Введение к работе
Актуальность темы диссертации-. Использование двухфазных парс- и газожвдкостных потоков в элементах энергетических кашда и аппаратов, а также их транспортирование в трубопроводах различного диаметра очень широко распространено в различных отраслях . техники (энергетическое я химическое машиностроение, нефтедобывающая, газовая и нефтегазоперерабатывашая отрасли, холодильная техника, тепловые и атомные электростанции). Движение двухфазных сред сопровождается достаточна мошныки пульсациями всех основных параметров потока. Эти пульсации отличны от турбулентных как по интенсивности, так к по природе их возникновения. Характер пульсацій связан со структурой и режимами течения двухфазных сред. Особенности пространственно-временной структуры двухфазных потоков оказывают существенное влияние на уровень и стабильность тепло-мессообмевдых процессов, гидродинамическую устойчивость и на возбуждение вибраций элементов оборудования омываемых этими потоками.
В связи с этют при проектировании и эксплуатации теплотехнического оборудования, использующего двухфазные теплоносители, необходимы надеаные методы тедлогадравлического и вибрационного расчетов, учитываюдие не только осредненные, но также и пульса-дионные характеристики потока. Если в отношении осреднению: характеристик требуется лишь совершенствование имеющихся расчетных методов, то для расчета пульсационннх характеристик такие методы потребовалось создать вновь, поскольку отсутствовала научная база для их разработки, а имекяиеся экспериментальные данные были немногочисленны и фрагментарны. Тема диссертационной, работы была нацелена на решение указанных вопросов как в научно-теоретическом, так и экспериментально-практическом плане.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическими пленами НИР в НПО ЦСГИ им.'Л.И.Ползунова, а такие в рамках Координационного плана АН СССР по комплексной проблеме 1.9.1 "Теплофизика и теплоэнергетика"; разделы:1.9.1.3 Тепло-маооообмен при двухфазных течениях, кипении и конденсации"; 1.9.1.9 "Процессы генерации пара. Гидродинамика, теплообмен и физико-химические -процессы в пароводяном тракте"; 1,9.1.11 "Процессы теплоотдачи и массообмена, гидравлика и газодинамика на атомных электростанциях"; I.9.1.12.2.4 п.4 "Исследование причин возникновения и механизмов возбуждения вибраций элементов теплообмешого оборудования, обтекаемого одно- и двухфазными теплоносителями"...;
и комплексной проблеме I.I0.4 "Общая механика", подраздел I.10.4.3 п.б "Развитие классических методов расчета и экспериментальное исследование вибраций в технических системах".
Даль работы заключалась в разработке адекватной физико-математической модели двухфазного потока, учитывающей внутре...гае нестационарные гзздродшаикческиэ процессы и способной описать структуру потока и ее эволюцию при изменении основных режимных параметров течения. После экспериментального подтверядения и корректировки зтсй моделі необходимо было разработать метода инженерного расчета гіиіродияаг.гцческих характеристик пульсационного и осредненного до вреиенг стабидиззірованного' течения двухфазной смеси в каналах и местных сопротивлениях. Полученные результаты предполагалось использовать при разработке методов расчета параметров вибрации элементов теплотехнического оборудования, обтекаемых двухфазными потоками, а также при обосновании эффективности специальных устройств, предназначенных для снижения вибраций и эрозии трубопроводов, транспортирующих вскипающие пароводяные потоки на теьловых и атомных электростанциях.
На защиту выносятся следующие основные пола::енкя к результаты дисоертатзионноц -работы:
нестационарная гидродинамЕческая модель стабилизированного адіабатного двухфазного потока, использующая еннергетпческий принцип мшимука диссипатазных потерь в самоорганизирущихся открытых термодинамических системах;
ярюпда выделения режимов течения деухсразных сред в каналах на основе количественной оценки интенсивности пульсаций расходов фаз в потоке;
рекомендации ал расчета границ существования трех основных реяпмов течения и количественных характеристик интенсивности пульсаций гидродинамических параметров двухфазного поток?, при больших (но дозвуковых) скоростях оыеси в каналах;
-зтттстн для расчета коэффициента гидравлической негомо- генкссти и иотзчшого объемного газ о- или паросодержания в каналах л местных сопротивлениях при больших числах Фруда;
рекомендации для расчета интенсивности вибраций труб и стержней, продольно обтекаемых двухфазным потоком;
обоснование эффективности установки линейных вставок в трубопроводы, транспортирующие двухфазные потоки, с целью снижения их вибрации и эрозии.
