Введение к работе
Актуальность темы
Основным препятствием на пути применения жидкометаллических теплоносителей (ЖМ) в системах охлаждения бланкета и дивертора термоядерного энергетического реактора (ТЯР) является то, что гидравлические потери при прокачке жидкого металла в магнитном поле токамака могут быть весьма велики. Однако рациональным выбором формы сечения теплообменных каналов, их разумным расположением в магнитном поле и обеспечением электроизоляции стенок от ЖМ можно снизить гидравлические потери до приемлемой величины. При этом, в конструкциях реакторов могут присутствовать течения в продольном, поперечном и компланарном магнитных полях. Следует иметь в виду, что характер воздействия МП на течение и теплообмен электропроводной жидкости зависит от ряда существенных факторов, среди которых: значение и взаимная ориентация векторов скорости потока и индукции магнитного поля, форма и геометрические размеры канала, режимы течения жидкости, относительная электропроводность стенки, высота и форма элементов шероховатости, условия на входе потока в магнитное поле и на выходе из него, неизотермичность течения и как следствие свободная термогравитационная конвекция. Поэтому для практических целей создания энергетических ТЯР необходимы детальные исследования различных конфигураций МГД-течений.
Важная особенность теплообмена в ТЯР - это наличие зон с весьма высокими удельными тепловыми нагрузками. Сильная неизотемичность потока ЖМ приводит к интенсивным вторичным течениям, вызванным термогравитационной конвекцией (ТГК). Магнитное поле изменяет структуру течения, подавляя турбулентный перенос, что снижает теплообмен, при этом неоднозначно воздействуя на вторичные вихревые течения ТГК, тормозя или усиливая последние. Развитие ТГК в МГД потоке приводит к неожиданным эффектам: сильная неоднородность в
распределении температур в потоке и на стенке канала, появление зон ухудшенного теплообмена, где температуры могут превышать предельно- допустимые для материалов стенки значения. Также ТГК может вызвать генерацию низкочастотных пульсаций температуры аномально высокой интенсивности. Такие пульсации опасны для стенки теплообменника, так как легко проникают в нее и могут вызвать ее преждевременное усталостное разрушение за счет термических напряжений.
В большинстве исследований по МГД-теплообмену не рассматривали влияние ТГК. Результат совместного воздействия ТГК и МП на теплообмен в трубе неоднозначен и как уже отмечалось, зависит от ориентации трубы относительно вектора силы тяжести и направления индукции МП, от распределения плотности теплового потока. В данной работе рассматривался теплообмен в вертикальной трубе в условиях совместного влияния поперечного МП и ТГК в режимах, приближенных к реальным в ТЯР.
Целью работы является:
проведение экспериментальных исследований теплообмена жидкого металла при опускном течении в трубе в поперечном магнитном поле и сопоставление с результатами более ранних исследований;
создание базы экспериментальных данных для последующего численного моделирования исследуемых процессов и верификации кодов компьютерного моделирования.
Научная новизна работы
Впервые проведены детальные исследования характеристики теплообмена жидкого металла для данной конфигурации МГД-теплообмена в диапазонах чисел Рейнольдса Re=5000^ 100000; Гартмана Ha=0^500; Пекле Pe = 120^2500; Релея Ra = 0^3106.
Практическая ценность и апробация работы
Практическая ценность работы состоит в том, что в результате выполненных автором исследований обнаружены и впервые исследованы неожиданные с точки зрения существовавших представлений о МГД- теплообмене эффекты, наличие которых должно быть учтено при проектировании энергетических установок с жидкометаллическими теплоносителями, в том числе термоядерных реакторов типа токамак.
Основные положения и результаты диссертационной работы изложены и обсуждены на Межведомственном семинаре «Теплогидравлические аспекты безопасности активных зон, охлаждаемых водой и жидкими металлами», г.Обнинск, (2008 г.); на Пятой Российской национальной конференции по теплообмену,: Москва , (2010 г.); на Восьмой Международной конференции по МГД - «Памир», Франция (2011 г.), на научных семинарах в МЭИ, НИИЭФА им Д.В.Ефремова, РНЦ «Курчатовский институт», НИКИЭТ им Доллежаля (2010-2011 гг).
Достоверность полученных результатов подтверждается:
тщательной проработкой методик автоматизированных измерений и обработки больших массивов первичных экспериментальных данных, предварительной тарировкой всех используемых датчиков;
воспроизводимостью полученных опытных результатов и согласованностью их с имеющимися в литературе теоретическими и опытными данными, полученными в близких условиях.
Автор защищает
Результаты экспериментального исследования температурных полей, коэффициентов теплоотдачи и интенсивностей турбулентных пульсаций температуры при опускном течении жидкого металла в трубе в поперечном магнитном поле при однородном обогреве.
Публикации:
