Рознин И.М, Листратов Я.И. (НИУ МЭИ, Москва, Россия), Беляев И.А. (ОИВТ РАН, Москва, Россия)
Введение
Проведено экспериментальное исследование характеристик теплообмена в горизонтальной трубе с односторонним обогревом нижней половины трубы под воздействием поперечного магнитного поля. Экспериментальные исследования выполнены на ртутном МГД-комплексе НИУ МЭИ – ОИВТ РАН в рамках многолетней программы сотрудничества.
1.Обзор ранее полученных результатов
1.1. Исследуемая базовая конфигурация
В работе исследуется следующая базовая конфигурация (рис. 1):
- горизонтальное течение жидкого металла в круглой трубе
- односторонний обогрев нижней половины трубы
- поперечное магнитное поле (МП)
Рис. 1. Исследуемая конфигурация теплообмена
Рассматриваемая конфигурация представляет практический интерес, поскольку, в частности, имитирует элементы системы охлаждения реактора-токамака, а именно верхний дивертор, где наблюдается схожая конфигурация течения.
d – внутренний диаметр трубы, σ– интенсивность пульсаций температуры,
η– динамический коэффициент вязкости, g – ускорение свободного падения,
β– коэффициент объемного термического расширения, w q – тепловой поток,
ν– кинематический коэффициент вязкости, λ– коэффициент теплопроводности,
u– скорость.
1.2. Ранее полученные экспериментальные данные
В ходе предыдущих этапов исследования на экспериментальной установке РК-2 в НИУ МЭИ, был получен следующий принципиальный результат. На рисунке 2 а изображена осциллограмма пульсации температуры без МП.
При воздействии МП на поток (Ha = 150), мы видим подавление турбулентности (рис. 2б). Затем, при дальнейшем увеличении МП (Ha = 300), возникают аномальные пульсации (квазигармонические температурные пульсации) с ярко выраженной частотой (рис. 2в). Это явление интересно как с фундаментальной, так и с практической точки зрения, поскольку за такими пульсациями температуры вблизи стенки, стоят пульсирующие термические напряжения стенки, что может привести к ее усталостному разрушению [3].
1.3. Численное моделирование
Причиной явления образования в МГД потоке жидкого металла квазигармонических пульсаций температуры является изменение структуры течения. В потоке происходит перестраивание из традиционного течения с двумя вихрями, оси которых направлены вдоль потока, в другую форму течения, где вихревые структуры ориентированы параллельно линиям магнитной индукции (Рис. 3). Эти структуры уносятся потоком и порождают характерную частоту, потому что они геометрически более или менее подобны.
Анализ полученных ранее экспериментальных данных [1] и численного моделирования [2] этих процессов показывает, что в определенном диапазоне чисел Гартмана течение не является ни ламинарным, ни турбулентным. В потоке наблюдаются устойчивые вихревые структуры, что приводит к образованию упорядоченных температурных пульсаций, превосходящих в несколько раз по интенсивности турбулентные пульсации при отсутствии магнитного поля.
2. Эксперимент
2.1. Экспериментальная установка
На стенде РК-3, расположенном в ОИВТ РАН, в качестве теплоносителя используется ртуть, опытный участок представлял собой горизонтально расположенную трубу из нержавеющей стали диаметром d = 19 мм и относительной длиной 100 калибров. Нагреватель расположен на последних 42 калибрах, обогревается нижняя половина трубки, поперечное магнитное поле однородно на участке 50 калибрах полностью покрывая область обогрева. Так же на стенде РК-3 появилась возможность плавно регулировать магнитное поле для того, чтобы более детально отследить как идет рост и развитие вихревых структур нового вида. Для измерений был использован шарнирный зонд (рис. 4) и одно сечение (выходное) было исследовано. Это сечение удалено от начала обогрева на 37 калибров (рис. 5).
Рис. 4. Шарнирный зонд
Рис. 5. Эпюра магнитного поля РК-3
2.2. Экспериментальные данные
На рисунке 7 показано распределение интенсивности температурных пульсаций, где сначала мы видим классическую картину подавления турбулентности МП ( см. рис. 7: Ha = 0–100), потом идет рост интенсивности пульсаций (см. рис. 7: Ha = 175–250). На участке кривой от Ha = 0–300 происходит изменение вида течения. Как видно на рис. 9, процесс изменения в другой вид течения проходит плавно, без каких-либо резких скачков. Затем, неожиданно, появляется горизонтальный участок (см. рис. 7: Ha = 250–350). Далее интенсивность растет до максимума (Ha = 700) и при дальнейшем повышении числа Гартмана пульсации начинают подавляться и, в итоге, полностью исчезают.
Рис. 7. Распределение безразмерной интенсивности температурных пульсаций в зависимости от величины приложенного магнитного поля Re = 10000, Gr = 8,6 ·10^7
Риc. 8. Развитие температурных пульсаций в некоторой точки потока в режиме Re = 10000, Gr = 8,6 ·10^7
Для представленного режима Re = 10000, Gr = 8,6 ·10^7 были измерены поля температуры (рис. 9а) и интенсивности пульсаций (рис. 9б), где можно отметить наиболее опасные участки, которые могут быть подвержены пульсирующим термическим напряжениям для стенки круглой трубы, поскольку пульсации температуры вблизи стенки снижаются не до нуля и, благодаря теплопроводности, даже проникают в стенку канала [3].
2.2. Сопоставление с ранее полученными данными
Характерная частота для пульсаций температуры определяется в основном полем скорости, связанным с расходом, и имеет линейную зависимость от числа Re. Что согласуется с ранее полученными данными (рис. 10).
Рис. 10. Характерные частоты пульсаций температуры при Gr = 8,6 ·10^7
Также экспериментальные данные по интенсивности пульсаций температуры на установке РК-3 хорошо согласуется с данными, полученными на стенде РК-2 (Рис. 11).
Выводы
В работе было рассмотрено течение жидкого металла в горизонтальной трубе с неоднородным обогревом снизу под воздействием поперечного магнитного поля. Воспроизведены режимы течения, сопровождающиеся квазигармоническими пульсациями температуры. Новые данные согласуются с ранее полученными в экспериментальных и расчетных работах. В более высоких магнитных полях обнаружено подавление аномальных пульсаций температуры.
В исследуемой конфигурации отмечены наиболее опасные участки потенциально подверженные усталостному разрушению.
Работа проведена при поддержке гранта Минобрнауки № 13.9619.2017/8.9.
Список литературы
- Belyaev, I. A., Ivochkin, Y. P., Listratov, Y. I., Razuvanov, N. G., & Sviridov, V. G. (2015). Temperature fluctuations in a liquid metal MHD-flow in a horizontal inhomogeneously heated tube. High Temperature, 53(5), 734–741.
- Zikanov, O., Listratov, Y. I., & Sviridov, V. G. (2013). Natural convection in horizontal pipe flow with a strong transverse magnetic field. Journal of Fluid Mechanics, 720, 486–516.
- Беляев И.А., Поддубный И.И., Разуванов Н.Г., Свиридов В.Г. Оценка влияния пульсаций температуры на конструкцию жидкометаллического модуля реакторатокамака. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. 2018. Т. 41. № 1. С. 41–52.
