Введение к работе
Диссертация Лежнина СИ. посвящена моделированию волновых пронсссот в такі- и парожидкостных средах с различной внутренней структурой.
Актуальность темы. Гидрогазодинамика двухфазных систем является одной из наиболее быстро развивающихся отраслей классических наук - гидрогазодинамики и тенлофн інки. Вследствие процессов взаимодействия "формы движения таких сред значительно многообразнее, а законы их существенно сложнее, чем формы движения и законы гидрогазодинамики однородных сред" (Кугателадзе С.С 1976). В течение последних десятилетий в самостоятельный крупный раздел гидрогазодинамики выделилась проблема изучения волновых процессов в двухфазных системах.
Многообразие встречающихся в природе и практике структур газо- и парожидкостных сред требует при анализе волновых процессов выделения характерных, принципиально отличающихся друг от друга как по геометрическим признакам, так и но шігсіісір.постії межфазного взаимодействия "канонических" структур. Важным является вопрос /^формации и разрушения паровых (газовых) включений и структуры в целом под лсйст;/нем динамической нагрузки.
Особо следует отметить, что в виду сложности объекта исследования, нски-кч vein однозначного определения всех влияющих на развитие динамического процесса n;p.:vci-ров, предельные асимптотические модели часто оказываются более предпочипе чьим, чем модели, базирующиеся на численном анализе громоздкой системы уравнении, содержащих зачастую недостаточно обоснованные приближенные формулы и данные полуампнр^мс-кого характера. Это позволяет выделить общие закономерности эволюции волн, определяющие критерии подобия волновых и динамических процессов п двухфазных срелах.
Актуальность .данного исследования определяется в первую очередь необходимое;-! :;> анализа с общих позиций эволюции волн давления в газо- и парожидкосшых ср.-.го- с различными внутренними структурами, потребностью теоретической шперпрек.чин <'',-ширного экспериментального материала. С прикладной точки зрения настоянки .мОоь, важна для описания переходных режимов работы энергетических установок. ІОмпчіч'.іі
ДВухфаЗНЫЙ ПОТОК ИЛИ Перегретый ТеПЛОНОСИТеЛЬ ЯВЛЯЮТСЯ Неотъемлемой ЧССИІ' !аЧИ\
установок, поэтому важно знать специфику их динамического поведения, особенно уилс-ние амплитуды волны при внезапном сбросе или увеличении внешнего давления.
Цель работы. Теоретическое исследование общих закономерностей эг.о/п'чнш волн г, газо- и парожидкостных смесях идеализированных структур (пузырьковой, рдссле.снн. -,1 или кольцевой, снарядной) и в средах со сложной внутренней структурой, Игучсние динамики газовых и паровых включений в каналах, заполненных жидкоспчі. Лпа.'"П закономерностей структурных переходов в двухфазных средах, особенностей 40.1:1,11,0^ динамики при интенсивных фазовых переходах.
Научная новизна.
Построена волновая динамика газо- и парожидкостных сред снарядной структур! і.
Впервые предложено использовать метод волновых и эволюционных уравнений для моделирования волновой динамики двухфазного потока произвольной структуры как для идеализированных (расслоенной, снарядной), так и для более сложных(кластерной, периодической пузырьковой, реальной снарядной, расслоенно - пузырьковой).
Предложены качественные модели для описания разрушения снарядной и расслоенной структур под действием динамических нагрузок и структурных переходов.
Новыми являются результаты динамического поведения парового и парожидкостного включения в канале в широком диапазоне изменения режимных параметров и роста парового пузырька в бинарном растворе на нагреваемой поверхности.
На основе критериального анализа и построения режимных карт впервые предложены асимптотические модели поведения парожидкостных сред при интенсивных фазовых переходах.
Практическая ценность работы состоит в возможности непосредственного использования ее результатов для расчетов динамических нагрузок на элементы энергетических установок, трубопроводов, аппаратов химической технологии. Проведенный критериальный анализ, полученные режимные карты и (в различных предельных случаях) аналитические формулы позволят получить расчетные методики для определения амплитуды и характера эволюции волны давления в парожидкостной среде произвольной структуры.
