Экспериментальное исследование температурных полей в кольцевом канале со спиральным ребром при течении жидкого металла Крылов Сергей Геннадьевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Современное состояние вопроса 16

1.1 Течение и теплообмен на гидродинамическом начальном участке 16

1.2 Исследования гидродинамики и теплообмена при течении жидких металлов в круглой трубе

1.3 Гидродинамика и теплообмен при течении в кольцевых каналах 20

1.3.1 Сопротивление трения при течении ЖМ в кольцевом канале 20

1.3.2 Теплообмен при течении в кольцевых каналах 22

1.4 Выводы по Главе 1 27

Глава 2 Экспериментальные исследования 29

2.1 Экспериментальный стенд 29

2.1.1 Постановка задачи 29

2.1.2 Опытный участок 29

2.1.3 Конструкция нагревателя 33

2.1.4 Экспериментальный контур 34

2.2 Система измерений 40

2.2.1 Общие положения 40

2.2.2 Подсистема измерения силовых сигналов 43

2.2.3 Подсистема измерения режимных параметров 44

2.2.4 Подсистема перемещения зонда 45

2.2.5 Подсистема зондовых измерений 45

2.2.6 Программа измерений 46

Глава 3 Методика исследований 49

3.1 Методика определения тепловых потерь 49

3.2 Методика определения координаты датчика зонда 50

3.3 Методика исследования полей температуры 52

3.3.1 Методика исследования радиального распределения температуры. 53

3.3.2 Методика исследования температуры на различных угловых расстояниях от ребра

3.3.3 Методика определения статистических характеристик температурных пульсаций .

3.4 Методика определения коэффициентов теплоотдачи 58

3.4.1 Методика определения плотности теплового потока 60

3.4.2 Методика определения температуры обогреваемой стенки 60

3.4.3. Методика определения среднемассовой температуры жидкости 61

3.4.4 Методика определения расхода 62

3.5 Методика определения скорости 63

3.6 Неопределенности измерений 66

Глава 4 Результаты исследований 72

4.1 Результаты исследований полей температуры 72

4.1.1 Результаты первого этапа исследований 73

4.1.2 Результаты второго этапа исследований

4.2 Результаты исследований распределения скорости 92

4.3 Выводы по Главе 4 95

Заключение 96

Список литературы 98

• Сопротивление трения при течении ЖМ в кольцевом канале
• Конструкция нагревателя
• Методика определения координаты датчика зонда
• Результаты первого этапа исследований

Введение к работе

Актуальность работы. В настоящее время активно ведутся разработки атомных электростанций с реакторами на быстрых нейтронах. Одним из таких реакторов является реактор БРЕСТ. При проектировании изделий активных зон подобных энергоустановок используется современная компьютерная техника и различные расчетные коды. Надежность расчетов по используемому коду должна быть проверена экспериментально на модели активной зоны разрабатываемого реактора. Очевидно, что для проведения надежного тестирования кода необходимо иметь экспериментальные данные по полям скорости и температуры. В конструкцию изделий активной зоны быстрых реакторов, в том числе и реактора БРЕСТ-ОД-300, будут входить элементы, в которых реализуется течение с закруткой потока жидкометаллического теплоносителя. Жидкий металл прокачивается через каналы, элементарной ячейкой которых является кольцевой канал со спиральным ребром. Недостаток подробных экспериментальных данных по распределению температур для такой конфигурации течения, ставит вопрос о необходимости проведения теплофизических экспериментов.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена получению экспериментальных данных по полям температуры и распределению скорости при подъемном течении жидкого металла в кольцевом канале со спиральным ребром; проведению уникальных исследований гидродинамики и теплообмена с закруткой потока жидкого металла. Полученные данные могут быть использованы при проектировании активных зон реакторов на быстрых нейтронах, а также для тестирования CFD-кодов, применяемых при проектировании атомных реакторов с жидкометаллическими теплоносителями.

Научная новизна работы. Впервые проведены детальные исследования полей температуры, полей скорости, полей интенсивности турбулентных пульсаций температуры и распределения локальных коэффициентов теплоотдачи при течении жидкого металла (ЖМ) в кольцевом канале со спиральным ребром. Исследования проведены в диапазонах чисел Re=4,810^2,610⁴; Ре=12(Ы670. Полученные результаты соответствуют теоретическим представлениям о влиянии оребрения на теплообмен ЖМ и могут являться базой для верификации кодов численного моделирования.

