Численное моделирование магнитогидродинамических течений в каналах с резким изменением формы Мясников, Михаил Вадимович

Введение к работе

Актуальность работы. МГД - течения в каналах являются достаточно новой областью научно-технических приложений последних десятилетий. Интерес к ним стимулируется, в частности, интенсивными разработками и исследованиями в области МГД-генераторов и других МГД-устройств, применяемых в энергетике, цветной металлургии и атомной технике, в частности, в установках с реакторами на быстрых нейтронах и установках по исследованию управляемого термоядерного синтеза. Значительные финансовые и технические сложности проведения натурных экспериментов в МГД-каналах, с одной стороны, и стремительно расширяющиеся возможности вычислительной техники, с другой стороны, способствуют переносу исследований МГД—течений на компьютерную базу. Причем, удобство пользования современными компьютерами и относительная дешевизна исследований с их помощью позволяют разнообразить и усложнять условия численного эксперимента, что, в целом, предоставляет возможность расчетно и экспериментально подготовить базу для новых технических решений в области МГД-устройств, а также значительно облегчить шгженерный выбор из целого ряда имеющихся решений при конкретных разработках оборудования.

Однако применение численных исследований МГД-течений сталкивается с рядом проблем: во-первых, на данный момент большое разнообразие вычислительных методов характерно только для классической гидродинамики, во-вторых, эти методы, как правило, применяются для узкого круга задач при конкретных параметрах, а возможность и эффективность их применения для других условий в большинстве работ не обсуждается и остается малоисследованной. Попытки применения этих методов к неисследованному диапазону параметров часто приводят к непреодолимым трудностям. В-третьих, если рассмотреть имеющиеся методы вычислительной магнитной гидродинамики, то можно отметить, наряду с вышеуказанными проблемами, еще и отсутствие достаточного разнообразия методов при значительном усложнении задач. В— четвертых, в отличие от обычной гидродинамики, магнитная гидродинамика не накопила еще такой обширный экспериментальный физический н численный материал, который был бы систематизирован для широкого диапазона изменения параметров и геометрий течений и который мог бы успешно применяться в инженерных приложениях

Кроме того, для значительной части инженеров-практиков и конструкторов реальных МГД-устройств применение вычислительных мето-

дов для расчетов МГД-течений на ЭВМ продолжает оставаться значительной проблемой. Причины этого заключаются в отсутствии четких и отработанных алгоритмов и программ, а также в отсутствии в научно-технической литературе подробного описания математических и численных преобразований, которые, как правило, опускаются как в периодических изданиях, так и в немногочисленных монографиях по МГД-течениям. В этой связи предоставляется весьма методологически полезным продемонстрировать последовательно и подробно этапы решения задачи, а также наглядные окончательные результаты, их соответствие экспериментальным и тестовым численным данным. В то же время следует ограничить область применения вычислительных методов по диапазонам изменения основных параметров и геометрии каналов.

Если отвлечься от имеющих место методологических проблем вычислительной магнитной гидродинамики и рассмотреть технические вопросы, возникающие при создании МГД-каналов для соответствующих установок и технологий, то необходимо отметить, что на передний план выдвигается ряд малоисследованных проблем, связанных с протеканием электропроводящих жидкостей по каналам со сложной геометрией, со стенками различной проводимости, в условиях сильных и произвольно направленных магнитных полей, зачастую при весьма значительных температурах и скоростях течений. Подобные МГД-течения ставят перед современной наукой и техникой ряд серьезных технологических проблем, связанных как со значительными потерями, снижающими КПД МГД-устройств и энергетических установок, так и со снижением их надежности из-за эрозии и износа стенок каналов рабочей средой. В связи с этим, весьма актуальными являются задачи рассмотрения различных конструктивных решений, снижающих нагрузки на стенки и оптимизирующих протекание рабочего тела по МГД-каналу или другому участку контура энергетической установки, и проверить эффективность этих решений в численном эксперименте.

Цели и задачи исследования. С целью создания новых установок и технологий на основе МГД-взаимодействия в работе поставлена задача осуществить численное моделирование МГД-течений в каналах с резким изменением формы. То есть подразумевается, что поток должен проходить через МГД-каналы с уступами, внезапными расширениями, поворотами и т.п., при этом стенки канала могут иметь разную проводимость.а магнитное поле должно измененять свою величину по длине канала Угол наклона магнитного поля должен быть произвольным. Кроме того,

численное исследование должно простираться на значительные диапазоны параметров МГД—течения и сопоставляться с имеющимися аналитическими, экспериментальными и численными данными. Для достижения цели предполагалось решить следующие этапные задачи:

1. Проанализировать состояние исследований в области МГД—течений в каналах сложных форм, и прежде всего в области численных методов классической и магнитной гидродинамики с тем, чтобы подобрать подходящие методы, на базе которых возможно провести вышеуказанные численные исследования.

2. Осуществить численное исследование одним из существующих методов, с тем, чтобы усовершенствовать этот метод и расширить его возможности в применении к МГД-каналам с резким изменением формы и с более высокоскоростной структурой МГД-потока.

