Исследование реактивного усилия при истечении метастабильной жидкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Виноградов, Александр Викторович

• Виноградов, Александр Викторович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Виноградов, Александр Викторович

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ЖИДКОСТИ 9 1.1 Условия термодинамического равновесия в двухфазной среде.

Граница термодинамической устойчивости однородной фазы.

1.2 Равновесие на искривлённой поверхности раздела фаз. Гомогенное и гетерогенное зародышеобразование.

1.3 Ударный режим вскипания жидкости

1.4 Перегрев жидкости в адиабатном потоке.

1.5 Адиабатическое истечение жидкости через насадки. Гидродинамическое описание процесса истечения.

1.6 Термодинамика потока.

1.7 Модели парожидкостных потоков.

2. РЕАКТИВНОЕ УСИЛИЕ В РЕЖИМАХ ИСТЕЧЕНИЯ МЕТАСТАБИЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ.

2.1 Экспериментальные исследования реакции струи

2.1.1 Описание стенда для исследования реактивного усилия при истечении мета стабильной жидкости

2.1.2 Методика проведения эксперимента

2.2 Реакция струи при истечении через короткие цилиндрические каналы

2.2.1 Истечение с гетерогенным механизмом парообразования.

2.2.2 Истечение с гомогенным механизмом парообразования.

2.2.3 Определение расчетных зависимостей

2.3 Реакция струи при истечении через канал с расширением на выходе

3. КРИТИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ИСТЕЧЕНИЯ ВСКИПАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСТИННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА В РЕЖИМАХ МЕТАСТАБИЛЬНОГО ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ

5. ОБОБЩЕНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА РЕАКТИВНОГО УСИЛИЯ МЕТАСТАБИЛЬНЫХ ПОТОКОВ НА РАЗЛИЧНЫЕ НЬЮТОНОВСКИЕ ЖИДКОСТИ

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование реактивного усилия при истечении метастабильной жидкости»

Экономические потрясения прошлого десятилетия полностью разрушили плановую систему хозяйствования и развития науки в России. Причина постановки выполненного исследования была заложена в период планового развития энергетики и, в частности АЭС. Однако реализация исследования осуществляется до настоящего времени и выполняется не только в интересах атомной энергетики. Проведение экспериментальных исследований в период, когда на первый план всплывает потребность немедленного получения прибыли, что в большинстве научных исследований не реализуемо, сопряжено с большими трудностями. Несмотря на сказанное, автору и его научному руководителю удалось выполнить поставленную задачу. В процессе проведения исследования и анализа результатов появились новые вопросы, решение которых требует постановки новых экспериментов.

В 1997 году в ВТИ разработаны и внедрены нормы расчета реактивных усилий для использования при анализе аварийных режимов на АЭС. Однако, имевшиеся в то время публикации опытных данных, на которых базировались разработки нормативного документа, не охватывали весь диапазон начальных термодинамических параметров. С целью устранения этого, далеко не единственного, недостатка отсутствия опытного материала было поставлено и выполнено предлагаемое экспериментальное исследование. Полученные опытные данные подтвердили их соответствие расчетным данным, выполненным по методике ВТИ. Следует отметить, что полученные данные относятся к режимам течения без образования кольцевой изолированной полости в канале и, как ее следствие, равновесным потокам.

Основным фактором, определяющим характер протекания аварии при разрыве герметичного объема, является расход жидкости или газа через отверстие. Анализ аварийных режимов предполагает наихудший случай, когда происходит мгновенный полный разрыв трубопровода с истечением горячей жидкости высокого давления в среду с атмосферным давлением. В процессе протекания аварии из отверстия начинает вытекать жидкость не догретая до температуры насыщения, насыщенная жидкость, парожидкостная смесь с различным паросодержанием, вплоть до насыщенного пара. В связи с этим, при анализе аварийных режимов с разрывами оборудования необходимо определение расходов жидкости и парожидкостной смеси в широком диапазоне режимных и геометрических параметров. Анализ литературных данных показал, что процесс истечения, сопровождающийся метастабильностью и скольжением, не поддается, в большинстве случаев, аналитическому описанию. Большинство опубликованных исследований проведено с использованием в качестве жидкости воды. Экспериментальные данные по стационарному истечению горячей воды и пароводяной смеси при больших градиентах давлений и высоких начальных параметрах в публикациях отсутствуют, а имеющиеся результаты при давлениях от 7 до 15 МПа носят противоречивый характер

