Введение к работе
Актуальность проблемы
Нестационарные термогидродинамические процессы в двухфазных средах не только широко распространены в природе, но и реализуются во многих индустриальных технологиях. Поэтому исследование закономерностей этих процессов имеет как фундаментальное значение, важное с точки зрения понимания механизмов природных явлений и катаклизмов, так и практическое значение в связи с возможностями повышения эффективности технологий и повышения уровня их безопасности.
История развития и достижения современной теории многофазных сред широко освещены в научной литературе. Ежегодно проводятся более 20 международных конференций и симпозиумов, на которых обсуждение вопросов, связанных с экспериментальными и теоретическими исследованиями динамики многофазных сред, занимает одно из главенствующих мест. В последние годы наиболее важными как в теоретическом, так и в прикладном аспекте стали задачи, связанные с конвективными течениями запыленного газа в различных условиях и нестационарными термогидродинамическими процессами в пароводяных средах.
Диссертация посвящена теоретическому исследованию нестационарных термогидродинамических процессов в двухфазных средах. Предмет исследования составляют: динамика облаков газовзвеси в поле силы тяжести; конвекция запыленного газа в замкнутой области; устойчивость пароводяных потоков в параллельных обогреваемых каналах; математическое моделирование пространственных течений пароводяной смеси в горизонтальном парогенераторе; динамика взаимодействия расплава металла с водой. Выбор этих проблем объясняется следующими причинами, которые определяют их актуальность для теории многофазных сред и ее практического применения.
Во-первых, развиваемое направление исследований объединяет большое количество термогидродинамических процессов в двухфазных средах. Общий анализ этих процессов вряд ли возможен. Естественный путь развития теории заключается в изучении наиболее ярких и типичных явлений, протекающих в той или иной системе. При удачном выборе этих явлений значение проводимых
исследований выходит за рамки решения одной, пусть важной, задачи. Они расширяют и дополняют существующие представления и результаты теории многофазных систем, позволяют выработать общие подходы, установить полную пространственно-временную картину протекания процесса, выявить качественно новые эффекты, предсказать возможные пути развития процесса в аналогичных или более общих ситуациях, дать оценки, полезные при проведении инженерных и практических расчетов и постановке соответствующих экспериментов.
Во-вторых, рассмотренные вопросы имеют широкие практические приложения, связанные, прежде всего, с проблемами увеличения уровня безопасности и повышения эффективности технологий. Выяснение общей картины эволюции облаков газовзвеси представляет интерес в связи с предотвращением крупномасштабных экологических катастроф. Для повышения эффективности целого ряда процессов на химических производствах требуется проведение исследований конвективных течений двухфазных сред. Вопросы устойчивости двухфазного течения в параллельных обогреваемых каналах имеют принципиальное значение для надежной работы таких технический устройств, как ядерные реакторы с кипящим теплоносителем, прямоточные парогенераторы и системы охлаждения космических аппаратов. Горизонтальный парогенератор является одним из основных устройств атомной станции, поэтому разработка надежной математической модели движения двухфазной пароводяной среды в объеме парогенератора необходима для исследования влияния различных параметров на эффективность его работы. Исследование динамики взаимодействия расплава с водой требуется при анализе протекания запроектных аварий на атомных станциях.
В связи с вышесказанным, проблема исследования нестационарных термогидродинамических процессов в двухфазных средах является актуальной.
Цель работы заключалась в теоретическом исследовании нестационарных термогидродинамических процессов в двухфазных средах для различных систем; в развитии эффективных подходов к изучению нестационарных пространственных задач механики многофазных сред; в построении математических моделей для описания термогидродинамических процессов в двухфазных средах; в разработке эффективных численных алгоритмов для анализа рассматриваемых явлений.
Научная новизна работы. Впервые выполнен сквозной расчет всех стадий подъема термика в неоднородной сжимаемой атмосфере вплоть до его зависания в стратосфере. Исследован процесс выноса аэрозоля в стратосферу крупномасштабным термиком. Вычислена масса выносимой примеси в зависимости от начальной загрузки и высоты приповерхностного аэрозольного слоя. Изучено осаждение облака частиц на горизонтальную поверхность, при этом выявлен эффект рассеяния частиц. Выполнен анализ горения облака капель диспергированного горючего. Определено его тепловое воздействие на подстилающую поверхность.
Исследована конвекция газовзвеси в замкнутой области. Выделены основные режимы конвекции. Получены характеристики тепловой конвекции при подогреве сбоку для случая гомогенной дисперсной среды. Изучены динамика и осаждение частиц при конвекции крупнодисперсной газовзвеси (двухскоростная и двухтемпературная модель). Обнаружен эффект фокусировки потока частиц сходящимся течением несущей среды и выполнен его параметрический анализ. Предложен метод описания течений дисперсных сред с тонкими структурами, основанный на лагранжевом подходе при расчете движения дисперсной фазы.
Исследовано течение пароводяного потока в параллельных обогреваемых каналах после потери его устойчивости. Показано, что установка трубок Вентури на входе в обогреваемые каналы расширяет область устойчивого течения.
Изучена теплогидравлика горизонтального парогенератора АЭС с ВВЭР. Получена новая система уравнений, описывающих медленные течения двухфазных сред, и на базе этих уравнений разработана математическая модель трехмерных теплогидравлических процессов, протекающих в горизонтальном парогенераторе. Предложен новый численный метод, реализующий эту модель. Проведено численное моделирование движения двухфазной пароводяной среды в номинальном режиме работы парогенератора.