Практическая ценность работы. Полученные опытные данные о распределении температуры и распределении скорости при течении жидкого металла в макете тепловыделяющей сборки реактора с жидкометаллическим теплоносителем могут быть использованы для тестирования расчетных кодов, используемых при проектировании реакторов нового поколения на быстрых нейтронах. В результате выполненных автором исследований обнаружены эффекты, наличие которых должно быть учтено при проектировании энергетических установок с жидкометаллическими теплоносителями, в том числе ядерных реакторов типа БРЕСТ.

На защиту выносятся результаты экспериментальных исследований
температурных полей, распределения скорости, распределения интенсивностей
турбулентных пульсаций температуры и локальных коэффициентов

теплоотдачи при подъемном течении жидкого металла в кольцевом канале со спиральным ребром.

Достоверность результатов работы обеспечивается:

1. Использованием зондовой методики измерений, которая хорошо себя зарекомендовала и была многократно апробирована в ранее проведенных исследованиях, предварительной тарировкой всех используемых датчиков.

2. Автоматизацией эксперимента с помощью современного оборудования и прикладных программ, первичной обработкой экспериментальных данных, выполненной в программной среде, обладающей обширной библиотекой прикладных математических программ.

3. Воспроизводимостью полученных опытных результатов и их согласованностью с имеющимися в литературе теоретическими и опытными данными, полученными в близких условиях.

Положения, выносимые на защиту

4. Методика зондовых измерений полей температуры и распределения скорости в потоке жидкого металла в кольцевом канале со спиральным ребром.

5. Результаты экспериментального исследования температурных полей и полей интенсивности пульсаций температуры при подъемном течении жидкого металла в кольцевом канале со спиральным ребром.

6. Результаты экспериментального исследования распределения скорости в потоке жидкого металла при подъемном течении в кольцевом канале со спиральным ребром.

7. Результаты экспериментального исследования распределения локальных коэффициентов теплоотдачи при подъемном течении жидкого металла в кольцевом канале со спиральным ребром.

Личный вклад автора заключается в:

8. Изготовлении и монтаже рабочего участка на экспериментальном стенде.

9. Изготовлении автоматизированной системы научных исследований, изготовлении и градуировки измерительных датчиков.

10. Разработке методики проведения исследований.

11. Проведении серий экспериментов по измерению профилей скорости, полей температуры и статистических характеристик температурных пульсаций в широком диапазоне чисел Рейнольдса и плотностей теплового потока при обогреве внутренней трубы кольцевого канала со спиральным ребром при подъемном течении жидкометаллического теплоносителя.

12. Анализе полученных результатов.

13. Обобщении экспериментальных данных, полученных при различных значениях режимных параметров.

14. Подготовке статей для публикации в журналах «Теплоэнергетика», «Thermal Engineering», «Тепловые процессы в технике».

Апробация работы

Результаты работы докладывались на:

15. Шестой Российской национальной конференции по теплообмену, г. Москва, 2014 г.

16. Научно-технической конференции «Теплофизика реакторов нового поколения», г. Обнинск, 2015 г.

17. Конференции молодых специалистов «Инновации в атомной энергетике», г. Москва, 2015 г.

18. Научно-технической конференции «Теплофизика реакторов нового поколения», г. Обнинск, 2016 г.

19. Международной конференции молодых специалистов ученых и аспирантов по физике ядерных реакторов, г. Тверь, 2016 г.

20. Минском международном форуме по тепломассообмену, Минск, 2016 г.

Публикации

Основные результаты и положения диссертационной работы изложены в 7 публикациях, из них 2 в рецензируемых журналах из списка ВАК (в том числе одна публикация в журнале, цитируемом в базе SCOPUS), 4 статьи в трудах конференций и одна в тезисах конференций (из них две статьи, посвященные исследованию гидравлических и теплообменных характеристик изделий активной зоны быстрых реакторов, опубликованы в журналах, входящих в национальную библиографическую базу данных научного цитирования). Еще одна статья принята к публикации и будет выпущена в рецензируемом журнале Тепловые Процессы в Технике, №8, 2017.