До настоящего времени расчет расходных характеристик вскипающей жидкости и парожидкостной смеси рассматривался с позиций газодинамических закономерностей, причем в качестве определяющего (расчетного) сечения обычно принималось сечение, в котором поток достигал местной локальной критической скорости звука. Такое сечение является «запирающим», ограничивающим максимальную пропускную способность канала. В непрофилированных цилиндрических каналах таким сечением является выходное сечение. В некоторых практических задачах такой подход вполне оправдывает себя и расчетные данные удовлетворительно согласуются с экспериментом. Однако особенности истечения метастабильной жидкости через относительно короткие каналы хуже поддаются расчетному анализу. В первую очередь это связано с тем, что в газодинамике двухфазных систем отсутствует надежная методика расчета кинетики парообразования, определяющая истинное объемное паросодержание в критическом сечении, и, в конце концов, критический расход теплоносителя. Причем, до последнего времени не были выяснены физические закономерности, объясняющие зародышеобразование паровой фазы в потоке метастабильной жидкости, что приводило к тому, что момент наступления критического режима выбирался произвольно, без необходимого аналитического обоснования.

В области истечения горячей воды опытные данные, особенно в зависимости от геометрии канала, либо просто отсутствуют, либо исследованиями охвачен весьма ограниченный диапазон начальных параметров.

Практически единственными данными по истечению горячей воды с Р0 > 16 МПа и пароводяной смеси с Р0 > 6 МПа являются данные представленные в монографии /1/. В ВТИ были проведены экспериментальные исследования по определению стационарных удельных расходов, а также измерения реактивных усилий горячей воды и пароводяной смеси в следующих диапазонах начальных параметров: Р0 = 3-24МПа, То = 400 773К, Х0 = 0 -И.Истечение проводилось в объем, где давление по заданию изменялось от начального до атмосферного. Исследовалось истечение из относительно коротких каналов. Их длина не превышала 40 калибров при диаметре от 0,5 до 6 мм, когда можно не учитывать диссипативные потери по длине канала.

Исследование метастабильных потоков воды с точки зрения кинетики спонтанного зародышеобразования, по сути дела, используется впервые. Принципиальная возможность наблюдения спонтанного, взрывного вскипания перегретой воды до состояний, близких к спинодальным, оказывается возможным только при достижении начальных параметров Ро> 12МПа и То >591° . При меньших параметрах вскипание перегретой жидкости (воды) происходит на гетерогенных или гомогенных, инициированных центрах зародышеобразования. Принципиальное отличие метода расчета расходных характеристик метастабильных потоков с применением теории гомогенной нуклеации от традиционного газодинамического подхода к решению этой задачи заключается в том, что за определяющее сечение берется сечение, в котором поток достигает максимально достижимого перегрева или степени метастабильности. Как правило, такое сечение располагается внутри канала вблизи входа. Это сечение рассматривается как основное и решающее с точки зрения кинетики спонтанного зародышеобразования. С применением такого подхода удается рассчитать объемное паросодержание в любом сечении канала, включая и критическое. В известной степени это позволяет более надежно использовать и газодинамические методики расчета критических потоков, поскольку определяется момент наступления критического режима. Однако сам по себе разработанный метод определения расходных характеристик горячей воды позволяет ( используя сечение максимальной степени метастабильности ), с хорошей точностью получать необходимые результаты.