Научная новизна диссертационной рабсгн заключается з разработке нового научного направления в области гидромеханики дзух-фазнкх сред к ыекет быть сформулирована в виде следующих основных положеній:
постановка и разработай иоеоЙ. физіпсо-матємо тиче ской модели двухфазного потока для описания внутренних нестационарных гпдро-динамических процессов, модель из щ.:еег прямых аналоя в технической литературе;
получение аналитических зависимостей для расчета основных осреднепных и пульсециоккых 'характеристик дцухфазнлго потока на основе разре'отанной модє.с: с привлечением вариационного црпінппа минимума диссипации энергии в потоке;
экспериментальное обоснование и корректировка основных выводо" теоретической модели двухфазного потока с полученном ковше эмпирических зависимостей, в частности, для определения пространственно-временных характеристик снарядного режима течения
и скорости распространения структурных волн в каналах;
теоретическая разработка к экспзргЕленгальнс» обоснование механизма, возбувденш вибраций труб в двухфазном потоке с получением конкретних расчетных зависимостей для амплитуд вибраций, потребовавшее стыковки иідродшамкческой модели двухфазного до-тока" о основными положениями теории колебании упругих механических систем о распределенными параметрами;
определение основных безразмерных параметров двухфазного потока, которые обеспечивают- адекватное моделкрова-'.пе процесса возбуждения вибраций сланных механических конструкций, обтекаемых двухфазными средами.
Достоверность подученных результатов обэопечзьалась использованием в теоретических расчетах апробированных соотношений гидродинамики двухфазных сред, теории колебаний стержневых систем, известных положений теории стохастических процессов к неравновесной термод намшш открытых диссипагивдых сколем.
Основные теоретические результаты ведавервденн оштннми данными других авторов, а также годучзннши под руководством к при непосредственном участки автооа работы на воздухо-водшых и парс-водяных стендах ЦКШ с применением современных средств измерения, вклячая малоинерциенкне дотчжа перепадов давления, низкочастотные тензометрнческие и индукционные датчики колебаний истинного объемного газо- или паросодержания потока, современные методи статистической обработки осциллирующих процессов на ЭЗ.'С.
Практическая значимость. Большинство результатов работы доведено до инженерных рекомендацій по гидравлическому и вибрационному расчету тедлообменного оборудования и трубопроводных систем, использувдих двухфазные среда в качестве теплоносителя. Эти рекомендации вошли в нормативные технические материалы, подготовленные автором работы в качестве руководителя тем и исполнителя отдельных подразделов этих материалов (см.п.п.16, 45, 49, 53 списка опубликованных работ). Теоретические положения нестационарной модели двухфазного потока использованы в монографии академика С.С.Кутателадзе "Анализ подобия в теплофизике" (Новосибирск, Наука, 1982, глава 7.?). Рекомендации по Выделению режимов течения вошли в монографию Л.Л.Левитана и Л.Я.Боревского "Голография пароводяных потоков" (М.: Энергоатошздаг, 1989, гл.3.4, 3.6, 4.9). Рекомендации по расчету гидравлических потерь в местных сопротивлениях и интенсивности пульсаций параметров двухфазного потока в каналах использованы в'справочных пособиях П.Л.Кириллова, Ю.С.їОрьева и В.П.Еобкова "Справочник по теплогидравлическш расчетам ^ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы)" (Я.; Знергоатомиздаг, 1890, глава 2) и А. 3. Маркина, В.В.Усыныча "Трубопроводные системы. Расчет и автоматизированное проектирование" №.: Химия, 1991, гл.2.2.4).
Результаты НИР, выполненных в ЦКТІЇ ло теме диссертации, внедрены в технические проекты вертикальных парогенератороз ПГВ-250 и ПГЗД-500. Разработанная методика проведения вибрационных испытаний с заменой энергоемкой и дорогостоящей пароводяной среды моделирующим ее воздухо-водяным потоком позволила выполнить эти испытания о элементами натурных размеров с значительным экономическим эффектом и сокращением сроков испытаний.
