ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 5, с. 773-781
УДК 621.039
ПУЛЬСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ В МГД-ПОТОКЕ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ НЕОДНОРОДНО ОБОГРЕВАЕМОЙ ТРУБЕ
© 2015 г. И. А. Беляев, Ю. П. Ивочкин, Я. И. Листратов, Н. Г. Разуванов, В. Г. Свиридов
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва E-mail: bia@ihed.ras.ru Поступила в редакцию 05.10.2014 г.
Проведено исследование характеристик теплообмена при течении жидкого металла в горизонтальной трубе с односторонним обогревом нижней половины трубы. Экспериментальные исследования выполнены на ртутном МГД-комплексе НИУ МЭИ—ОИВТ РАН в рамках многолетней программы сотрудничества. Рассматриваются характеристики осредненной и пульсационной температур в разных сечениях по длине зоны обогрева в области однородного поперечного магнитного поля. В ла-минаризованном потоке жидкого металла обнаружено появление и развитие низкочастотных, квазигармонических пульсаций температуры аномально большой интенсивности.
Б01: 10.7868/8004036441505004Х
ВВЕДЕНИЕ
Экспериментальные исследования МГД и теплообмена при течении жидкого металла (ЖМ) в продольном и поперечном магнитных полях (МП) проводятся на МГД-комплексе НИУ МЭИ-ОИВТ РАН. Он включает в себя два ртутных экспериментальных стенда. Исследования проводятся в поддержку применения ЖМ в качестве теплоносителей и рабочих сред в термоядерном реакторе типа Токамак. В ходе многолетних исследований, выполненных совместным коллективом МЭИ—ОИВТ РАН [1, 2], детально рассматривались различные конфигурации течения и варианты обогрева в трубах и каналах по отношению к полям массовых сил электромагнитного и термогравитационного происхождения.
В последние несколько десятилетий было проведено значительное количество исследований свободной термогравитационной конвекции (ТГК) в электропроводных средах под воздействием магнитного поля, мотивированных широким спектром прикладных задач, а также академическими интересами. Краткий обзор дан, например, в [3].
Вынужденное течение жидкого металла под воздействием магнитного поля в каналах различной формы также в значительной степени исследовано как численно, так и экспериментально [4, 5]. При этом, как правило, вопрос возникновения конвективных течений, вызванных силой плавучести, не поднимался.
Вопросы смешанной конвекции в условиях МГД-взаимодействия до недавнего времени были сформулированы недостаточно, поскольку
ЖМ-среда обладает высокой молекулярной теплопроводностью, что уменьшает область существенного влияния ТГК.
В значительной степени настоящий интерес обусловлен появлением концепции двухкомпо-нентных модулей реактора Токамака [6], в которых основная часть теплового потока, передаваемого в первую стенку, снимается гелием. В этом случае жидкий металл, необходимый для организации бридерной части модуля, может циркулировать с невысокими скоростями. В этих режимах влияние ТГК может быть весьма существенным. Исследования таких режимов весьма актуальны [7].
В настоящей работе рассматривается смешанная конвекция в горизонтальной трубе. Исследована конфигурация, соответствующая участкам каналов охлаждения верхнего двухнулевого ди-вертора реактора Токамака, например [8]. Результат взаимодействия ТГК и поперечного МП неоднозначен и существенно зависит от варианта обогрева [2].
ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследуемая схема течения и теплообмена показана на рис. 1, где обозначены векторы скорости потока ЖМ ^ ускорения свободного падения g и индукции МП B. Распределение тепловой нагрузки является однородным по длине, но неоднородным по периметру сечения трубы. Рассматривается характерный случай обогрева снизу (рис. 1). В качестве модельной жидкости используется ртуть.
Рис. 1. Схемы течения (а) и обогрева (б).
(а)
(б)
Рис. 2. Вид (а) и схема (б) экспериментального стенда: 1 — рабочий участок, 2 — зонд, 3 — расходомер, 4 — дифманометр, 5 — холодильник, 6 — электромагнитный насос, 7 — бак с ртутью, 8 — электромагнит, 9 — термопары выхода, 10 — термопары входа, 11 — нагреватель, 12 — система автоматизации, 13 — персональный компьютер.
Вид и схема ртутного стенда ОИВТ РАН, на котором выполнены экспериментальные исследования, показан на рис. 2. Параметры эксперимента представлены в таблице.
Для измерений локальных характеристик температурного поля использовались зонды. При их изготовлении учитывался ряд особенностей, с которыми сталкиваются при измерениях в потоке жидких металлов. Зонд, с одной стороны, должен обладать достаточной прочностью и жесткостью, чтобы противостоять действию архимедовых сил и динамическому напору набегающего потока ртути. С другой стороны, он должен быть достаточно миниатюрным, чтобы не искажать гидродинамику исследуемого процесса [9].
Измерения проводились зондами различной конструкции:
— продольным зондом "гребенка", состоящим из нескольких термопар, жестко зафиксированных на штоке, который способен вращаться и перемещаться по длине;
— рычажным зондом, состоящим из одной термопары, способной переместиться в любую точку единственного сечения.
Температура стенки для определения коэффициентов теплоотдачи в обоих случаях определялась "из потока", т.е. экстраполяцией на стенку измеренного профиля температуры в потоке. Такой способ позволяет исключить погрешность, связанную с термическим контактным сопротивлением на границе жидкость—стенка [10].
