Высшая школа, 1966. 252 с.
Danielson D.A. Vectors and Tensors in Engineering and Physics. CRC Press, 2003a. 292 p. . DOI: 10.1201/9780429502774
Лучинкин Н.А., Разуванов Н.Г., Беляев И.А., Свиридов В.Г. Теплообмен в жидком металле при подъемном течении в трубе в поперечном магнитном поле // Теплофизика высоких температур. 2020. № 3. C. 426–436. DOI: 10.31857/S0040364420030126
Генин Л.Г., Листратов Я.И., Свиридов В.Г., Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Разуванов Н.Г. Экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена жидких металлов в магнитных полях // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. 2003. № 4. C. 35–44.
Абрамов А.В., Зяблицких А.Н., Колесников П.А., Лапаксин А.А., Науменко М.Ю., Никитин О.А., Силаев В.А., Таусенев В.В., Юдов А.Г. Экспериментальное обоснование безопасности реакторной установки БРЕСТ-ОД-300 при разгерметизации теплообменных труб // Труды III Международной научно-технической конференции «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики». Т. 1. Москва, 2014. C. 12.
Семченков А.А., Чеков М.Е., Васильев С.В., Кузьминов Ю.С. Парогенератор РУ БРЕСТ-ОД-300: расчетно-экспериментальное обоснование // Труды IV Международной научно-технической конференции «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики». Т. 2. Москва, 2016. C. 559–566.
Беляев И.А., Бирюков Д.А., Пятницкая Н.Ю., Разуванов Н.Г., Свиридов Е.В., Свиридов В.Г. Техника сканирующих зондовых измерений полей температуры в потоке жидкости // Теплоэнергетика. 2019. № 6. C. 5–16. DOI: 10.1134/S0040363619060018
Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений. СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2001. 108 с.
Артемов В.И., Яньков Г.Г., Карпов В.Е., Макаров М.В. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена в элементах теплотехнического и энергетического оборудования // Теплоэнергетика. 2000. № 7. C. 52–59.
Генин Л.Г., Свиридов В.Г. Гидродинамика и теплообмен МГД-течений в каналах. М.: Изд-во МЭИ, 2001. 196 с.
Генин Л.Г., Жилин В.Г., Свиридов В.Г., Ивочкин Ю.П., Разуванов Н.Г., Иванова О.Н. Исследование МГД-теплообмена при течении жидкого металла в поперечном магнитном поле применительно к термоядерному реактору // Теплоэнергетика. 2003. № 3. C. 37–41.
Genin L.G., Listratov Y.I., Razuvanov N.G., Ryzhkova S.A., Sviridov V.G. Influence of Secondary Vortices of Thermogravitational Convection on the Liquid Metal Heat Exchange in a Horizontal Tube in a Magnetic Field // Heat Transfer Research. 2006a. Vol. 37, no. 8. P. 691–706. DOI: 10.1615/HeatTransRes.v37.i8.50
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2025 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
