Введение к работе
Актуальность. Во многих отраслях современной промышленности (энергетике, химии, нефтехимии и т.д.) приходится сталкиваться с двухфазными средами. Наиболее распространенными объектами, в которых рабочей средой служат двухфазные среды, являются установки, используемые в энергетической и нефтеперерабатывающих отраслях промышленности (атомные и тепловые станции, газо- и нефтепроводы, эрлифты, химические реакторы и т.д.).
Наметившееся в последнее время повышение требований к безопасности ряда объектов, а также уменьшение металлоемкости установок и необходимость интенсификации производств, связанных с использованием двухфазных сред, ставят задачу исследования процессов, происходящих в двухфазных средах, в ряд наиболее актуальных задач механики.
Одним из распространенных предметов исследования механиков являются процессы, происходящие при течении двухфазных смесей- в трубах. Эти процессы имеют место во многих из отмеченных выше отраслей промышленности (оборудование ТЭЦ, АЭС, нефтепереработка и ДР-).
Следует отметить, что во многих отраслях техники, в частности, в энергетике трубопровода подвергаются значительным вибрационным нагрузкам, которые могут возникать как из-за внешних воздействий, так и по причине пульсаций расхода рабочей среды. Подавляющее большинство работ, посвященных экспериментальному исследованию локальных характеристик при течении двухфазных смесей (пароводяных, газожидкостных) проводились в отсутствии внешних вибрационных воздействий и при отсутствии пульсаций расхода, смесей, которые, как указывалось выше, часто имеют место в реальных условиях. Вместе с тем, такого рода вибрации и пульсации
_ 4 _
расхода могут оказывать существенное влияние на гидродинамические параметры потока, и на процессы теилоотвода с греющей стенки (в атомном реакторе, парогенераторе и т.д.) что в конечном счете является одной из причин аварийных ситуаций, что особенно опасно на АЭС. Поэтому исследование физических процессов, протекающих в трубопроводных системах при наличии внешних поперечных вибраций, а также изучение влияния пульсаций расхода на эти процессы, в настоящее время является актуальной задачей.
Одной из важных задач теплофизики является изучение процессов кипения и закономерностей тепло- и массообменных процессов. Необходимость интенсификации многих тепло- и массообменных процессов привела к разработке ряда способов повышения их эффективности, одним из которых является вибрационное воздействие на многофазную среду.
Целью работы является: проведение исследований по
гидродинамике газожидкостных потоков дисперсно-кольцевой структуры в трубе при внешнем динамическом (поперечные вибрации) и внутреннем (пульсации расхода) воздействиях, а также исследование динамических процессов в двухфазных средах в замкнутых объемах, в частности: I) разработка методов диагностики гидродинамических характеристик газожидкостных потоков в отсутствии и при наличии поперечных вибраций и при пульсациях расхода рабочей среды; 2) проведение экспериментальных и численных исследований, позволяющих определить степень влияния вибраций и пульсаций на гидродинамические параметры потока; 3) исследование процессов, связанных с моделированием пузырькового кипения в условиях свободной конвекции барботажем хидкости газом; 4) исследование температурного фактора и физических свойств жидкости на
виброперемешивание.
Научная новизна
Разработаны новые методы диагностики гидродинамических характеристик газожидкостных дисперсно-кольцевых потоков, с помощью которых впервые получен большой объем экспериментальных данных в круглой трубе при внешнем поперечном воздействии и при наличии пульсаций расхода. Предложен комплекс соотношений для силового взаимодействия между ядром и пленкой, а также зависимости для определения расхода жидкости в пленке при внешних поперечных вибрациях и при пульсациях расхода. Предложены новые методики и проведены численные исследования гидравлического сопротивления и расхода жидкости в пленке газожидкостных потоков в трубе в стационарных условиях, а также в нестационарных условиях в случае внешних вибраций или пульсаций расхода. Получены новые критериальные соотношения для условия возникновения кризиса, связанного с разрушением пузырьковой структуры пристенного слоя. Даются рекомендации по дальнейшему исследованию. Выработаны рекомендации по виброперемешиванию нагретых жидкостей с различными физическими свойствами.
Автор защищает
I) Разработку и реализацию следующих методов диагностики
гидродинамических характеристик газожидкостного
дисперсно-кольцевого потока при внешних вибрациях и пульсациях расхода: резистивно-емкостной метод и датчик для измерения толщины
- с -
и структуры волновой поверхности пленки; метод измерения расхода жидкости в пленке путем отсоса ее через вставку - имитатор.
2) Впервые полученный большой объем экспериментальных данных
при внешних поперечных вибрациях и при наличии пульсаций расхода:
по расходу жидкости в пленке, толщине и структуре волновой
поверхности ее, гидравлическому сопротивлению.
3) Методики и результаты численного исследования по
определению гидродинамических характеристик дисперсно-кольцевого
потока при внешних поперечных вибрациях и при наличии
пульсаций расхода.
-
Полученные новые критериальные соотношения для условия возникновения кризиса, связанного с разрушением пузырьковой структуры пристенного слоя.
-
Разработанные рекомендации по виброперемешиванию нагретых жидкостей.
Практическая ценность
Полученные данные о влиянии внешних поперечных вибраций и пульсаций расхода на гидродинамические параметры при течении газожидкостных потоков в трубе позволяют моделировать эти процессы в трубопроводных системах, в частности для учета влияния вибраций и пульсаций расхода теплоносителя на теплофизическую надежность и критическую мощность тепловыделяющих сборок реактора типа РБМК.
Экспериментально обоснована эффективность применения волновой технологии для интенсификации ряда типовых технологических процессов в замкнутых объемах и в трубопроводных системах.
Полученные на основе анализа большого числа экспериментальных
данных, критериальные соотношения для расчетов критических режимо: и коэффициента теплоотдачи, физически обоснованы и являются очен: удобными для практического использования.
Разработанные рекомендации по моделированию пузырьковоп кипения барботажем указывают практические пути дальнейшей целенаправленного исследования.
Достоверность и обоснованность выводов обеспечиваете! комплексным характером исследований, привлечением дублирующю методик и современных измерительных средств, метрологически! контролем. Результаты экспериментов, теоретических оценок і численного моделирования согласуются между собой, подтверждаются данными других авторов, промышленными испытаниями прикладные разработок.
Апробация. Основные положения диссертационной работы, отдельные ее результаты докладывались, обсуждались и были одобрены на Всесоюзной конференции по тепломассообмену (г.Минск) в 1984 г., на vii Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах" (г. Ленинград) в 1985 г., на vi Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (г. Ташкент) в 1986 г., на і - м Минском международном форуме по теплообмену (г. Минск) в 1988 г., на vi Национальном конгрессе по теоретической и прикладной механике (г. Варна, Республика Болгария) в 1989 г., на 11 - м Минском международном форуме по теплообмену (г. Минск) в 1992 г., на научных семинарах Отдела вибротехники Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН и других научных конференциях и научных сессиях.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 17 печатных работ и выпущен ряд научно-исследовательских отчетов.
Объем работы, диссертация состоит из Введения, четырех Глав, Основных результатов работы и Списка литературы, изложенных на 196 страницах машинописного текста, из них &Q страницы рисунков. Список литературы включает 99 наименований.
