Волновые процессы в газо-и парожидкостных средах при вскипании Канцырев Борис Леонидович

Введение к работе

Актуальность исследования обусловлена необходимостью анализа

гидродинамических явлений, сопровождаемых кавитацией жидкости,

например, важными являются не только акустические, но и «медленные» (на

фоне явлений акустики) процессы, происходящие при извлечении нефти из

пластов прокачкой воды через пористую среду или при протекания

пароводяного потока через сборки активной зоны реактора ВВЭР.

Существенно, что и такие медленные процессы являются волновыми. В связи с

этим, в ряде работ рассматриваются методики расчёта параметров сред в

переходных режимах движения, характерных для пуска и остановки

оборудования по транспорту газо- и парожидкостных сред со своеобразными

кинематическими волнами. В частности, моделирование кинематических волн

позволяет установить влияние отношения вязкостей и скорости фильтрации на

эффективность вытеснения одной фазы другой. Кроме того, следует учесть, что

особенностью многих аварийных и переходных режимов являются большие

масштабы, а, следовательно, и огромная стоимость экспериментальных

исследований. Поэтому в последние десятилетия важнейшее значение

получили расчётно-теоретические работы и численный эксперимент, как

наиболее доступный метод исследования. Важно отметить также большое

технологическое и коммерческое значение математического моделирования

при создании тренажёрных комплексов для обучения операторов энергоблоков.

Действительно, за последние два десятилетия разработка математического

обеспечения для симулирующих тренажёров, работающих в «режиме реального

времени», превратилась в важную и самостоятельную отрасль

промышленности и бизнеса. Существенным практическим обстоятельством

является также исследование вопроса об условиях возникновения кавитации,

получение дополнительной информации о зарождении паровой фазы в

жидкости. Например, в промышленных тепловых аппаратах кавитация

представляет собой или важный сопутствующий процесс или явление, анализ

которого представляет собой значительный самостоятельный научный интерес.

Представляемая работа проводилась во Всеросиийском Научно-

исследовательском институте по эксплуатации атомных электростанций, а также в Институте Океанологии им. П.П. Ширшова РАН. Завершение работы осуществлено в РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина. В работу включены результаты, полученные в рамках проектов РФФРИ № 08-01-12037-офи , №11-01-00171-а.

Объект исследований. Газо- или парожидкостная смесь жидкости с
пузырьками, возникающими в ней вследствие снижения давления или
внесёнными извне. При этом вскипающая жидкость может представлять собой
поток, возникающий в каналах (трубопроводах или элементах конструкции
теплоэнергетических установок) или сосудах высокого давления при
разгерметизации, или находиться в закрытом сосуде, где кавитация

инициируется генератором акустических волн.

Целью работы является исследование режимов течений потоков вскипающей жидкости, конкретизация записи уравнений двухскоростного движения паро- или газожидкостной среды, модификация численного метода С.К. Годунова для моделирования двухскоростного движения, а также анализ возможности достижения сверхвысоких сжатий и температур среды в процессе захлопывания парового пузырька.

Научная новизна заключается

1. в представлении безынерционной модели противоточного газожидкостного течения как аналога критического режима истечения и обобщении указанной модели для учёта агломерации и делений пузырьков;

2. в уточнении коэффициентов при дифференциальных слагаемых в уравнениях двухскоростного движения;

3. в конкретизации характеристических волновых свойств указанной системы уравнений и в получении на этой основе её полностью дивергентной формы записи;

4. в решении задачи о распаде произвольного разрыва и модификации численного метода С.К. Годунова для решения задач о течениях среды с двухскоростным движением.

5. в расчётно–теоретическом исследовании механизма объёмно-поверхностного гетерогенного кавитационного вскипания воды в экспериментах по критическим истечениям из каналов и сопл;

6. в исследовании волновых процессов, сопровождающих прохождение волны разрежения по вскипающей жидкости;

7. в расчётно-теоретическом моделировании ударно-волновых процессов, сопровождающих коллапс парового пузырька.

Достоверность результатов подтверждается тем, что:

1. предложенные подходы моделирования приводят к результатам, соответствующим экспериментальным данным;

2. предложенная методика уточнения коэффициентов при дифференциальных слагаемых в уравнениях двухскоростного движения основывается на классической форме записи уравнений сохранения и общепризнанных результатах исследований Зубера - Финдлея;

3. полученные результаты не противоречат результатам классических исследований Р. И. Нигматулина, Н. Зубера, Г. Уоллиса.

Научная и практическая ценность работы

1. Показанная логическая параллель между противоточным течением и критическим режимом истечения позволяет получать расчётные соотношения, аналогичные известному соотношению Уоллиса «для захлёбывания» и обобщать модель противоточного безынерционного течения на каналы с тепловыделением.

2. Волновые свойства медленных, «неакустических» решений уравнений двухскоростного движения соответствуют известной модели дрейфа, которая хорошо описывает широкий класс экспериментальных данных.

3. Полученная дивергентная форма записи системы уравнений двухскоростного движения пригодна для реализации интегральных численных методов.

4. Моделирование гетерогенного вскипания на объёмно-поверхностных центрах кипения позволяет получить удовлетворительное соответствие результатов расчётов истечений с экспериментальными данными как для стационарных течений в соплах и длинных каналах, так и для нестационарных истечений при одинаковом наборе значений исходных настроечных параметров расчётного кода.

5. Полученные результаты расчётного исследования сходящихся сферических ударных волн в захлопывающемся пузырьке с парами дейтерированного ацетона подтверждают возможность реакции термоядерного синтеза в экспериментах Р. Талейархана [1].

На защиту выносятся:

1. Расчётные соотношения для противоточного течения в каналах.

2. Уточнённые уравнения двухскоростного движения и их характеристические свойства.

3. Дивергентная форма записи уравнений двухскоростного движения.

4. Модифицированная численная схема, обобщающая численный метод С.К. Годунова на моделирование двухскоростных движений.

5. Объёмно-поверхностная модель гетерогенного вскипания и модель волновых процессов в волне разрежения, движущейся по вскипающей жидкости.

6. Термодинамически - неравновесная модель сходящейся сферической ударной воны в частично диссоциированной и ионизированной среде.

7. Расчётный код для моделирования движения сферически – симметричных волн сжатия-разрежения и ударных волн в ацетоне с использованием модификации широкополосного уравнения состояния Р.И. Нигматулина - Р.Х. Болотновой [2].

Публикации и апробация диссертации. Результаты работы

докладывались на научных семинарах Кафедры Волновой и Газовой Динамики МГУ, лаборатории Механики Многофазных сред Института Механики МГУ, семинаре член-корр. РАН Э.Е.Сон в ОИВТ РАН, опубликованы в сборниках трудов международных и всероссийских конференций, а также в научных статьях периодических изданий.

Личный вклад автора заключается в постановке задач математического моделирования процессов установления критических течений и кавитации, в разработке новых гидродинамических моделей волновых течений двухфазных смесей пузырьковой структуры, в выборе методов численного исследования поставленных задач и модификации существующих методов, в разработке и написании расчётных кодов, в проведении всех численных расчётов, верификации численных методик на результатах экспериментальных данных, в подготовке научных статей и докладов конференций.

Структура и объём работы Диссертация состоит из 6 глав, включая введение, списков литературы отдельно для каждой главы, выводов по каждой главе и общего заключения. Объём 6 глав составляет 248 страниц, включая 151 рисунок.