Колебательные процессы при течениях в каналах со сложным поперечным сечением

2
Содержание
Введение...............................................................5
/. Гидродинамика в каналах со сложным поперечным сечением. 7
1.1. Классификация каналов со сложным поперечным сечением 7
1.2. Особенности гидродинамики в каналах типа ТВС и их аналогов в последних исследованиях..........................................10
1.2.1. Поля скорости в ТВС быстрых реакторов.....................10
1.2.2. Турбулентный межканальный обмен импульсом в ТВС с гладкими твэлами......................................................20
1.2.3. Гидродинамические эффекты в продольном течении в сборках гладких стержней................................................... 22
1.2.4. Сопротивление трения в плотных пучках.....................26
1.2.5. Вибрации стержней в продольном турбулентном потоке и некоторые критические явления гидроупругости......................... 29
1.2.6. Современные физико-математические алгоритмы для расчёта потоков в каналах со сложным поперечным сечением.......................37
1.3. Проявление неустойчивости в потоках жидкости в каналах сложного поперечного сечения.....................................38
1.4. Постановка задачи.............................................43
//. Экспериментальные наблюдения колебательных процессов при течении в каналах сложного поперечного сечения...................44
11.1. Физическая модель............................................44
11.2. Исследуемые модели и их характерные черты....................47
II.2.1.Канал прямоугольного сечения с прямоугольной возвышенностью 47
И.2.2.Модель трубы с цилиндрической вставкой......................48
з
11.2.3.Канал квадратного сечения с цилиндрической вставкой...........49
П.2.4.Модель трубы стремя цилиндрическими вставками..................50
II.2.5.Модель трубы с двумя параллельными пластинками................51
11.3. Методика экспериментов и результаты наблюдений....................52
И.3.1.Канал прямоугольного сечения с прямоугольной возвышенностью 52
11.3.2.Труба с цилиндрической вставкой...............................56
11.3.3.Канал квадратного сечения с цилиндрической вставкой...........60
11.3.4.'Труба стремя цилиндрическими вставками.......................63
11.3.5.Труба с двумя параллельными пластинками.......................66
11.4. Сходства и различия проявления колебательных процессов для всех моделей..........................................................68
II.4.1.Общие черты...................................................68
II.4.2.Отличительные черты...........................................69
///. Теоретическое обоснование картины течения в каналах со сложным поперечным сечением...............................................70
ІІІ.1.Общее описание....................................................70
III.1.1. Основные определения неустойчивости Кельвина-Гельмгольца 70
III. 1.2. Простые известные примеры НКГ..............................73
III. 1.3. Неустойчивость струй.......................................74
111.2.Колсбания двух смежных однородных потоков.........................75
111.2.1. Общее описание..............................................75
111.2.2. Нейтральные колебания.......................................77
111.2.3. Тонкий промежуточный слой...................................78
Ш.З.Колебание продольного градиента давления.......................... 80
Ш.4.Учёт гидродинамических колебаний в расчетных моделях течений в каналах с СПС...............................................82
4
1ІГ.5.Математическая модель качественного описания колебательных процессов в каналах сложного поперечного сечения........83
Заключение...................................................86
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ...........................................87
Приложения...................................................94
5
Введение.
Достаточно мною каналов, встречающихся на практике, имеют сложное поперечное сечение (СПС), что обусловлено их функциональным предназначением. Такие каналы широко используются в различных теплообменных и технологических аппаратах, а также встречаются в природе.
Каналы, чьи структурные составляющие находятся на расстояниях соразмерных их собст венным поперечным сечениям, представляются задачей, на сегодняшний день, не сложной, они хорошо рассмотрены и обсчитаны, наилучшие программы исследованы в [1].
Достаточно подробно рассмотрены и имеют много различных физико-математических моделей обсчёта сгатическис задачи каналов со сложным поперечным сечением, получены распределения скоросгей и температур по сечениям. Несколько таких моделей представлено в [1]. Трехмерные динамические задачи слишком сложны для расчётов, поэтому модели рассматриваются усредненно по времени [1,2].
При уменьшении зазоров между канальными элементами гидродинамика усложняется. Наиболее сложные из таких каналов имеют поперечное сечение в виде многосвязной области, включающей ячейки, соединённые узкими зазорами, как в тепловыделяющих сборках (ТВС) ядерного реактора (ЯР). Расчёты статических характеристик течений таких каналов даются с ошибкой до 10% [1]. Динамическая картина течений в таких каналах имеег лишь статистическое описание, и выражена дополнительными коэффициентами в формулах статических характеристик [4-7]. В настоящее время проводится множество экспериментов и наблюдений течений па тесных пучках стержней. Хорошо изучено распределение скоростей в поперечном сечении канала [5], из которого хорошо видно, что различие скоростей в зазоре и ячейках достигает 30-50%, ч го является характерной предпосылкой появлению неустойчивости Кельвина-Гельмгольца (НКГ), а
6
вследствие чего и к возникновению колебательных процессов в канале. Характерным признаком проявления колебательных процессов в каналах с СПС является наличие вибрации в них [6], которая обуславливается присутствием в канале гармонических составляющих, имеющих не случайный характер.
