Введение к работе
Актуальность темы. Гетерогенные среды и системы, в которых наблюдается движение совокупности частиц, капель, пузырьков или упругих элементов относительно окружающей их жидкости, встречаются в широком круге явлений, процессов и устройств, представляющих интерес, как для ученых, так и для инженеров. При этом процессы, протекающие в таких средах, часто носят нестационарный, колебательный или волновой характер.
Ряд перспективных технологических процессов связывается с использованием вибрационного воздействия на многофазные жидкости. За счет вибрационного воздействия можно многократно интенсифицировать процессы тепло- и массообмена, особенно, если использовать резонансные режимы. Явления, происходящие в гетерогенных средах при вибрационных и волновых процессах чрезвычайно разнообразны вследствие многообразия комбинаций фаз, их структуры, многообразия межфазных и внутрифазных взаимодействий, обусловленных вязкостью, теплопроводностью, теплообменом, фазовыми переходами, дроблением и коагуляцией капель и пузырьков. Под действием внешнего периодического воздействия становятся существенны инерционные эффекты, кроме того, возможно возбуждение различных форм осцилляции включений: объемных осцилляции пузырьков газа или пара, осцилляции капель и пузырьков по различным формам сферических гармоник, поступательных колебаний включений в упругой матрице и т.д.
Относительное движение и взаимодействие компонент, в конечном итоге, приводит к отличию кажущихся или эффективных свойств гетерогенной среды в целом, от привычных, статических (или квазистатических) свойств, определяемых суммированием свойств компонент. Проблема определения эффективных свойств (инерционных, диссипативных, упругих) является одной из фундаментальных в механике гетерогенных сред. Несмотря на большое количество, как оригинальных исследований, так и работ обзорного характера, обсуждаемую проблему нельзя считать окончательно решенной.
В настоящей работе с единых позиций теоретически и экспериментально исследуются особенности инерционного, вязкого, теплового и упругого межфазного взаимодействия гетерогенных сред различных классов при вибрационных и акустических воздействиях. Особое внимание уделено гетерогенным средам, включения в которых могут совершать осцилляции различного типа: объемные, поступательные, деформационные.
Полученные в работе эффективные динамические свойства неоднородных сред (виброплотность и вибровязкость) существенно упрощают решение задач о расчете спектра собственных частот вибраций упругих элементов, типичных для теплообменного оборудования, работающего в двухфазных теплоносителях, необходимого для выполнения условия отстройки от частот детерминированного воздействия, что является необходимым этапом расчета на вибропрочность при обосновании ресурса и надежности оборудования АЭС.
При расчетах реакторной гидродинамики активные зоны реакторов и теп-лообменные аппараты часто рассматриваются как пористые тела. При нестационарных и неоднородных течениях, возникающих в переходных и аварийных режимах, силы реакции такой «пористой среды» на поток теплоносителя могут играть значительную роль. В связи с этим актуальны вопросы учета межфазного взаимодействия при нестационарном и неоднородном течении теплоносителя в межтрубном пространстве.
Значительный интерес также представляют исследования волновой динамики дисперсных сред применительно к проблемам развития акустических методов диагностики аэрозолей, двухфазных газожидкостных сред, а также методов подавления звуковых возмущений дисперсными смесями. Широко используются системы акустического мониторинга в ядерной энергетике, в частности для раннего обнаружения течи теплоносителя.
Акустические свойства теплоносителя необходимо знать, чтобы избежать двойных резонансов в тракте теплоносителя, когда частоты стоячих акустиче-
ских волн совпадают с собственными частотами колебаний оборудования, что, по мнению ряда авторов, может приводить к чрезмерным вибрациям.
Гидродинамические, вибрационные и акустические процессы влияют также на уровень и стабильность температурных полей в активных зонах ядерных реакторов, в парогенераторах. В связи с этим, четкие представления о гидродинамике одно и двухфазных теплоносителей, особенно в нестационарных режимах, актуальны с точки зрения повышения надежности и долговечности тепло-обменного оборудования ядерных энергетических установок.
Таким образом, исследования инерционного, вязкого и теплового межфазного взаимодействия в гетерогенных средах при нестационарных, и в частности, вибрационных и акустических процессах, проведенные в настоящей работе, являются одной из актуальных задач.
Тесное расположение элементов теплообменного оборудования, обтекаемого потоком теплоносителя, приводит к тому, что вибрации отдельных элементов становятся гидродинамически связанными, и в результате образуется сложная система, обладающая большим числом собственных частот, расчет которых методами численного моделирования становится громоздким и нецелесообразным. В связи с этим создание инженерных методов расчета гидродинамически связанных колебаний теплообменного оборудования также является актуальной задачей. В работе исследуется влияние жидкого теплоносителя на колебания типичных элементов теплообменного оборудования и решается ряд задач о гидродинамически связанных вибрациях систем, состоящих из нескольких оболочек, содержащих многостержневые (или многотрубные) пучки, в одно- и двухфазных теплоносителях.
Целью работы является:
разработка теоретических моделей межфазного обмена импульсом и энергией в дисперсных средах различных классов для обобщенного описания протекающих в них колебательно-волновых процессов с помощью эффективных
динамических свойств, учитывающих осцилляции включений по трем основным формам (объемные, поступательные, деформационные);
экспериментальная проверка основных положений и теоретически предсказанных эффектов колебательно-волновой динамики дисперсных сред;
применение теории для разработки инженерных методов расчетов вибрационной и акустической динамики элементов теплообменного оборудования.
Для достижения этой цели необходимо было:
разработать феноменологические модели межфазного взаимодействия в дисперсных средах с включениями-осцилляторами и получить зависимости эффективных динамических свойств от геометрических параметров, свойств компонентов и частоты воздействий;
провести экспериментальную проверку полученных зависимостей динамических свойств на модели трубопровода с газожидкостной средой;
разработать теоретическую модель низкочастотной резонансной дисперсии звука в пузырьковых средах;
провести экспериментальную проверку теории низкочастотной резонансной дисперсии звука в пузырьковых средах, образованных жидкостями с различными свойствами;
разработать теоретическую модель инерционно-вязкого межфазного
взаимодействия проницаемых пористых сред и жидкости и получить на ее ос
нове теоретические зависимости для скорости и коэффициента затухания упру
гих поперечных волн.
разработать математическую модель нестационарного течения идеальной жидкости в макронеоднородных анизотропных пористых средах с учетом инерционного межфазного взаимодействия;
разработать математические модели линейных и нелинейных гидродинамически связанных колебаний концентрических труб и оболочек;
выполнить экспериментальную проверку разработанных моделей гидродинамически связанных колебаний труб;
на основе разработанных теоретических моделей получить решения ряда
прикладных задач виброакустической динамики оболочечных и многостержне
вых конструкций теплообменного оборудования ЯЭУ и диагностики газожид
костных сред.
Достоверность результатов теоретических исследований автора подтверждается согласием их, в предельных и частных случаях, с классическими результатами. Математические модели разрабатывались на основе классических методов механики сплошных сред и теории колебаний. Результаты экспериментальных исследований автора подтверждают полученные теоретические выводы. Экспериментальные данные получены с использованием апробированных методов и методик измерений, и не противоречат известным результатам.
Научная значимость и новизна
о Систематическое исследование влияния межфазного обмена импульсом и энергией на колебательно-волновую динамику гетерогенных сред различных классов позволило получить следующие результаты:
впервые получена резонансная зависимость эффективной сдвиговой вязкости эмульсий от частоты воздействия,
впервые теоретически предсказана и экспериментально обнаружена резонансная зависимость динамических свойств пузырьковых сред от частоты вибраций, связанная с деформационно-поступательными колебаниями пузырьков,
впервые теоретически предсказано и экспериментально установлено существование нового физического явления - низкочастотной резонансной дисперсии звука в газожидкостных средах,
предложен новый метод и получены инженерные формулы для расчетов границ спектра гидродинамически связанных колебаний многостержневых пучков,
впервые показано, что геометрическая нелинейность присоединенной массы жидкости в системе гидродинамически связанных концентрических цилиндров (моделирующих трубку Фильда) приводит к их пространственным и квазистохастическим колебаниям.
