Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2024 номер 4

Представлены результаты экспериментального изучения особенностей формирования потока теплоносителя во входном участке тепловыделяющих сборок кассетной активной зоны реактора типа РИТМ атомной станции малой мощности. Целью работы является исследование влияния разных элементов конструкции входного участка на перераспределение аксиальной скорости потока теплоносителя. Для достижения цели проведена серия экспериментов на масштабной экспериментальной модели, включающей элементы конструкции входного участка от тарировочной шайбы до узла крепления ТВЭЛов к диффузору, а также пролет ТВЭЛьного пучка между поглощающей решеткой и первой дистанционирующей решеткой. Исследования проводились с использованием пневмометрического метода в нескольких характерных сечениях по длине модели. Расположение точек измерения охватывает все поперечное сечение модели. Особенности течения теплоносителя визуализированы картограммами аксиальной скорости потока рабочей среды, а также графиками аксиальной скорости по сечению пучка ТВЭЛов. Результаты экспериментального моделирования использованы при оптимизации гидравлического профилирования элементов конструкции входного участка тепловыделяющих сборок. Полученная база опытных данных может применяться для валидации отечественной CFD-программы ЛОГОС, а также для уточнения методик теплогидравлического расчета активных зон в поячеечном приближении.

Представлены модели тяжелоаварийного модуля SAFR, используемые для расчета движения расплава оболочки по поверхности ТВЭЛа при его плавлении, применительно к тяжелым авариям в охлаждаемых жидким металлом реакторах на быстрых нейтронах. Обоснован выбор базовой системы уравнений и замыкающих соотношений. Модели валидированы на базе экспериментов по плавлению и движению расплава имитаторов оболочки. Оценена погрешность расчета по потере массы оболочкой из-за ее плавления и стекания по поверхности ТВЭЛа.

Впервые измерены плотность и объемный коэффициент термического расширения тройного сплава LiK₃Pb₄ (12,5 ат. % Li; 37,5 ат. % K; 50,0 ат. % Pb) в жидком состоянии. Исследования термических свойств проводились гамма-методом в интервале от температуры ликвидуса 812 до 990 K. Известно, что твердый сплав LiK₃Pb₄ является интерметаллическим соединением. Проведенный термический анализ сплава при его охлаждении из жидкого состояния показал, что данное соединение, вероятно, образуется по перитектической реакции при 789 K. На основании полученных экспериментальных результатов разработана таблица рекомендуемых значений термических свойств расплава LiK₃Pb₄ в исследованном температурном интервале.

Впервые представлены результаты численного моделирования процесса возникновения зон генерации жидкой фазы вулканического пепла в камере сгорания авиационного двигателя на трех режимах работы самолета: при попадании воздушного судна в облако пепла на крейсерском этапе полета, при выходе воздушного судна из облака путем набора высоты и выходе из облака пепла путем снижения высоты полета на полетном малом газе, как это рекомендовано ИКАО. Исследование выполнено для турбореактивного двухконтурного двигателя ПД-14 магистрального самолета МС-21 при воздействии на него пепла вулкана Шивелуч. По результатам расчета установлено, что внутри камеры сгорания двигателя ПД-14 наблюдаются существенные объемы зон с температурой газов, превышающей температуру плавления вулканического пепла. Объем высокотемпературных зон, в которых возможно плавление частиц вулканического пепла на крейсерском режиме, превышает 54 % от объема жаровой трубы камеры сгорания, в то время как объем зоны генерации на номинальном режиме (наборе высоты) составляет более 81 %, а на режиме полетного малого газа - не более 25,3 %.

В режимах смешанной конвекции в методе Чохральского численно исследовано влияние высоты слоя расплава на гидродинамику и конвективный теплообмен в диапазоне относительных высот слоя гептадекана 0,1 ≤ H/R_T ≤ 2,0 с шагом 0,1. Расчеты выполнены с использованием метода конечных разностей при фиксированной скорости вращения кристалла, соответствующей числу Рейнольдса Re = 95, при значениях чисел Грасгофа, Марангони и Прандтля соответственно Gr = 1215, Ma = 2930, Pr = 40,35, при отношении радиуса тигля к радиусу кристалла R_T/R_K = 1,94. В данном диапазоне параметров течение имеет ламинарный, стационарный и осесимметричный характер. В работе изучена эволюция пространственной формы течения, полей скорости и температуры, радиальных распределений локальных тепловых потоков и интегрального теплообмена в зависимости от относительных высот слоя гептадекана.

