Исследование гидродинамики и теплообмена при течении жидкого металла в поперечном магнитном поле

• Автор: Свиридов, Евгений Валентинович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 102 с.

Содержание
Введение
1. Современное состояние вопроса
1.1 Математическое описание исследуемых процессов
1.2 Гидродинамика и теплообмен жидкого металла при отсутствии
магнитного поля
1.3 Г идродинамика и теплообмен жидкого металла в продольном
магнитном поле
1.3.1 Гидродинамика в трубе в продольном магнитном поле
1.3.2 Теплообмен в трубе в продольном магнитном поле
1.3.3 Течение и теплообмен в плоском канале в продольном магнитном поле
1.4 Г идродинамика и теплообмен жидкого металла в поперечном
магнитном поле
1.4.1 Гидродинамика и теплообмен при ламинарном течении в плоском канале
1.4.2 Гидродинамика и теплообмен при ламинарном течении в круглой трубе
1.4.3 Гидродинамика и теплообмен при турбулентном течении в каналах в поперечном магнитном поле
2. Расчетно-теоретическая модель турбулентного переноса импульса и тепла при течении ЖМ в плоском канале в поперечном магнитном поле
2.1 Г идродинамика ЖМ в поперечном поле в плоском канале
2.2 Теплообмен в плоском канале в поперечном магнитном поле
2.2.1 Однородный симметричный обогрев канала
2.2.2 Односторонний обогрев канала
3.Экспериментальное исследование теплоотдачи при турбулентном течении в круглой трубе в поперечном магнитном поле
3.1 Аналогия между характером воздействия поперечного магнитного поля на течение в плоском канале и круглой трубе
3.2 Описание экспериментального стенда и методики эксперимента
3.3 Результаты экспериментальных исследований
4.Внедрение результатов работы в учебный процесс: использование
уникальных экспериментальных научных стендов для развития учебного лабораторного практикума в ВУЗе
Заключение, выводы
Список литературы

Введение.
Жидкие металлы (ЖМ) рассматриваются как перспективные теплоносители атомной /1/, а в будущем - термоядерной энергетики /2-5/. Особый интерес представляет жидкий металл как теплоноситель термоядерного реактора (ТЯР) типа токамак. Преимущества использования жидких металлов были настолько очевидны разработчикам токамаков /2/, что большинство первых проектов реакторов, относящихся к 50-м и 60-м годам XX века предусматривали именно жидкометаллическое охлаждение. Основным препятствием на пути применения жидкометаллических теплоносителей в системах охлаждения бланкета и дивертора является то, что гидравлические потери при прокачке жидкого металла в магнитном поле токамака могут быть весьма велики. Однако рациональным выбором формы сечения теплообменных каналов, их разумным расположением в магнитном поле и обеспечением электроизоляции стенок от ЖМ можно снизить гидравлические потери до приемлемой величины /3, 6/. Это обстоятельство привело к тому, что с начала 80-х годов среди разработчиков реакторов - токамаков концепция жидкометаллического теплоносителя вновь приобрела широкое признание, например хорошо известный проект Исследовательского центра Карлсруэ, Германия III. Рассматривая этот и другие проекты ТЯР с ЖМ-теплоносителем, приходим к выводу о том, что в конструкциях реакторов могут присутствовать все «классические» конфигурации МГД-течений (рис. В.1), а именно течения в продольном, поперечном и компланарном магнитных полях (МП). Следует иметь в виду, что характеристики воздействия МП на течение и теплообмен электропроводной жидкости зависят от ряда существенных факторов, среди которых /4/: значение и взаимная ориентация векторов скорости потока и индукции магнитного поля, форма и геометрические размеры канала, режимы течения жидкости, относительная электропроводность стенки, высота и форма элементов шероховатости, условия на входе потока в магнитное поле и на выходе из него, неизотермичность течения и как следствие свободная термогравитационная конвекция. Поэтому для практических целей создания

энергетических ТЯР необходимы детальные исследования различных конфигураций МГД-течений.
Важнейшим фактором, определяющим характер МГД - взаимодействия, является взаимная ориентация векторов скорости потока и и индукции магнитного поля В. Магнитное поле непосредственно не влияет на движение электропроводной среды вдоль силовых линий поля. Если жидкость пересекает силовые линии магнитного поля, то в ней индуцируются токи, которые приводят к возникновению объемной силы Е (1.10).

Рис. В.1. Характерные конфигурации МГД- течений в продольном (а), поперечном (б) и компланарном (в)магнитных полях
На протяжении многих лет на кафедре Инженерной теплофизики Московского энергетического института проводятся комплексные экспериментальные и расчетно-теоретические исследования гидродинамики и теплообмена жидкометаллических теплоносителей в магнитном поле. Данная диссертационная работа представляет собой очередной этап этих исследований. Она посвящена изучению вопросов влияния поперечного магнитного поля на гидродинамику и теплообмен жидкого металла в плоском канале и круглой трубе.

«Ф». Как отмечается в /12/, влияние магнитного поля наиболее сильно вдоль диаметра трубы, параллельного силовым линиям магнитного поля (рис.1.10,а). Это влияние приводит к существенному уплощению профиля скорости примерно так же, как в плоском канате (рис.1.8.). Влияние МП па распределение скорости вдоль диаметра, перпендикулярного силовым линиям поля, менее значительно, и профиль скорости остается близким к параболическому (рис 1.10,6).
О 0,2 0,4 0,6 0,8 г О 0,2 0,4 0,6 0,8 г

Рис. 1.10. Профили скорости по координате вдоль поля (а) и координате поперек поля (б) в круглой трубе в поперечном магнитном поле /12/.
Точное решение задачи о распределении скорости представляется в виде ряда по функциям Бесселя /62,63/ и является очень громоздким. Столь же громоздко и точное выражение для коэффициента гидравлического сопротивления.
Согласно рекомендациям /64/ при значениях числа Гартмана На>10 для коэффициента сопротивления может использоваться приближенная формула
^з.н.ЬЛ.Ч“ (153)
2 2На
Здесь в качестве определяющего масштаба длины при построении чисел Яе и На используется диаметр трубы.
При больших числах Гартмана (На>100) вторым слагаемым в (1.53) можно пренебречь, и соответствующая асимптота будет иметь вид: