Введение к работе
. Актуальность работы.
Одним из наиболее перспективных направлений развития энергетики геляется управляемый термоядерный синтез. В последние годы в этой >бласти достигнут значительный прогресс. Большинство проектов термоядерных реакторов основано на установках типа токамак. Эти уста-іовки на сегодняшний день являются наиболее изученными и позволяют } принципе осуществить реакцию термоядерного синтеза.
Жидкие металлы (ЖМ) рассматриваются как весьма перспективные теплоносители в реакторе-токамакё-благодаря хорошим теплофизиче-:ким свойствам, низкому давлению паров, радиационной стойкости. Они могут быть использованы для охлаждения таких энергонапряженных устройств токамака, как бланкет, первая стенка, дивертор. Кроме того, если в качестве теплоносителя используется литий или литийсодержа-щая эвтектика (например L\\j РЬрз)> то жидкий металл может служить материалом для воспроизводства трития. Вследствие этого исследование течения и теплообмена жидких металлов в сильных магнитных полях является актуальной задачей. Однако у жидкометаллических теплоносителей есть существенный недостаток: вследствие МГД-взаимодействия гидравлические потери при прокачке жидких металлов поперек силовых линий магнитного поля резко возрастают. Для уменьшения воздействия этого эффекта в ряде проектов термоядерных реакторов направление движения теплоносителя параллельно силовым линиям тороидального магнитного поля, то есть жидкий металл движется в горизонтальном направлении.
Течение и теплообмен жидкого металла в реакторе-токамакё будет происходить в весьма сложных и специфических условиях. В связи с этим исследования влияния магнитного поля на гидродинамику и теплообмен при турбулентном течении электропроводной жидкости представляют собой большой теоретический и практический интерес для термоядерной энергетики, а также для ряда других новых отраслей техники. Решающая роль в этих исследованиях отдается эксперименту ввиду сложности теоретического решения проблем, связанной с незамкнутостыо дифференциальных уравнений, описывающих процесс турбулентного МГД-те-чения и теплообмена.
Разумеется, смоделировать в условиях лаборатории МГД-течение жидкого металла на уровне параметров и пространственных масштабов, характерных для термоядерного реактора, практически невозможно. Поэтому можно говорить лишь о той или иной степени приближения
данных лабораторного эксперимента к условиям токамака, о попытках научно обоснованных прогнозов закономерностей гидродинамики и теплообмена, о возможностях использования этих прогнозов при проработке технического проекта реактора.
Целью данной работы является проведение экспериментальных исследований полей температур, коэффициентов теплоотдачи, статистических характеристик пульсаций температуры в горизонтальной трубе при неизотермическом течении жидкого металла в продольном магнитном поле (ПМП).
Научная новизна. Впервые исследованы характеристики теплоотдачи в горизонтальной трубе в ПМП в условиях существенного влияния массовых сил различной природы: электромагнитных и гравитационных. В сечении трубы обнаружены зоны улучшенного и ухудшенного теплообмена. Впервые измерены статистические характеристики пульсаций температуры (интенсивности, корреляционные функции и спектры) по всему сечению трубы и влияние на них продольного магнитного ПОЛЯ и термогравитационной конвекции (ТГК).
Практическая ценность работы состоит в том, что в результате выполненных автором исследований разработаны расчетные рекомендации для использования при проектировании энергетических установок с жидкометаллическим охлаждением. Разработанная методика измерений в потоке ЖМ и обработки экспериментальных данных может быть использована в различных областях науки и техники. Результаты работы использовались при проектировании термоядерного реактора в Российском научном центре «Курчатовский институт».
На защиту выносятся:
результаты экспериментальных исследований полей температур, коэффициентов теплоотдачи, статистических характеристик пульсаций температуры в потоке жидкого металла при воздействии сильного магнитного поля и термогравитационной конвекции;
разработанные рекомендации по расчету различных характеристик теплообмена жидкого металла применительно к созданию новых энергетических установок.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались:
-
На международном научном семинаре по магнитной гидродинамике жидких металлов в Университете Токио, Япония, 1992.
-
На конференции «Турбулентность, тепло- и массообмен» в Лиссабоне, Португалия, 1994.
-
На 18-м «Симпозиуме по термоядерной технологии» в Карлсруэ, Германия, 1994.
-
На «Первой национальной Российской конференции по теплообмену» в Красногорске, 1994.
-
На международной конференции по магнитной гидродинамике, Рига, Латвия, 1995.
-
На международном форуме по тепломассообмену, Минск, 1996.
-
На 19-м «Симпозиуме по термоядерной технологии» в Лиссабоне, Португалия, 1996.
-
На нескольких международных семинарах, проведенных на кафедре Инженерной теплофизики МЭИ с участием ученых из США, Японии, Германии.
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в научно-технических отчетах и публикациях [1—8].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из шести глав и заключения, библиографического списка из 70 наименований. Общий объем — 112 страниц, включая 45 рисунков.