Моделирование гидродинамики и теплообмена при подъемном течении жидкого металла в канале прямоугольного сечения в компланарном магнитном поле


Авторы

Костычев П. В.1, Пятницкая Н. Ю.1, 2, Разуванов Н. Г.1, 2*, Свиридов Е. В.1

1. Национальный исследовательский университет «МЭИ», Красноказарменная ул., 14, Москва, 111250, Россия
2. Объединенный институт высоких температур РАН, ул. Ижорская, 13, стр.2, Москва, 125412, Россия

*e-mail: nikita.razuvanov@mail.ru

Аннотация

Выполнены исследования гидродинамики и теплообмена при подъемном течении жидкого металла в прямоугольном канале с соотношением сторон ~3/1 в компланарном магнитном поле при условии неоднородного (одностороннего) обогрева канала. Конфигурация течения приближена к теплообменному каналу системы охлаждения жидкометаллического модуля бланкета термоядерного реактора типа токамак. Эксперименты проведены на базе ртутного магнитогидродинамического стенда, входящего в состав магнитогидродинамического комплекса МЭИ—ОИВТ РАН. В условиях подъемного течения обнаружено значительное влияние термогравитационной конвекции, взаимодействие которой с внешним магнитным полем приводит в некоторых режимах к появлению и развитию неустойчивостей в ламинаризованном потоке. Представлены осредненные профили скорости, температуры стенки канала. Подробные измерения выполнены в поперечном сечении канала, удаленном от начала обогрева в области однородного магнитного поля и по длине канала. Магнитное поле приводит к подавлению турбулентного переноса, вследствие чего температура на обогреваемой стенке возрастает. Предлагается модель численного моделирования исследуемых величин в условиях, соответствующих эксперименту. В ходе численного моделирования решалась система дифференциальных уравнений: уравнение неразрывности, уравнение движения для трех компонент скорости и уравнение энергии. В уравнение движения учитывалась сила плавучести (свободная конвекция) и электромагнитная сила. Для расчета электромагнитной силы вводился потенциал электрического поля и решалось соответствующее уравнение. Для учета турбулентности использовалась модель Рейхардта, адаптированная для прямоугольного канала. В магнитном поле турбулентная вязкость принималась равной нулю. Сравниваются результаты расчета и эксперимента в диапазоне режимных параметров по числам Рейнольдса Re = 10 000–55 000, Гартмана Ha = 0–800, Грасгофа Grq = 0—6·108. Результаты расчетов удовлетворительно совпадают с опытными данными в режимах течения, где эффект, связанный с развитием неустойчивостей, вызванных термогравитационной конвекцией, отсутствует или относительно мал.


Ключевые слова:

магнитная гидродинамика, теплообмен, термогравитационная конвекция, поля скорости и температуры, коэффициенты теплоотдачи, численное моделирование

Библиографический список

  1. Велихов Е.П., Ковальчук М.В., Азизов Э.А. Гибридный термоядерный реактор для производства ядерного горючего с минимальным радиоактивным загрязнением топливного цикла. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 2014. Т. 37. Вып. 4. С. 5–10.

  2. ITER Organization. Annual report 2013// http://www.iter.org/ doc/www/content/com/Lists/list_items/Attachments/553/2013_iter_annual_report.pdf

  3. Wong C.P.C., Salavy J.-F., Kim Y., Kirillov I., Kumar E. Rajendra, Morley N.B. Overview of liquid metal TBM concepts and programs // Fusion Engineering Design. 2008. V. 83. P. 850–857.

  4. Belyaev I.A., Genin L.G., Listratov Ya.I., Melnikov I.A., Sviridov V.G., Sviridov E.V. Liquid metal heat transfer specific in a tokаmak reactor // Magnetohydrodynamics. 2013. V. 49. P. 177–190.

  5. Belyaev I.A., Razuvanov N.G., Sviridov V.G., Ivochkin Yu.P., Listratov Ya.I. Temperature fluctuations in a liquid metal magnetohydrodynamic flow in a horizontal inhomogeneously heated tube // High Temperatures. 2015. V. 53. N 5. P. 734–741. https://doi.org/10.1134/S0018151X15050041

  6. Zikanov O., Listratov Ya.I., Sviridov V.G. Natural convection in horizontal pipe flow with strong transverse magnetic field // Journal of Fluid Mechanics. 2013. V. 720. P. 486–516.

  7. Генин Л.Г., Свиридов В.Г. Гидродинамика и теплообмен МГД-течений в каналах. М.: Изд-во МЭИ, 2001. 199 c.

  8. Брановер Г.Г., Цинобер А.Б. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред. М.: Наука, 1970. 383 c.

  9. Артемов В.И., Яньков Г.Г., Карпов В.Е., Макаров М.В. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена в элементах теплотехнического и энергетического оборудования // Теплоэнергетика. 2000. № 7. C. 52–59.

  10. Генин Л.Г., Листратов Я.И., Свиридов В.Г., Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Разуванов Н.Г. Экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена жидких металлов в магнитных полях // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 2003. Вып. 4. С. 35–44.

  11. Поддубный И.И., Разуванов Н.Г. Исследование гидродинамики и теплообмена при опускном течении жидкого металла в канале прямоугольного сечения в компланарном магнитном поле // Теплоэнергетика. 2016. № 2. C. 13–21.



Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024