Исследованы вопросы взаимодействия расплава с водой (парового взрыва). Решена задача об устойчивости струи расплава в воде в условиях пленочного кипения, и сделана оценка длины распада струи расплава в воде. Разработаны математические модели процессов предварительного перемешивания расплава с водой и распространения волны термической детонации. Проведено численное
моделирование распространения волны термической детонации вплоть до выхода на стационарный режим и определена ее структура. Выполнен трехмерный расчет парового взрыва в шахте реактора АЭС и определены нагрузки на ее стенки.
Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты углубляют понимание закономерностей подъема крупномасштабных термиков в атмосфере и двухфазной конвекции в замкнутой области. Расчеты выноса аэрозоля в стратосферу имеют существенное значение для оценок климатических последствий крупных извержений вулканов и техногенных взрывов. Исследование поражающего воздействия горящего облака диспергированного горючего позволяет оценить последствия соответствующих аварий на топливно-энергетических производствах. Результаты изучения течения пароводяного потока в параллельных обогреваемых каналах после потери его устойчивости существенны для определения запасов до кризиса теплоотдачи стенок каналов и для выработки мер повышения устойчивости потока. Трехмерное численное моделирование течения пароводяной смеси в горизонтальном парогенераторе на основе разработанной в диссертации модели имеет большое значение при проведении конструкторских работ по модернизации этого устройства, в частности, для оптимизации расположения продувок и схем водопитания. Детальные расчеты парового взрыва при тяжелых авариях на АЭС позволяют делать количественные оценки последствий аварий для целостности АЭС и проверять эффективность инженерных мероприятий по управлению авариями с целью смягчения их последствий.
Внедрение. Результаты работы используются в конструкторских организациях, занимающихся разработкой и модернизацией АЭС для повышения их безопасности и эффективности.
Исследования, составившие содержание диссертации, проводились в рамках плановых работ Института проблем механики (2 и 3 главы) и по договорам Электрогорского научно-исследовательского центра с Концерном "Росэнергоатом" и 16 Главным научно-техническим управлением Министерства РФ по атомной энергии (4-6 главы). Отдельные прикладные вопросы, рассмотренные в 5 и 6 главах, были выполнены по техническим заданиям Генерального Конструктора ядерных энергетических реакторов ВВЭР ОКБ "Гидропресс". Часть задач,
вошедших в 6 главу, были исследованы в рамках реализации проектов, поддержанных РФФИ.
Достоверность полученных результатов обусловлена качеством используемых в расчетах эмпирических корреляций, описывающих межфазное взаимодействие, надежностью численных методов решения уравнений сохранения и детальной верификацией разработанных моделей на банках опытных данных.
Автор защищает:
1. Исследование динамики облаков газовзвеси в поле силы тяжести: подъем
запыленного термика в неоднородной сжимаемой атмосфере, вынос аэрозольных
частиц в стратосферу крупномасштабным термиком, осаждение облака частиц,
горение облака капель диспергированного горючего.
-
Численный метод макрочастиц для исследования течений дисперсных сред и результаты расчетов конвекции запыленного газа в замкнутой области.
-
Математическую модель течения двухфазного потока в системе параллельных обогреваемых каналов. Результаты расчетов границ устойчивости и колебательных режимов.
-
Систему уравнений, описывающую медленные существенно дозвуковые течения двухфазных сред. Математическую модель теплогидродинамики горизонтального парогенератора и результаты расчетов номинального режима работы парогенератора.
-
Линейный анализ устойчивости струи расплава, окруженной паровой пленкой, в воде. Результаты расчетов перемешивания раскаленных металлических шариков с водой. Математическую модель термической детонации и результаты ее использования применительно к расчету парового взрыва в шахте реактора атомной станции.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5-ом Национальном Конгрессе по теоретической и прикладной механики (Болгария, 1985); на 8-ом Всесоюзном Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 1986); на 6-ом Всесоюзном Съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986); на 4-ом Всесоюзном Семинаре по гидромеханике и тепломассообмену в невесомости (Новосибирск, 1987); на 2-ом Международном Коллоквиуме по взрывам и реагирующим системам
(Польша, 1987); на Международном Семинаре по физике паровых взрывов (Япония, 1993); на Международной Конференции "Новые тенденции в теплогидравлике ядерных установок" (Италия, 1994); на Международном Семинаре по исследованиям тяжелых аварий (Япония, 1994); на Российско-Британском Семинаре по безопасности промышленных предприятий (Великобритания, 1994); на Первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994); на 3-ем Международном Семинаре по горизонтальным парогенераторам (Финляндия, 1994); на 2-ой Международной Конференции по многофазным потокам (Япония, 1995); на Международном Семинаре "Тепло- и массобмен при тяжелых авариях ядерных реакторов" (Турция, 1995); на 1-ом Международном Симпозиуме по теоретическим и экспериментальным исследованиям двухфазных течений (Италия, 1995); на Международном Семинаре по изучению стандартной проблемы ISP39 (Италия, 1996). Результаты работы неоднократно обсуждались на семинарах Института проблем механики АН СССР, МЭИ, секциях Научных Советов АН СССР и РАН по проблемам "Теоретические основы процессов горения" и "Теплофизика и теплоэнергетика".
Диссертация в целом обсуждалась на заседании Объединенного семинара лабораторий гидродинамического направления Института проблем механики РАН и на заседании Научно-технического совета Электрогорского научно-исследовательского центра.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 27 работах, список которых помещен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из шести глав (включая введение - глава 1), заключения и списка цитируемой литературы. Каждая глава предворяется обзором работ в данной области и завершается формулировкой основных результатов, в заключении даны наиболее общие результаты диссертации. Диссертация содержит 277 страниц текста, 127 страниц иллюстраций, 25 страниц списка литературы.