Разработана новая модель линии фазового равновесия (ЛФЗ) метана, в основе которой лежит уравнение Клапейрона - Клазиуса и соотношения теории ренормализационной группы (РГ). В отличие от известных ЛФЗ при описании плотности насыщенной жидкости ρ⁺, плотности ρ^- и давления ρ_s насыщенного пара метана использована система взаимосогласованных уравнений, в которую входят уравнения, описывающие линию насыщения и линию упругости. Эти уравнения имеют ряд общих параметров: критические индексы, критическое давление, критическую температуру T_c, критическую плотность, а также ряд коэффициентов модели среднего диаметра d_f:коэффициент D_2β, комплексы D_2β/D _1-α и D_2β/D_τ, рассчитанные в рамках современной теории РГ для асимметричных систем. На основе предложенного подхода разработана линия насыщения метана, средний диаметр которой в широкой окрестности критической точки описывается в соответствии с теорией РГ зависимостью d_ƒ=D_2βτ^2β+D_{1_α}τ^1_α+D_ττ, где τ = (1 - T/T_c). Установлено, что d_ƒ = d_ƒ(T) в рамках предложенного подхода - это строго убывающая функция температуры в диапазоне от тройной точки до критической. Также установлено, что производная от теплоты парообразования по температуре в соответствии с положениями термодинамики имеет минимум в окрестности тройной точки. В рамках предложенной модели ЛФЗ опытные данные по ρ⁺, ρ^- и ρ_s , опубликованные Р. Кляйнрамом и В. Вагнером в 1986 году, передаются соответственно со средним квадратическим отклонением 0,0011, 0,0072 и 0,0012 %, то есть с большей точностью, чем международные уравнения, полученные Зецманном У. и Вагнером В. в 1991 году.

Выполнено численное моделирование динамики взаимодействия капли с бифильной поверхностью на основе метода решеточных уравнений Больцмана с множеством времен релаксации (MRT-LBM). Бифильная поверхность представляла собой супергидрофильный круг, расположенный на супергидрофобной плоскости. В работе приведены аспекты растекания капли при ее ударе о центр супергидрофильного пятна, отскока и формирования остаточной капли при вариации размера супергидрофильной области. В результате выделены три характерных режима взаимодействия капли с бифильной поверхностью: отрыв капли от поверхности, переходной режим, прилипание. Кроме того, проанализированы поля скоростей внутри капли на протяжении всего процесса взаимодействия.

Представлены результаты разработки и экспериментальных исследований контурного термосифона с 3D-печатной развитой микроструктурированной поверхностью теплообмена в плоском испарителе и этанолом в качестве теплоносителя. Исследованы тепловые характеристики устройства в диапазоне температур от 20 до 128 °С при тепловых нагрузках от 25 до 530 Вт и степени заполнения 40 мл (100 % объема испарителя). Установлено, что для столбчатой микроструктурированной поверхности теплообмена испарителя наименьшее значение полного термического сопротивления составляет 0,18 K/Вт, оно соответствует максимальному подводимому тепловому потоку - 530 Вт. Показано, что развитая столбчатая структура внутренней теплообменной поверхности испарителя существенно повышает эффективность контурных термосифонов.

Рассматриваются течения вязкой пленки жидкости по внешней поверхности вертикального цилиндра. В ходе исследования используется модельное нелинейное эволюционное уравнение на отклонение толщины пленки от невозмущенного уровня. Оно справедливо для описания длинноволновых возмущений в случае малых расходов жидкости и больших радиусов цилиндра. Изучено ветвление от невозмущенного режима течения пространственных волновых режимов. Отдельное внимание уделено особым случаям, когда значения радиусов цилиндров лежат в окрестностях некоторых критических особых точек. Для их исследования из исходного уравнения получена модельная система уравнений. Приведены несколько решений этой системы.

Проведено сопоставление аналитического и численного решений о прогреве композитной капли «углеводород - вода», где микрокапля воды расположена в центре сферической капли углеводорода. На границе раздела сред выполняются условия сопряжения: непрерывность температуры и теплового потока. На внешней границе капли задается условие теплообмена с горячим газом, обтекающим каплю. Аналитическая формула основана на разложении решения в ряд по собственным функциям задачи Штурма- Лиувилля. Построена оригинальная консервативная разностная схема численного интегрирования уравнений теплопроводности внутри композитной капли с учетом скачкообразного изменения теплофизических свойств на границе раздела сред «углеводород - вода». Результаты расчетов, полученные по аналитической формуле и методом численного интегрирования, согласуются друг с другом. В численную схему включен радиационный перенос тепла и влияние испарения на коэффициент теплоотдачи. Представлено сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными.