Структура и объем диссертации

Диссертация общим объемом 102 страницы состоит из введения, четырех глав и заключения, содержащего основные выводы по работе. Список цитируемых источников составляет 51 наименование.

Сопротивление трения при течении ЖМ в кольцевом канале

Экспериментальные данные по теплоотдаче разных авторов довольно существенно отличаются. По-видимому, в основном это связано с методикой определения температуры стенки и наличием в жидких металлах примесей. Как показано в работах [32, 33] при значительном содержании окислов в жидком металле вблизи поверхности теплообмена образуется область потока теплоносителя, которая обладает повышенным термическим сопротивлением. При увеличении содержания окислов до 0,1 вес.% контактное термическое сопротивление достигает предельного значения, Коэффициенты теплоотдачи при этом снижаются примерно на 30% и хорошо описываются формулой Nu=3+0,014Pe0 8 (1.6) Однако данные большинства исследований теплообмена находятся между двумя приведенными зависимостями - зависимостью Лайона (1.4) и зависимостью (1.5). При возрастании числа Пекле различия между этими формулами становятся несущественными.

Анализ экспериментальных и расчетно-теоретических исследований показывает, что коэффициент гидравлического сопротивления трения при стабилизированном течении ЖМ в кольцевом канале слабо отличается от коэффициента гидравлического сопротивления трения при течении в круглых трубах [15]. Данное утверждение справедливо, если при расчетах коэффициента гидравлического сопротивления трения в качестве характерного размера использовать гидравлический (эквивалентный) диаметр

В таблице 1.1 приведены значения отношения коэффициентов гидравлического сопротивления трения в кольцевой и круглой трубах tygo в зависимости от отношения величины наружного диаметра внутренней трубы кольцевого канала к внутреннему диаметру наружной трубы d\/d2 (рисунок 1.3) для двух значений числа Re [15]. Ri - наружный радиус внутренней трубы R2 - внутренний радиус наружной трубы Рисунок 1.3 - Схематичное изображение поперечного сечения кольцевого канала

По вычисленному значению коэффициента гидравлического сопротивления трения для круглой трубы о по таблице 1.1 можно найти гидравлический коэффициент сопротивления трения для кольцевого канала Гидравлическое сопротивление (перепад давления) при протекании теплоносителя в кольцевом канале длиной / определяется по формуле Дарси-Вайсбаха, где в качестве характерного размера используется гидравлический диаметр (dг) 2 dr

Теплообмен при течении в кольцевых каналах Исследование теплообмена в кольцевых каналах является одной из важных задач исследователей, так как поверхности нагрева теплообменных аппаратов и каналы ядерных реакторов нередко выполняются в виде труб кольцевого сечения. Теплообмен в кольцевом канале может происходить через одну, или обе стенки. Плоский канал можно рассматривать как предельный случай кольцевого канала, с значением R1/R2 (рисунок 1.3) стремящимся к 1.

Основываясь на результатах теоретического расчета и наиболее надежных опытных данных, Б. С. Петухов и Л.И. Ройзен [34] предложили интерполяционные уравнения, охватывающие диапазон значений d1/d2 от 0,03 до 1, Pr – от 0,7 до 100 и Re – от 104 до 106. Эти уравнения имеют вид Null00 = Num Nu22oo = Num где Nu11O0- число Нуссельта на внутренней стенке кольцевого канала при обогреве только внутренней стенки (при адиабатной внешней стенке); Nu22m- число Нуссельта на наружной стенке кольцевого канала при обогреве только наружной стенки (при адиабатной внутренней стенке); Num - предельное число Нуссельта для круглой трубы; п=0,16Рґ015; Х- поправочный коэффициент, учитывающий, что для кольцевых труб с di/d2 0,2 число Ми11оослабее зависит от Re, чем для круглой трубы: Х = 1 + 7,5- [( -5)-Re-1] (U1) При di/d2 0,2 значение Х=1. Результаты измерений и расчетов показывают, что зависимость числа Нуссельта от числа Рейнольдса (Nu=f(Re)) для труб кольцевого сечения остается такой же, как и для круглых труб. Исключение составляет случай, когда di/d2 0,2, в этом случае эта зависимость (Nu=f(Re)) несколько слабее. Предельные числа Нуссельта при одностороннем обогреве показаны на рисунке 1.4. Зависимости чисел Нуссельта на внутренней (/=1) и внешней (/=2) стенках кольцевого канала при одностороннем обогреве от di/d2

Более высокая теплоотдача на внутренней стенке по сравнению с наружной объясняется тем, что градиент скорости и, следовательно, само значение скорости вблизи внутренней стенки выше, чем вблизи наружной. С увеличением d\/d2 это различие исчезает.