Анализ динамического поведения парового пузыря в канале имеет прикладное значение для решения широкого класса задач, связанных с аварийным вскипанием теплоносителя в ТВЭЛах и других энергонапряженных элементах установок. При этом аварии могут быть вызваны как импульсным тепловыделением, так и разгерметизацией контуров. Полученные формулы позволяют описывать различные режимы схлопывания паровых каверн при внешних динамических нагрузках с возможным многократным увеличением амплитуды давления.
Результаты моделирования пристенного роста и роста в большом объеме парового пузырька в бинарном растворе с нелетучей компонентой можно использовать при проектировании абсорбционных холодильных машин и тепловых насосов. В связи с удорожанием природного топлива и растущего внимания к окружающей среде такие преобразователи тепла становятся все более привлекательными как для бытового, так и для промышленного применения.
Достоверность результатов обеспечивается использованием методов математической физики, хорошо зарекомендовавших себя при решения широкого круга задач теории эволюции волн, теплопроводности и динамики одиночных включений в сплошной среде, тщательной проверкой математических преобразований, обоснованностью физических допущений и предположений, сравнением полученных результатов с известными аналитическими решениями, с численными решениями по тестированным расчетным схемам и с экспериментальными данными.
Автор защищает:
О Построение на основании механической аналогии волновой динамики снарядной структуры паро- и газожидкостного потока.
О Моделирование процессов распространения волн давления в "канонических" и модифицированных (комбинированных) структурах двухфазных сред. Анализ общих закономерностей эволюции низкочастотных возмущений в различных структурах.
О Решение задачи динамики паровой полости (снаряда) в канале для случая ударного внешнего воздействия. Определение основных критериев подобия, построение режимной динамической карты.
О Решение задачи роста полусферического пузырька у нагреваемой поверхности в чистой жидкости и бинарной смеси с нелетучей компонентой.
О Анализ процессов эволюции и усиления волн в парожидкостной среде при наличии интенсивных фазовых переходов.
0 Моделирование процессов разрушения снарядной структуры под действием динамичес
ких нагрузок.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на
1 и IV Всесоюзных школах молодых ученых "Современные проблемы теплофизики"
(Новосибирск, 1979, 1986), Ш и IV Всесоюзных школах-семинарах "Проблемы газодина
мики и теплообмена в энергетических установках" (Нарва, 1981 и Москва, 1983), vm
Всесоюзной школе молодых ученых "Численные методы решения задач математической
физики" (Львов, 1983), Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы теплофизики и
физической гидродинамики" (Новосибирск, 1985), International seminar "Transient pheno
mena in multiphase flow" (Dubrovnik, Yugoslavia, 1987), 16th International symposium on
Shock Tubes and Waves (Aachen, Germany, 1987), 11th International IUPAP/IUTAM sympo
sium on nonlinear acoustics (Novosibirsk, 1987), I и II Минских Международных форумах
по тепло- и массообмену (Минск, 1988, 1992), Всесоюзной конференции "Теплообмен в
парогенераторах" (Новосибирск, 1988), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Дина
мика теплофизических процессов в элементах энергетических аппаратов"(Челябинск,
1989), International forum "Mathematical modelling and computer simulation of processes in
energy systems" (Sarajevo, Yugoslavia, 1989), ШТАМ Symposium "Adiabatic waves in liquid-
vapor systems" (Gottingen, Germany, 1989), V Всесоюзной конфренции по проблемам меха
ники неоднородных сред и турбулентных течений (Одесса, 1990), Международном
семинаре ТЕПЛОФИЗИКА-90 (Теплофизические аспекты безопасности ВВЭР) (Обнинск,
1990), V Всесоюзной конференщш"Двухфазный поток в энергетических машинах и ап
паратах" (Ленинград, 1990).
Кроме того, отдельные части работы докладывались на семинарах отдела физической гидродинамики ИТ СО АН СССР (рук. академик В.Е. Накоряков); на семинаре "Акустика неоднородных сред" ИГИЛ СО АН СССР (рук. профессор В.К. Кедринский).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех частей, содержащих десять глав и списка литературы из 212 наименований. Общий объем работы 305 страниц, включая 86 рисунков.