Проведена высокоскоростная теневая визуализация газокапельного потока из микроканального соплового устройства при варьировании расхода жидкости от 1 до 50 мл/мин и перепаде давления газа от 0,5 до 8 бар. Для этих целей была собрана оптическая система со стереомикроскопом для обеспечения большой глубины резкости и относительно высокого разрешения. Исследовалось истечение для двух типов сопел: трехсопловое устройство с внутренним диаметром каналов 200 мкм и специально изготовленное сопло с микроканальной кремниевой мембраной толщиной 243 мкм и размером микроканалов 10×10 мкм². Были определены углы распыла для единичного сопла и осредненный по трем соплам угол. Получены зависимости углов от расхода жидкости для каждого перепада давления и зависимости от перепада давления при варьировании расхода жидкости. Продемонстрирована возможность организации равномерного газокапельного течения у кромки сопла с каплями малого размера при использовании микроканальной мембраны.

В статье представлены результаты экспериментального исследования теплообмена и критического теплового потока при охлаждении поверхности диспергированным потоком глубоко недогретой жидкости. Исследование выполнено с использованием однофазной форсунки с массовым расходом воды 24,2 г/с. В опытах достигнуто рекордное значение критического теплового потока для спрейного охлаждения - 13,2 МВт/м². Продемонстрировано, что при развитии кипения в пленке жидкости, формируемой при спрейном орошении на импактной поверхности, происходит значительное уменьшение степени неравномерности температурного поля нагреваемого элемента.

Описана усовершенствованная физико-математическая модель стационарного течения водонефтяной смеси в поровом пространстве керна, представляемого в виде совокупности капиллярных кластеров. Рассматривается изотермическая постановка задачи, при этом температура является параметром, определяющим свойства флюидов и величину потерь давления из-за межфазного взаимодействия. Разработанная модель позволяет вычислять функции относительных фазовых проницаемостей при различных температурах на основе данных стандартных лабораторных исследований керна и экспериментов по однофазной фильтрации флюидов при разных температурах или наличии соответствующих зависимостей. С использованием модели рассчитаны относительные фазовые проницаемости при различных температурах для слабосцементированной породы одного из месторождений Западной Сибири, которое содержит высоковязкую нефть. Проведены численные исследования влияния температуры на характер течения в капиллярном канале переменного сечения. Для численного моделирования использовалась платформа OpenFOAM. Установлено, что изменение свойств флюидов и породы при увеличении температуры приводит к уменьшению интенсивности формирования четочного течения и способствует его переходу в капельное течение.

Исследована возможность управления посредством постоянного магнитного поля двухфазным течением несмешивающихся жидкостей с высоким отношением вязкостей несущей и дисперсной фаз в микроканале Т-типа, когда дисперсная фаза является ферромагнитной жидкостью. Обнаружены эффекты разделения снарядов и микрокапель магнитной жидкости, а также возможность управления структурой параллельного течения несмешивающихся жидкостей. Полученные результаты могут быть использованы для проектирования микрофлюидных систем с целью эффективной сортировки частиц, а также интенсификации процессов тепло- и массообмена. Введение

Изложены результаты сравнения различных подходов к сажемасляной визуализации течения на поверхности цилиндра при сверхзвуковом поперечном обтекании в импульсной аэродинамической трубе. Рассмотрены два вида мелкодисперсных красящих пигментов - Al₂O₃ и TiO₂. Использованы два способа нанесения пигмента: посыпка на предварительно покрытую масляной пленкой поверхность модели и нанесение на поверхность модели смеси из пигмента и масла. Массовая концентрация пигмента в смеси для сажемасляной визуализации варьировалась в диапазоне от 10 до 20 %. Представлена фотосъемка динамики изменения сажемасляного покрытия на поверхности модели: сразу после нанесения, в процессе эксперимента и по его завершении. По результатам проделанной работы сформулированы рекомендации по использованию метода саже-масляной визуализации поверхностного течения с учетом особенностей его применения при проведении экспериментов в импульсных сверхзвуковых аэродинамических трубах.