Разработанные рекомендации по расчету вибраций труб, обтекаемых двухфазным потоком, не имеют прямых аналогов в отечественной и зарубежной нормативно-технической литературе. Они являются отправным моментом в определении вибрационной прочности к-ресурса шрогенерирувдих поверхностей нагрева и трубопроводов, транспорт трущих двухфазные среды. Использование представлений к рекомендаций, полученных в ходе исследования нестационарных свойств двухфазной среды, при проектировании и расчете линейных дросселирующих вставок позволило практически устранить опасные вибрации трубопроводов со вскипающими пароводяными потоками и, тем самым, повысить надежность и безопасность их эксплуатации на Хмельницкой, Ровенсксй и Смоленской АЭС, а также на Киришской 1ТЭС-19.
Лігчньй вклад автооа. Все основино результата получены лично автором диссертации, включая постановку к разработку зсох теоретических положений, постановку экспериментов, проектирование стеїгдоп, разработку методик исследования, руководство работами ирг. проведении оштоз, выполнении НИР и разработке FTM к РД по теме диссертации, а такде обоснованно эффективности лшейннх дросселирующих вставок на трубопроводах я организацию ра,бот по ех внедрению на теплоэых :л атомных эдектростанцлях.
Апробация работы. Материала диссертации, получен' е в течении последних 20 дет, неоднократно докладывались и обсуядіишсь іга различных конференциях, научных семинарах я совещаниях, в тоді числе: У и УІ Всесоюзных конференциях по теплообмену и гяцравдическолзу сопротивлению з элементах энергетических машин п аппаратов (Ленинград, 1974, 1878 г.г.); XX л XXI Сибирских гешіофкзкческпх семинарах (Новосибирск, ИТФ СО АН СССР, 1976, 1978 г.); научном сєілкаре по динамике ЯЭУ (Димитровград, 1979 г.)*, общегородских и междугородных семинарах Ленинградского отделения научного совета АН ССС? ко комплексной проблеме "Теплофизика" (Ленинград, I974-IS8? г.г.)-, научной семинаре "Динамика тепловых процессов" (Киев, Украинское республиканское ж Киевское городсксе цразленяе НТОЭ и ЭП, Ш$ АН УССР, 1980 г.); XIII Конференции молодше исследователей ИГФ СО АН СССР' (Новосибирск, 1980 г.); Всесоюзном семинаре "Экспериментальные исследования парс-содержания в двухфазных потоках" (Обнинск, ФЗИ, 198I г.); конференции "Тешгофизика-82" (Москва, Косрдинаци.лиМ совет по теплофизике ГКАЭ, 1982 г,); УІІ Всесоюзной конференции по тепло- я массообмену (Шнек, 1984 г.); научных семинарах "Динамика гидргупругих систем" (Москва, ЙМаш, 1983-1985 г.г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Долговечность энергетического оборудования я динамика гидрв-упругих систем" (Миасо, 1986 г.); У Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов "Современные дроблеш теплофизики'' (Новосибирск, ИГ ? СО АН СССР, лекция на тему "Нестационарная гидродинамическая модел;. двухфазного потока", 1988 г.); УІІ я УІІІ Бсесошннх конференциях "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах" (Ленинград, 1985, 1990 г.г.,.
Публикации. По теме диссертации в различных журналах и сборник v, опубликовано 43 статьи, получено 5 авторских свидетельств. Под редакцией автора издан сборник "Двтхфазнне потоки, Теплообмен и нестационарные процессы в элементах анергооборудованкя" (Л,: Наука, 1988 г. - 263 с), подготовлено и выпущено 4 нормативно-технических материала сила РТМ.
Монография "Вибрация элементов оборудования ЯЭУ" (М.: Энерго-ітомиздат, 1989 г. - 169 с), соавтором которой является диссертант
и в которой изложены все основные аспекты диссертационной работы, в 1991 г. решением президиума центрального правления ВНТОЭ имени академика Г.М.Кржижановского награждена "Дипломом конкурса на премию им.академика С.С.Гттагеладзе sa 1990 г. в области .теплофизики и гад-р аэродинамики оборудования".