о Таким образом, разработанная теория эффективных динамических свойств гетерогенных сред с включениями-осцилляторами позволила предсказать новые эффекты, получившие экспериментальное подтверждение.
Практическая ценность.
Полученные в работе динамические свойства гетерогенных сред различных классов с включениями-осцилляторами позволяют рассчитывать виброакустические характеристики типичных для теплообменного энергетического оборудования многостержневых и многотрубных конструкций, обтекаемых одно- и двухфазным потоком теплоносителя.
Разработанные методы могут использоваться для расчета виброхарактеристик оболочечных, стержневых и многотрубных конструкций, работающих в дисперсных и газо-жидкостных средах.
Результаты по межфазному взаимодействию в пористых средах могут использоваться для расчетов нестационарной гидродинамики в колебательных режимах и при резких изменениях расхода теплоносителя в реакторных установках и теплообменных аппаратах.
Разработанные математические модели могут использоваться для идентификации и анализа данных виброшумовой диагностики аномалий в техническом состоянии теплообменного оборудования.
Полученные данные по низкочастотной скорости звука могут служить для расчетов предельной скорости течения газо-жидкостных потоков.
Результаты исследований необходимы для расчета вибропрочности элементов теплообменного оборудования и внутрикорпусных устройств ЯЭУ при обосновании долговечности и остаточного ресурса эксплуатации ЯЭУ.
Результаты работы использовались для оптимизации расположения дистан-ционирующих элементов в тепловыделяющих сборках в проектах ускорительно управляемых реакторов (ADS, EFIT).
Разработанные математические модели и созданные на их основе программы использовались при расчетах виброшумовых характеристик реакторов различного назначения.
Результаты по виброакустическим свойствам пористых сред могут использоваться при интерпретации данных сейсмического и акустического зондирования для диагностики залежей нефти, газа и других полезных ископаемых.
Полученные методы расчетов собственных частот теплообменного оборудования являются необходимыми для обоснования надежности и ресурса ядерных установок в части вибрационной прочности, что является актуальным для обеспечения безопасной работы ЯЭУ.
Часть результатов, полученных автором, используется в учебном процессе ОГТУ АЭ (ИАТЭ).
Основные положения, выносимые на защиту:
математическая модель резонансной зависимости эффективной сдвиговой вязкости эмульсий от частоты колебаний,
математическая модель инерционно-вязкого взаимодействия, учитывающую деформации пузырьков, и результаты экспериментов по резонансной зависимости эффективной динамической плотности и трансляционной вязкости от частоты при вибрации газожидкостных сред,
математическая модель и результаты экспериментального обнаружения низкочастотной резонансной дисперсии звука в газо-жидкостных средах,
уравнение нестационарного течения теплоносителя в неоднородных анизотропных пористых средах, учитывающее инерционное взаимодействие с жидкостью с помощью тензорного поля эффективной динамической плотности,
математическая модель учета инерционно-вязкого межфазного взаимодействия в насыщенных жидкостью пористых средах при распространении волн,
методика и соотношения для расчета границ спектра гидродинамически связанных групповых колебаний многостержневых и многотрубных систем в жидком теплоносителе,
математическая модель, результаты расчетных и экспериментальных исследований гидродинамически связанных колебаний концентрических труб (трубки Фильда).