Неопределенность показаний термопар составила не более 0.2°С, значения координаты штока зонда — 30 мкм, индукции магнитного поля — 2%, массового расхода и средней скорости — от 0.5 до 3% в зависимости от режима. При обработке использованы свойства ртути из справочника [11].
Неопределенность рассчитываемых локальных чисел Нуссельта и безразмерной температуры в приведенных режимах не превышала 15%.
При определении температуры стенки к показаниям термопары на стенке Ткас добавляется поправка
9 с 8 2
5 — диаметр королька термопары.
Если говорить о локальных характеристиках теплоотдачи, то безразмерная разность температуры стенки и среднемассовой температуры рассматривается в сечении
0 = 1 = тм г) - Тж (г), с Ки(ф, г) дсй/X ' где Z = ^й.
Для неоднородного обогрева при расчете Gг, ©с и Ки было принято считать плотность теплового потока дс как среднюю по периметру сечения:
2п
Т = Т +
* с * кас 1
4с = 14с (ф)/2пйф.
0
Параметры эксперимента
Название Величина Значение
Внутренний диаметр рабочего участка й, мм 19
Длина рабочего участка м 2.005 (106й)
Материал рабочего участка - нержавеющая сталь
Плотность теплового потока на стенке канала кВт/м2 0-55
Длина обогреваемого участка м 0.85 (45й)
Индукция магнитного поля В, Т 0-1.0
Длина электромагнита (обмоток) м 0.7 (37й)
Длина однородного магнитного поля м 0.4 (21й)
Число Рейнольдса Яе = и/V 5 х 103-100 х 103
Число Гартмана На = Вй(а/ц)05 0-500
Число Грасгофа Ог = gвqcd4/('kv2) 0.4 (21 й)
Относительная проводимость стенки С = ац4„/(ай) 0.04
Примечание. и - средняя скорость; й - внутренний (смоченный) диаметр трубы; V — кинематический коэффициент вязкости ртути; а, а№ - коэффициенты электропроводности среды и стенки; || — динамический коэффициент вязкости; р — коэффициент термического расширения ртути; X - коэффициент теплопроводности ртути; йк - толщина стенки.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ
Исследуемый вариант обогрева соответствует неустойчивой стратификации плотности, и влияние ТГК значительно. В отсутствие МП на фоне основного течения, вызванного градиентом давления, возникают интенсивные течения ТГК в виде вихрей с осями вдоль трубы (рис. 1), которые накладываются на поля скорости и температуры (рис. 3) и существенно меняют картину невозмущенного потока.
Поперечное МП подавляет вторичные течения ТГК, что приводит к выпрямлению изотерм (рис. 3б). При этом неоднородность в распределении температуры стенки по периметру сечения значительно вырастает, как видно из графика на рис. 3в. Это связано с подавлением турбулентности, ламинаризацией течения поперечным МП и уменьшением ТГК, которая, перемешивая жидкость, выравнивает температурные неоднородности.
На рис. 4 показаны распределения разницы безразмерных температур ©с на верхней (ф = 180°) и нижней (ф = 0°, 360°) образующих по длине г/й в точках наибольших и наименьших значений температуры стенки. Без МП разница между температурами на верхней и нижней образующих трубы ©верх — ©низ находится на уровне 0.2. Это является результатом действия интенсивных вторичных течений ТГК и турбулентности. В поперечном МП с ростом числа Гартмана ТГК и турбулентность подавляются, и ©верх — ©^ значительно возрастает, приближаясь к единице. В этих условиях структура потока становится неустойчивой. Рас-
(а)
(б)
-- //у\
^г» //УХ
/^жоЛЧу / - \\\\ \ \
0.8 0.7 0.6 Ь 0.5 |т 0.4 0.3 0.2 0.1 0
-0. 1 -0.2 -0.3 -0.4
0
(в)
45 90 135 180 225 270 315
360 Ф
Рис. 3. Поля осредненной температуры: (а) - На = 0, (б) - 500; распределения ©с (в) по периметру сечения
трубы (г/й = 41) в поперечном МП при Gr = 4.4 х 107, Re = 104: 1 - На = 0, 2 - 100, 3 - 300, 4 - 500.
®верх ®н 1.0
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0
10
20
30
40
z/d
Рис. 4. Распределение безразмерной разницы температур между верхней и нижней образующими по длине при Ог = 4.4 х 107, Re = 104: 1 - На = 0, 2 - 100, 3 -300, 4 - 500.
а, °С 3.0
• 1
о 2 п 3 * 4
"м"
■'а □
* «
^ <>*• ......
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
z/d
Рис. 5. Распределение интенсивности пульсаций температуры по длине в нижней части трубы при ф = 0, Ог = 4.4 х 107, Re = 104, в поперечном МП: 1-4 - см. рис. 4.
и □ □ па
J_I_I_|_
г, °с
5
3 1 -1
-3 -5
(
5 3 1 -1
-3 -5
(
5 3 1 -1
-3 -5
(
5 3 1 -1
-3 -5
(а)
(б)
(в)
(г)
г, с
Рис. 6. Осциллограммы температуры вблизи нижней образующей трубы при Ог = 4.4 х 107, Re = 104 в поперечном МП: (а) - На = 0, (б) - 100, (в) - 200, (г) - 300.
6
2
4
8
6
2
4
8
6
2
4
8
6
0
2
4
8
пределение по длине трубы интенсивности температурных пульсаций, характеризуемое среднеквадратичным значением, показано на рис. 5. На графике представлены результаты измерений в потоке вб
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.