Теплообмен при течении жидких металлов в кольцевых каналах исследован еще не полно. Основываясь на результатах теоретического расчета, проведенного Бейли, Лайон [35] рекомендуют следующее уравнение для предельного числа Нуссельта при обогреве только внутренней стенки (и при теплоизолированной наружной стенке) Nu1100 = (5,2 + 0,019 Ре0-8) ( ) 0,3 (1.12) от dj Это уравнение справедливо в диапазоне значений d\/d2 = 0,04 - 1, Re=104 - 106, Pe=5102 - 104. Н. И. Булеев [36] на основе проведенных им расчетов получил уравнение для теплоотдачи на наружной стенке кольцевого канала (при теплоизолированной внутренней при 0,5 d/d2 1)

Конструкция нагревателя

По заданию АО «НИКИЭТ» для НИУ «МЭИ» было необходимо провести прецизионные экспериментальные исследования полей температуры и распределения скорости при течении жидкого металла в кольцевом канале с винтовым оребрением для чисел Рейнольдса от 1104 до 2,5104 и плотностей теплового потока от 1104 до 4104 Вт/м2. Полученные данные будут использоваться для тестирования расчетных кодов, используемых при проектировании тепловыделяющих сборок реакторов на быстрых нейтронах.

Подобные исследования на полномасштабных тепловыделяющих сборках крайне сложны, поэтому измерения полей температуры и полей скорости проводились на сконструированном совместно с АО «НИКИЭТ» опытном участке, имитирующем элементарную ячейку одного из возможных вариантов активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-300 с дистанционированием ТВЭЛов при помощи спиральных ребер.

Рабочая часть опытного участка представляет собой кольцевой канал, образованный двумя трубами длинной 0,95 м. Размеры внутренней трубы 12х1мм, внешней – 30х1,5 мм. К поверхности внутренней трубы приварено спиральное ребро (рисунок 2.1) с шагом 400 мм, высотой 7,5 мм и толщиной 2 мм. Все конструкционные элементы опытного участка (входная камера, внутренняя труба, внешняя труба, ребро, выходная камера) изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Фотография внутренней оребренной трубы представлена на рисунке 2.2. Приварка ребра к внутренней трубе осуществлялась АО «НИКИЭТ». Изготовление остальных элементов опытного участка, его сборка и монтаж на экспериментальны контур сотрудниками кафедры ИТФ НИУ «МЭИ».

Фотография оребренной трубы Схема опытного участка с вставленным в него измерительным зондом изображена на рисунке 2.3. Фотография опытного участка представлена на рисунке 2.4. - Опытный участок, 2 - Измерительная термопара, 3 – Термопарный зонд,

При проведении исследований в опытном участке реализуется подъемное течение. ЖМ поступает через патрубок во входной камере, затем проходит через опытный участок и выходит через патрубок выходной камеры (рисунок 2.3). Обогрев осуществляется при помощи электронагревателя типа ТЭНП, вставленного во внутреннюю трубу. Конструкция нагревательного элемента описана в разделе 2.1.3.

Для получения экспериментальных данных по полям температуры и распределению скорости использовался зонд шарнирного типа. Для зондовых измерений температурных полей на различных расстояниях от ребра в опытном участке предусмотрена возможность поворота внутренней обогреваемой трубы вокруг своей оси. Методика описанных исследований приведена в главе 3. Уплотнение этой трубы в нижней камере осуществлено с помощью сальника, обеспечивающего возможность ее поворота. Угловая координата (,) отсчитывается от точки касания королька термопары, расположенной на измерительном зонде, поверхности ребра вблизи обогреваемой стенки.

