Особенности теплообмена в средах с внутренними источниками тепла

• Автор: Григорук, Дмитрий Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 84 с. : ил.

ГЛАВА 1. Свободная конвекция однокомпонентной жидкости в замкнутом объеме
1.1. Физическая картина конвекции тепловыделяющей жидкости в замкнутом объеме
1.2. Постановка задач о свободной конвекции
1.3.Обзор экспериментальных работ по моделированию теплоотдачи энерговыделяющей
жидкости
1.4.Численное моделирование теплоотдачи жидкости с внутренними источниками тепла
1.4.1. Свободная конвекция тепловыделяющей жидкости в цилиндрическом объеме
1.4.2. Свободная конвекция остывающей жидкости без внутренних источников тепла
1.4.3. Свободная конвекция жидкости без внутренних источников тепла с постоянной температурой в основном объеме (тестовый расчет)
1.4.4. Анализ результатов
1.4.5. Образование слоя Рэлея-Бенара
ГЛАВА 2. Теплоотдача многокомпонентной жидкости с внутренними источниками тепла
в условиях тяжелой аварии
2.1. Распределение теплоотдачи в легком нетепловыделяющем стальном слое
2.2. Тяжелая компонента
ГЛАВА
Двухфазное течение в пористой тепловыделяющей среде
3.1 Основные характеристики пористой среды
3.2. Обзор работ по изучению двухфазных течений в пористых средах
3.3. Влияние смачивания границы на эффективность охлаждения пористой тепловыделяющей среды
Заключение
Список литературы
Приложение
Приложение

Актуальность темы. Проблема обеспечения безопасности АЭС приводит к необходимости изучения процессов теплообмена в условиях тяжелых аварий. В случае потери теплоносителя и разрушения активной зоны для реакторов корпусного типа средней и малой мощности возникает задача сохранения целостности корпуса с целью предотвращения выхода радиоактивных материалов. Основными стратегиями, на сегодняшний день, по решению этой проблемы для водо-водяных реакторов являются внешнее охлаждение и затопление активной зоны водой. Как показал опыт аварии на Three Mile Island (TMI-2 1979 г.), при взаимодействии с водой часть расплава кристаллизуется, образуя пористый тепловыделяющий слой (дебрис). Вероятность расплавления этого слоя зависит от эффективности его охлаждения. Кроме того, возможно накопление тепловыделяющего расплава на дне корпуса реактора. Во избежание возникновения кризиса кипения па внешней границе требуется знание локального распределения потока тепла к поверхности, которое определяется свободной конвекцией тепловыделяющего расплава с возможной стратификацией металлической и оксидной фаз.
При исследовании тяжелоаварийных процессов возникает большое количество неопределенных параметров, таких как теплофизические свойства расплава, пористость дебриса, условия теплоотвода на границе и т.д. В связи с этим численное моделирование сталкивается с неоднозначностью выбора физической расчетной модели. Что касается эмпирического подхода, то из-за невозможности проведения эксперимента с тепловыделяющим расплавом в объемах, сопоставимых с размерами реакторных установок, в качестве моделирующих жидкостей используется вода, фреон, расплавы солей, в которых объемное тепловыделение создается индукционными токами или Джоулевым нагревом. При этом возникают трудности с обеспечением однородного по объему тепловыделения. Кроме этого, в ряде экспериментов вместо теплоотдачи энерговыделяющей жидкости исследовалась квазистационарная теплоотдача остывающей жидкости без внутренних источников тепла. В обоих случаях остается открытым вопрос о степени соответствия полученных результатов прототипной ситуацййсазанные особенности и трудности экспериментального и численного подходов приводят к необходимости дальнейшего развития теории теплообмена в средах с

внутренними источниками тепла. Большая часть опубликованных теоретических работ посвящена интегральным характеристикам теплоотдачи, в то время как особенности распределения потока тепла через границу, влияние геометрии объема и граничных условий на эффективность теплоотдачи, структура свободноконвективных пограничных слоев в жидкостях с внутренними источниками тепла исследованы недостаточно. Поэтому исследование особенностей теплопередачи в расплаве в осесимметричной геометрии при различном расположении оксидного и металлического расплавов является актуальным.
Цель работы. Целью работы является исследование особенностей теплообмена в средах с внутренними источниками тепла. Основными задачами диссертации являются:
1. Исследование свободной конвекции энерговыделяющей жидкости в цилиндрическом объеме с изотермическим условием на боковой границе. Разработка модели и проведение численного расчета для ламинарного течения в пограничном слое. Проведение сравнительного анализа теплоотдачи энерговыделяющей жидкости и остывающей жидкости без внутренних источников тепла.
2. Исследование отвода тепла через однокомпонентный нетепловыделяющий слой жидкости, образованный в результате концентрационной стратификации многокомпонентного расплава, при двух вариантах его расположения (случаи легкой и тяжелой компоненты).
3. Исследование влияния различных условий смачивания поверхности на эффективность охлаждения пористого тепловыделяющего слоя при его затоплении водой.
Научная новизна работы
1. Доработан метод аналитических оценок и построена упрощенная модель по расчету ламинарного режима свободной конвекции тепловыделяющей жидкости в замкнутом объеме.
2. Выявлено существенное отличие структуры свободно-конвективного пограничного слоя в тепловыделяющей жидкости от пограничного слоя в жидкости без внутренних источников тепла с постоянной температурой вдали

5 /?
иир 1 п
ґб_я'іП
(2.2.8)
Для плотности теплового потока через границу справедлива следующая оценка:
ЛАТ,
Я, = (2.2.9)
где ] = 5с/, ир, Яп. Отсюда, с учетом одинаковых перепадов температур и формулы (2.2.6), отношение плотностей тепловых потоков к нижней и боковой границе обратно пропорционально соответствующим толщинам пограничных слоев:
~ Зй. ~ 1И « 1 (2.2.10)
Яб б 3с1п ’
Баланс энергии для металлического слоя в интегральной форме имеет вид:
ЯлГ? = Я*ЪМт + ЯвЖ (2.2.11)
В формуле (2.2.11) мы пренебрегли изменением плотности теплового потока к боковой стенке, при движении вдоль границы. Для оценок будем считать её постоянной и равной значению Я$(1 ПРН х ~ Ь/л ■ Так как плотность теплового потока к нижней границе
в соответствии с (2.2.10) много меньше плотности потока к боковой границе, то существует область значений при которых практически все тепло отводится через
вертикальный участок границы металлического слоя. Это означает, что поток тепла, как и в случае легкой компоненты, фокусируется, и Я’5д ~ .
Условие фокусировки имеет вид:
Я, и
я„„К
» 1 (2.2.12)
Поскольку независимым параметром задачи является плотность теплового потока к верхней границе Ц, все характеристики конвективного течения будем выражать через модифицированное число Рэлея :
= дРцР~* (2.2.13)
Ь-Х*