3. На основе современного вычислительного метода обычной гидродинамики разработать новый, эффективный численный метод для применения в магнитной гидродинамике в каналах со сложной геометрией в широком диапазоне изменения МГД—параметров.

4. Опробовать и протестировать метод на двухмерных моделях применительно к жидкометаллическому потоку в канале с внезапным расширением на входе. Сопоставить полученные численные результаты с аналитическими и экспериментальными численными данными.

5. Используя разработанную методику, провести трехмерные численные расчеты МГД-течений в каналах с резким изменением формы с целью более глубокого изучения структуры неоднородного МГД-потока и сравнения результатов с двумерными моделями.

6. Обобщить и систематизировать экспериментальный численный материал для МГД-каналов различных форм в широком диапазоне изменения параметров течения. Одновременно проверить возможность использования в практике новых идей и способов защиты стенок высокоскоростных жидкометаллических МГД—генераторов, основанных на свойствах неоднородной структуры сложных МГД-потоков.

7. Рассмотреть возможность использования численных результатов для других практических приложений, в частности, для снижения эрозионного износа стенок трубопроводов в системах циркуляции жидких металлов в ядерных установках с реакторами на быстрых нейтронах.

На защиту выносятся:

1. Новые и усовершенствованные вычислительные методы для расчета МГД-течений в каналах сложных форм.

2. Результаты численных исследований МГД-течений в каналах с рез
ким изменением формы, включающие:

- моделирование двумерных и трехмерных неоднородных МГД-потоков
в широком диапазоне изменения МГД-параметров, геометрии канала и
степени проводимости стенок;

- полученные в результате моделирования численные результаты:
структуры полей скоростей, токов, потенциала и т.п;

- анализ и обобщающие данные по развитию неоднородных течений в
зависимости от геометрии и параметров;

- определение границ применяемости численных методов в зависимо
сти как от параметров течений, так и от возможностей применяемой
вычислительной техники;

- расчеты течений применительно к высокоскоростному каналу
жидкометаллического МГД-генератора. Расчеты его технических
характеристик,

3. Рекомендации и способы оптимизации течений в МГД-каналах
и элементах жидкометаллических контуров АЭС, устройство стенок
и способы их защиты от износа и эрозии для повышения надежности.

Научная новизна работы. Создан новый, вычислительный метод, позволяющий проводить численные расчеты течений в МГД-каналах сложных форм в широком диапазоне изменения параметров и вобравший в себя современные приемы и способы вычислений.

Впервые выполнены новые численные исследования МГД-течений в каналах с резким изменением формы в широком диапазоне изменения гидродинамических и МГД-параметров ( Re от 10 до 10*, На от 0 до 50, угол наклона вектора магнитной индукции от 0 до 90' и т.д.) с применением как двумерных, так и трехмерных моделей. Впервые получены и приводятся поля скоростей, электрических токов и потенциала для разнообразных МГД-течений, их анализ и обобщающие зависимости.

На основе проведенных исследований предложено и запатентовано техническое решение по конструкции и способу охлаждения стенок и электродов МГД-канала. Предложен и численно смоделирован -способ защиты стенок жидкометаллических трактов от эрозионного износа с помощью местного МГД-взаимодействия.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Для практических разработкок жидкометаллических систем циркуляции теплоносителя на АЭС и опытно-промышленном внедрении МГД-устройств могут быть применены:

вычислительный метод и программы с его применением, позволяющие вносить соответствующие изменения в граничные условия, геометрию каналов, пропорции вычислительных сеток, и предназначенные для получения численных результатов расчетов несднородных МГД-потоков в широком диапазоне изменения МГД—параметров;

результаты проведенных исследований, обширный численный экспериментальный материал, его анализ и обобщающие зависимости;

рекомендации по оптимизации профилей МГД-каналов, по устройству стенок и электродов;

результаты численного расчета жидкометаллического МГД-канала, которые могут быть непосредственно использованы при разработке МГД-генератора или МГД-движетеля;

способ охлаждения канала МГД-генератора и устройство для его осуществления, проверенные численными исследованиями;

способ защиты стенок от эрозионного износа с помощью воздействия местного магнитного поля, применимый в системах жидкометаллического теплоносителя на АЭС.

Апробация работы. Основные результаты представленной работы были доложены на Российской научно—технической конференции "Повышение надежности и маневренности тепловых и атомных электростанций" в 1994 г.; на кафедрах ядерных энергетических сооружений, атомных и тепловых энергетических установок и гидроаэродинамики Санкт-Петербургского государственного технического университета в 1995 и 1997 г.; в "Центре технической диагностики и надежности АЭС и ТЭС" при СПб ГТУ в 1995 г. и 1996 г.; в ИВТАН в 1997г.

Публикации. Материалы работы отражены в пяти статьях, на основе предложенных технических решений получен патент на изобретение.

Структура и объем работы. Представленная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений, содержит 209 страниц, 80 рисунков, список литературы из 94 наименований и 28 страниц приложений. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