Нагреватель, вставляемый во внутреннюю трубу изготавливался по следующей технологии. На трубку из нержавеющей стали наружным диаметром 6 мм надевался стеклочулок, который затем пропитывался термостойким лаком. Нихромовая лента шириной 4 мм и толщиной 0,2 мм заправлялась в стеклочулок, равномерно наматывалась на трубку и также пропитывалась лаком. Поверх этой конструкции надевался еще один стеклочулок и также пропитывался лаком. (рисунок 2.5) В таком виде смазанный термопастой КПТ-8 нагреватель вставляется во внутреннюю оребренную трубу.

Конструкция нагревателя: Питание нагревательного элемента осуществляется при помощи гальванически развязанного источника типа EA-PSI 8720-15 2U максимальной мощностью 3 кВт (рисунок 2.6). Для проведения экспериментов использовалась «Уникальная научная установка (УНУ)-Ртутный МГД-стенд» кафедры Инженерной теплофизики «МЭИ». В качестве модельной жидкости при проведении экспериментов использовалась ртуть. Основное достоинство ртути, по сравнению с другими жидкометаллическими теплоносителями - возможность проведения исследований при комнатных температурах. Что значительно упрощает конструкцию экспериментальных установок и проведение эксперимента. Помимо этого, ввиду своей низкой теплопроводности ртуть обеспечивает более высокую точность (по сравнению с опытами на других жидких металлах) при проведении исследований полей температур и коэффициентов теплоотдачи. Результаты полученных на ртути экспериментов могут быть методами теории подобия перенесены на другие жидкометаллические теплоносители.

На рисунке 2.7 показана схема экспериментального жидкометаллического ртутного контура. Ртуть из резервуара с помощью насоса поступает в переливной бак (расположенный на высоте 3-х метров относительно нижней отметки экспериментального контура), с помощью которого поддерживается постоянство расхода в опытном участке. Часть ртути из переливного бака стекает по переливной трубке обратно в резервуар. Основная часть ртути продолжает движение по контуру и поступает в опытный участок. Далее ртуть проходит через расходомер (труба Вентури), регулирующий вентиль, холодильник типа труба в трубе необходимый для компенсации тепловой мощности подводимой теплоносителю электронагревателем в опытном участке и возвращается в резервуар насоса.

Методика определения координаты датчика зонда

При запуске программы в автоматическом режиме производится измерение сопротивления термопары зонда, проверка целостности измерительных линий, работоспособности реле коммутатора. По запросу оператора производится самокалибровка вольтметров NI PXI 4071. При выходе на режимные параметры программно реализована возможность ожидания стабилизации режимных параметров до относительного изменения не более 5% в течении 5 минут.

В ходе эксперимента с частотой не менее 0,5 Гц опрашиваются показания подсистемы силовых параметров, с частотой не менее 0,25 Гц опрашиваются показания подсистемы режимных параметров.

При отклонении параметров более чем на 5% от начальных срабатывает оповещение оператора. При отклонении более чем на 10% автоматическое проведение эксперимента приостанавливается до указаний оператора. При выходе значений определяемых режимных параметров за установленные допустимые пределы срабатывает аварийное отключение нагревателя. Данные об обеспечении стабильности параметров выводятся в файл. В файле сохраняются ток в цепи нагревателя, напряжение на нагревателе, температуры термопар входа, выхода, показания тепломеров, расход рассчитанный по тепловому балансу, расход рассчитанный по показаниям дифманометра сужающего устройства, а также рассчитанные для свойств, взятых по среднемассовой температуре критерии подобия (число Рейнольдса, число Грасгофа).

Перед началом автоматических зондовых измерений создается файл, в котором сохраняются режимные параметры на момент начала эксперимента.

В ходе зондовых измерений программа осуществляет последовательное перемещение микротермопары зонда (либо корреляционного датчика скорости) в каждую из примерно одиннадцати узловых точек координатной сетки. В каждой точке по заданной программе производится следующая последовательность измерений: 1) Получение и запись осциллограммы показаний термопары зонда. 2) Получение среднего значения температуры (либо скорости). 3) Получение значения интенсивности пульсации температуры термопары зонда. В то же время производится: 1) Измерение среднемассовой температуры ртути на входе и выходе из опытного участка, температуры ртути в дифманометре, температуры воздуха. 2) Измерение напряжения и силы тока на нагревателе. 3) Контроль напряжения на тепломерах. 4) Вычисление расхода ртути по тепловому балансу. Разработанная система измерений позволяет получать большой объем экспериментальных данных по распределению температуры, пульсаций температуры и скорости в потоке жидкого металла в исследуемом сечении опытного участка. Полученные результаты позволяют построить поле температуры и распределение скорости в исследуемом сечении и, в том числе, определить температуру во всех точках касания термопарой стенки, то есть распределение температуры стенки Тс по периметру обогреваемой трубы, необходимое для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи. Глава