Представленная работа посвящена исследованию оптических и теплофизических свойств наножидкостей на основе углеродных сферических наночастиц, стабилизированных в воде додецилсульфатом натрия. Наночастицы со средним диаметром 11 нм синтезированы электродуговым распылением в гелии при давлении 3 торр. При концентрации углеродных наночастиц в наножидкости 0,01 % коэффициент экстинкции меняется от 400 до 200 м^-1 в диапазоне длин волн 180 - 1100 нм. Для весовых концентраций наночастиц в диапазоне 0 - 0,04 % зависимости вязкости от концентрации не выявлено. Установлено, что теплопроводность наножидкостей в том же диапазоне концентраций снижается с ростом концентрации относительно теплопроводности воды до 4 %.

Представлены результаты численного моделирования распространения круглой турбулентной струи в стесненных условиях: струя при Re = 5,4·10⁴ подается в прямоугольную полость с отношением высоты к ширине 0,16. В URANS- и LES-расчетах воспроизведен регистрировавшийся ранее в экспериментах, проведенных Лаусоном, Аррудой и Давидсоном в 2005 году, автоколебательный режим распространения струи. Показана существенная перестройка структуры течения и поля давления при подаче со стороны узкой боковой стенки управляющей струи, что дает возможность управления автоколебаниями вплоть до полного их подавления. Для трех различных положений отверстия для подачи управляющей струи построена карта режимов в зависимости от соотношения импульсов управляющей и основной струй. Расчетные данные дают количественную оценку возможностей управления струйным потоком за счет впрыска низкорасходной управляющей струи в область распространения основной струи перпендикулярно оси последней.

Статья посвящена экспериментальному исследованию структуры жидкого микрослоя в основании паровых пузырей при кипении воды в условиях свободной конвекции с использованием метода светодиодной (LED) интерферометрии и прозрачной конструкции тепловыделяющей поверхности. Получены профили микрослоя в различные моменты времени и проанализировано влияние плотности теплового потока на его характеристики. Показано, что использованная методика позволяет с помощью достаточно простой оптической схемы получить актуальную информацию о структуре и динамике микрослоя под паровыми пузырями при кипении жидкости.

Рассматриваются экспериментальные данные по движению сверхтекучего гелия в U-образном цилиндрическом канале, заполненном засыпкой из металлических шаров. Представлена экспериментальная ячейка, результаты проведенных исследований в виде зависимостей положения границы раздела фаз пар - жидкость от времени. Обсуждаются различия характера колебаний этой границы в свободном канале и в стесненных условиях, причины возникновения таких движений. Показано, что в канале с монодисперсной пористой структурой амплитуда колебаний значительно снижается и возможно стационарное состояние межфазной поверхности.

Настоящая работа направлена на развитие способов активного управления вихревыми явлениями в гидротурбинах. Изучена структура течения за рабочим колесом модели гидротурбины Френсиса при дополнительной подаче управляющих струй. Исследование проведено в режиме частичной нагрузки гидротурбины Френсиса, в котором формируются крупномасштабные вихревые структуры, вызывая высокий уровень пульсаций давления. Активное управление основано на инжекции дополнительной струи воздуха через центр тела обтекания рабочего колеса. Приводятся результаты экспериментального исследования распределений скоростей, их пульсаций, а также пульсаций давления в случае дополнительной инжекции струй различной ориентации и расхода через центр рабочего колеса. Получено, что вне зависимости от ориентации управляющей струи происходит подавление пульсаций давления. Однако радиальная подача струи показывает наилучшее подавление вихревых структур, поскольку способствует снижению общей закрутки потока на выходе из рабочего колеса. Способ подачи струи напрямую влияет на формирование зоны возвратного течения за рабочим колесом. Результаты по определению оптимального угла инжекции струи согласуются с ранее полученными теоретическими оценками на основе линейного анализа устойчивости потока.

Представлены результаты экспериментального исследования нормальной интегральной излучательной способности (НИИС) лития, натрия и калия при плавлении и в жидком состоянии. Метод исследования - радиационный. Проведен анализ сопоставления результатов эксперимента с теоретическим расчетом НИИС по приближению Фута. Приведены обобщения по поведению основных теплофизических свойств металлов в области точки плавления с положением щелочных металлов в Периодической системе.