Первые наблюдения неустойчивости в каналах с СПС были проведены Аиным Е.М в [3]. Были получены экспериментальные результаты в жидкости и сделаны предположения типе неустойчивости как неустойчивости Кельвина-Гельмгольца.
Представленные результаты в работе [3] показывают значительное влияние колебательных процессов в каналах с СПС, а работы |4-7] важность учёта колебательных процессов при рассмотрении трёхмерной динамической задачи для каналов с малыми зазорами между структу рными элементами.
Изучение гидродинамических колебаний в каналах с СПС позволяет управлять процессами тепломассобмена между ячейкой и зазором, являющейся важнейшей задачей на сегодняшний день для ТВС ЯР, а также межканального обмена импульсом, учитывать колебательные процессы при расчётах сопротивления канала и установить контроль и управления за вибрацией.
В данной работе рассматривается динамическая лрёхмерная задача для каналов с СПС. Представлены экспериментальные подтверждения наличия колебательных процессов в каналах с различной геометрией «ячейка - зазор -ячейка». Приведены теоретические обоснования их проявления. Представлены экспериментальные данные по влиянию колебательных процессов на сопротивление каналов, а также по вибрации.
Также рассмотрены физическая модель течений в канале со структурой «ячейка - зазор - ячейка». Представлены возможные теоретические обоснования проявления колебательных процессов в каналах с СПС. Предложены рекомендации по учёту колебательных процессов в существующих расчета течений в таких каналах.
7
I. Гидродинамика в каналах со сложным поперечным сечением.
I. 1. Классификация каналов со сложным поперечным сечением.
Каналы классифицируются по следующим характеристикам:
1. изменчивость поперечного сечения вдоль канала
2. кривизна оси канала
3. гидравлическая гладкость каналов
4. геометрия поперечного сечения
5. протяжённости канала относительно длины участка стабилизации потока
В данной работе целью стоит наблюдение колебательных процессов, которые
зарождаются, развиваются и стабилизируются внутри канала. Поэтому в канале должны быть исключены все не гидродинамические факторы, которые могут вызвать колебания. Также необходимо исключить привнесение колебаний извне канала.
Рассматриваются каналы постоянного поперечного сечения, прямые и гидравлически гладкие. Длина канала подбирается в несколько раз больше участка стабилизации.
По геометрии поперечного сечения каналы классифицируются в первую очередь на простые и сложные. Сложными являются те, течения в которых являются совокупностью нескольких потоков, с различными гидродинамическими характеристиками.
Наиболее распространенными и привлекающими к себе внимание исследователей каналами с вышеуказанными характеристиками являются ТВС ЯР.
Практически все современные ТВС ЯР представляют собой систему продольно омываемых стержней - ТВЭЛов - цилиндрического сечения (пучки стержней).
8
Такие каналы обычно делят на две группы в зависимости от относительного шага s/d (рис.1)
Пучки с относительным шагом s/d > 1,15 относят к раздвинутым пучкам, при меньшем относительном шаге s/d <1,1 имеем тесные пучки.
Для раздвинутых пучков гидродинамика достаточно хорошо изучена и описана.
При переходе к тесным пучкам поток делится на несколько потоков различных скоростей. Взаимодействие таких потоков достаточно сложное и поэтому в нём проявляются все составляющие общей картины течения: трендовая, гармоническая и случайная.
В данной работе уделено внимание именно таким типам каналов.
Колебательные процессы в каналах с СПС является следствием взаимодействия потоков, на которые распадается течение рабочего тела. Поэтому такие каналы различаются также и по геометрии границы раздела потоков. На рис.2 приведены характерные модели геометрии зазоров в каналах с СПС.
9
а)
Рис. 2 Разновидности границ раздела ячейка - зазор.
Границы могут иметь относительно резкий переход, как в случае, если стержни будут иметь прямоугольное сечение (рис.2 а). Другой предельный случай плавный переход, для случая крайних стержней, где рассматривается поток между стержнем и обшивкой канала и потоки в прилегающих ячейках (рис.2 г). Па рис.2 б представлен зазор между двумя цилиндрическими стержнями, а на рис.2 в зазор между цилиндрическим стержнем и стенкой канала. Эти два случая являются промежуточными по резкости перехода от ячейки к зазору.
Кроме резкости границы зазор ячейка, играет важную роль размеры области зазора. Как видно из рис. 2, для каналов с СПС мы имеем картину двух ячеек и зазора между ними, а следовательно есть две границы раздела. Неустойчивости границ разделены зазором и их взаимодействие и взаимовлияние зависит от ширины и геометрии зазора, который их разделяет.
б) в) г)