Личный вклад автора
Теоретические и экспериментальные исследования проводились под руководством и при непосредственном участии автора, возглавляющего научно-исследовательскую группу виброакустики. Лично автором разработаны программы и методики проведения экспериментов, созданы программы для обработки экспериментальных данных, и проведена большая часть экспериментальных исследований. Результаты, выносимые на защиту, получены лично автором либо при непосредственном участии автора. Анализ всего экспериментального материала выполнен лично автором.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались: на международной конференции "Теплофизические аспекты безопасности ВВЭР", Обнинск, 1998 г.; на 2-ой, 3-ей, 4-той Российских Национальных конференциях по Теплообмену, Москва, 1998, 2002, 2006 г. г.; на 10-ой международной конференции Ядерного Общества, Обнинск, 1999 г.; на отраслевых конференциях «Теплофизика-99», «Теплофизика-2001», «Теплофизика-2002», «Теплофизика-2005», «Теплофизика-2006», Обнинск; на 2-ой, 3-ей Всероссийских конференциях "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР", Подольск, 2001, 2003г.г.; на международной конференции «Забабахинские научные чтения», г.Снежинск,
Челябинская обл., 2003 г.; на 1-ой конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» Алушта, 2003г.; на 19-ой, 20-той и 21-ой Всероссийских школах-семинарах Аналитические методы и оптимизация процессов в механике жидкости и газа (САМГОП-2002, САМГОП-2004, САМГАД-2006), Снежинск, 2002 г., Абрау-Дюрсо, 2004 г., С.Петербург, 2006 г.; на 9-ом всероссийском семинаре «Акустика неоднородных сред», Новосибирск, 2006 г.; на 3-ем международном симпозиуме "Two phase flow modeling and experimentation", Пиза, Италия, 2004г.; на международной конференции "NURETH-П", Avignon, France, 2-6 October, 2005 г.; на 13 международной конференции «Потоки и структуры в жидкости» Москва, 2005 г.; на Всероссийской Конференции «Новые математические модели в механике сплошных сред: построение и изучение». Новосибирск, 2004 г.; на 2-ой Российской конференции «Методы и программное обеспечение расчетов на прочность», Геленджик, 2002 г.; на 15-ой, 17-ой сессиях Международной школы по моделям механики сплошной среды. С.Петербург, 2000г., Казань, 2004 г.; на XV школе-семинаре молодых ученых «Проблемы гидродинамики и тепломассобмена в энергетических установках» Калуга, 23-27 мая 2005г.; на Всесоюзном семинаре «Нетрадиционные методы геофизических исследований в земной коре», Звенигород, 1989 г.; на международной геофизической конференции по разведочной геофизике (SEG-ЕАГО), Москва, 1992 г.
Результаты работы докладывались также на отраслевых и межотраслевых совещаниях и семинарах.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 35 печатных работах. Результаты прикладных исследований представлены в 27 отчетах о НИР, выполнявшихся в ГНЦ РФ-ФЭИ для обоснования ядерных реакторов с различными теплоносителями в период с 1996 по 2006г.г.
Объем работы
Работа состоит из введения, шести глав и заключения. Диссертация изложена на 208 страницах текста, куда входит 101 рисунок, список литературы, включающий 329 наименований.
Работа выполнена в лаборатории гидродинамики и виброакустики ФГУП «ГНЦ РФ ФЭИ» возглавляемой доктором технических наук B.C. Федотовским, которого автор благодарит за обсуждение результатов и полезные замечания. Неоценимую помощь в теоретических исследованиях оказал автору с.н.с. Прохоров Ю.П., в проведении экспериментальных исследований - с.н.с. Тереник Л.В. и аспирант Дербенев А.В. Автор выражает им искреннюю благодарность.
Работы, по акустике газожидкостных сред и по гидродинамически связанным вибрациям труб выполнялись при поддержке РФФИ, администрации г. Обнинска и Правительства Калужской области (гранты № 04-02-97202, № 05-02-96720, № 06-02-96304).
Автор благодарит Правительство Калужской области за присуждение стипендии им. Е.Р.Дашковой, позволившей завершить диссертационную работу.