Для определения тепловых потерь с поверхности опытного участка использовались тепломеры. Описание конструкции тепломеров приведено в главе 2. После установки тепломеров на рабочем участке выполнялась их градуировка. Градуировка проводилась на незаполненном ртутью контуре следующим образом: 1. При помощи вакуумного насоса удалялся воздух из рабочего участка. Остаточное давление воздуха в рабочем участке при проведении тарировки тепломеров составляло 610-6 мм. рт. ст. (не более). 2. На нагреватель подавалось небольшое напряжение и после установления стационарного режима производились измерения показаний тепломеров. По результатам таких измерений при нескольких различных нагрузках строился график зависимости тепловых потерь от показаний тепломеров. Полученная зависимость аппроксимировалась линейной функцией и закладывалась в программу измерений, управляющую измерительной системой (см. главу 2). Характерный вид зависимости значений тепловых потерь от ЭДС тепломеров показан на рисунке

Для определения координаты точки в которой производится измерение температуры (или скорости) в исследуемом опытном участке измерительный зонд снабжен двумя индикаторами часового типа (см. раздел 2.1.4). Для того чтобы связать показания каждого из индикаторов (индикаторы перемещения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях) с действительными координатами точки кольцевого канала, в которой в данный момент располагается датчик измерительного зонда (термопара или корреляционный датчик скорости) проводится предварительная тарировка зонда. Для проведения тарировки измерительной зонд жестко фиксируется в горизонтальной плоскости. Для контроля горизонтальной фиксации измерительного зонда используется профильный уровень. В процессе тарировки задается перемещение датчика измерительного зонда при помощи координатного механизма поочередно в двух различных взаимно перпендикулярных плоскостях ("продольное перемещение", "поперечное перемещение"). Значение положения координатника определяется по показаниям соответствующих индикаторов, а перемещение кончика зонда определяется с помощью катетометра КМ-8. Цена деления индикатора часового типа и цена деления катетометра равны 0,01 мм.

В процессе проведения исследований использовались зонды различной длины. Характерный результат тарировки зонда показан на рисунке 3.2. Этот график подтверждает независимость соотношения длин внутреннего и наружного плеч зонда от перемещения датчика зонда по обоим взаимно перпендикулярным направлениям ("продольное перемещение", "поперечное перемещение"). Это соотношение, определяемое тангенсом угла наклона тарировочной прямой, равно 1,75 (для зонда длиной 216,8 мм).

Распределение скорости и температуры жидкого металла исследовалось с использованием зондовых методов, хорошо отработанных на стендах МЭИ-ОИВТ РАН. Данная работа представляет собой дальнейшее развитие методики зондовых измерений в потоке жидкого металла в кольцевых каналах со спиральным ребром. Использование зондовых методов позволяет получить не только температуру теплоотдающей поверхности, но и более полную информацию - поле температуры в исследуемом сечении. Именно эта информация и является наиболее ценной для тестирования расчетных кодов, используемых при теплогидравлических расчетах.

Осредненная температура в каждой точке потока определяется с помощью АСНИ как среднее по показаниям осциллограммы выборкой длиной не менее 20 секунд с частотой опроса до 1000 Гц.

Для повышения точности измерений необходимо увеличивать длину выборки. Однако при значительном увеличении количества измерений сильно возрастает время проведения эксперимента. Выбор длины выборки определяется текущей спектральной картиной температурных пульсаций, а именно тейлоровским макромасштабом турбулентности, длина выборки в проведенных исследованиях достигала 140 секунд. Для построения полей температуры и других величин в виде изолиний и поверхностей используется методика триангуляции с линейной интерполяцией.

Результаты первого этапа исследований

Полученная по [15] безразмерная температура стенки для кольцевого канала с соответствующими режимными параметрами (Re= 1,0104 , Gr= 2,1107) меньше, чем безразмерная температура стенки в исследуемом канале вблизи ребра. Рассчитанная по формуле для кольцевого канала [15] безразмерная температура стенки показана на рисунке 4.19 пунктиром. Этот график свидетельствует о том, что, что ребро в потоке жидкого металла локально ухудшает теплоотдачу, однако на значительном удалении от ребра безразмерный коэффициент теплоотдачи для исследуемого канала оказывается выше, чем безразмерный коэффициент теплоотдачи для кольцевого канала. Увеличение безразмерного коэффициента теплоотдачи вдали от ребра вероятно обусловлено влиянием закрутки потока. На рисунке 4.20 приведены обобщающие данные по теплоотдаче (C=1/Nu) в кольцевом канале со спиральным ребром для точек с максимальным и минимальным значением числа Nu на теплоотдающей поверхности. Минимальное значение Nu, и, следовательно, максимальное значение с достигаются в основании ребра (=0). Наибольшее значение Nu и минимальное С - вдали от ребра (150). На приведенном графике также нанесены данные, полученные в кольцевом канале с прямым ребром [37] и кривые, соответствующие полуэмпирическим формулам Лайона для кольцевого канала без ребра из работы Гариссона, Менке [38]:

Рисунок 4.20 - Данные по теплоотдаче в кольцевом канале Как показано на рисунке 4.20 спиральное ребро (как и прямое ребро в работе [37]) ухудшает теплоотдачу: значения с в основании ребра располагаются гораздо выше зависимостей, полученных в работах, посвященных исследованию теплоотдачи в кольцевых каналах без ребра [38, 39]. При этом в зоне напротив ребра локальная теплоотдача выше, а значения безразмерной температуры ниже зависимостей, полученных в работах [37, 38, 39]. Изображенная на рисунке 4.20 зависимость с(Ре) является характерной для всех исследованных режимов.

Исследование распределения скорости было проведено для чисел Рейнольдса Re от 8,0-103 до 2,0-104, Gr,=2,l-107, /с=4,0-104. Распределение безразмерной скорости, отнесенной к средней W = vz/v, по радиусу кольцевого зазора для различных угловых расстояний от ребра представлено на рисунке 4.21. Полученное распределение скоростей демонстрирует замедление потока теплоносителя вблизи поверхности ребра (=0). При удалении от ребра средняя скорость потока ртути увеличивается, а максимум локальной скорости смещается в сторону наружной стенки (R=7,5 мм).

Полученное распределение скорости соответствует полученному распределению температуры (рисунок 4.3). При приближении к поверхности ребра значение скорости уменьшается, а значение температуры обогреваемой стенки увеличивается. Увеличение скорости потока при удалении от ребра и смещение локального максимума скорости в сторону наружной стенки говорит о наличии закрутки потока. Что в свою очередь сопровождается увеличением теплоотдачи на значительном расстоянии от ребра (50 250).

На рисунке 4.22 а) представлены данные по распределению скорости v, 4.22 b) данные по распределению безразмерной скорости W в кольцевом канале на угловом расстоянии от ребра =90 для чисел различных чисел Рейнольдса.

На рисунке 4.23 представлены данные по распределению безразмерной скорости теплоносителя в кольцевом канале для R=4 мм на различных угловых расстояниях от ребра для различных чисел Рейнольдса.

По представленным данным видно, что при числах Рейнольдса больше 1,6104 становится существенным влияние закрутки потока на распределение скорости в кольцевом канале. По данным, приведенным на рисунке 4.22 b), видно, что при малых числах Рейнольдса Re 8103 для qc=4104 наблюдается начало влияния свободной конвекции – максимум скорости смещается по направлению к обогреваемой стенке. Так же влияние свободной конвекции ощущается на распределении скорости по периметру кольцевого канала (рисунок 4.23). При плотности теплового потока qc=4,0104 и числах Рейнольдса Re 1,2104 вследствие существенного перегрева обогреваемой стенки вблизи ребра возникает неустойчивая стратификация плотности теплоносителя. По этой причине возрастает влияние сил плавучести и, как следствие увеличение скорости теплоносителя вблизи ребра, и ввиду сохранения средней скорости по сечению, уменьшение скорости на значительном удалении от ребра (=180).