Разработанный метод позволил объяснить физическую сущность процессов истечения горячей и насыщенной воды, и пароводяной смеси в широком диапазоне начальных параметров. Практически он охватывает весь исследованный диапазон, включая и закритические параметры воды и всю область пароводяной смеси, вплоть до критической точки. Значительно прояснился вопрос о влиянии геометрии канала, его протяженности, диаметра и конфигурации. Естественно, что исследований процессов истечения вблизи левой (жидкостной) пограничной кривой проведено значительно меньше, чем аналогичных процессов вблизи правой (паровой) пограничной кривой. Не накоплен еще тот объем экспериментального материала, которым обладают специалисты, занимающиеся истечениями пара или пароводяной смеси с большой степенью сухости. Поэтому количественные закономерности, которые получены по истечениям переохлажденного пара, практически охватывают любые геометрии каналов. Однако при этом явно недостаточно экспериментального материала при высоких начальных давлениях, а именно в этой области следует ожидать интенсивной спонтанной конденсации на флуктуационных центрах.

Экспериментальным и теоретическим исследованиям метастабильных потоков жидкостей в литературе уделено явно недостаточно внимания. В основном, это связано со сложностью постановки экспериментов, проведения опытов и научно обоснованной обработке полученных результатов, пригодной для использования в инженерной практике. В публикациях имеются достоверные данные по описанию теплофизических свойств чистых веществ и некоторых смесей" в различных агрегатных составных. В том числе и при фазовых переходах первого рода, в которых возникают однородные метастабильные состояния. Это позволяет использовать имеющиеся сведения при разработке и применении инженерных методик расчета расходных характеристик метастабильных потоков. Тем не менее, применение разработок к решению практических задач вызывает необходимость использования в расчетных формулах эмпирических коэффициентов, снижающих возможности применения этих формул. Зафиксированный факт перегрева или переохлаждения жидкости достаточно корректно описан теоретически по результатам экспериментов с применением понятия среднего времени жизни мета стабильного состояния, представленного в количественном выражении.

Время жизни нестабильного состояния определяется средним временем ожидания жизнеспособного зародыша новой фазы. Как показали эксперименты, теплофизические свойства различных веществ могут быть экстраполированы в область метастабильных состояний. Этот факт позволяет разработать инженерную методику расчета истинных параметров жидкостных потоков с учетом метастабильности и количественное описание процесса истечения мета стабильной жидкости на базе большого экспериментального материала.

Требования практики привели к необходимости разработки методики расчета реактивного усилия, учитывающей особенности истечения метастабильных потоков горячей воды. Данная необходимость обусловлена проявлением негативной стороной реактивного усилия, а именно его разрушающим действием на элементы оборудования при авариях с разрывом трубопроводов. Однако есть и позитивная сторона в использовании реактивного усилия истечения.

Известно, что в реактивных двигателях летательных аппаратов используется реактивное усилие газовой струи. Применение реактивного усилия истечения мета стабильной жидкости открывает принципиально новые возможности в разработке нового типа реактивных двигателей и представляется возможным их широкое использование на водном транспорте а также в создании новых видов предохранительной техники.

Вышесказанное позволило сформулировать задачу проведенного исследования. Получить систематизированные экспериментальные данные по реактивным усилиям при истечении метастабильной жидкости (воды) через "короткие" каналы. Разработать методику расчета реактивных усилий в исследованном диапазоне начальных параметров.

Анализ опубликованных результатов исследований по определению максимальных перегревов, расходных характеристик, реактивного усилия при истечения различных ньютоновских жидкостей и их сравнение с результатами, полученными автором при исследовании истечения воды, позволяют сделать следующие выводы. Представленные в безразмерных параметрах закономерности поведения всех исследованных жидкостей, в том числе и воды, удовлетворительно согласуются между собой. Это позволяет распространить результаты, полученные на одной ньютоновской жидкости на другие жидкости.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Виноградов, Александр Викторович

выводы

1. Проанализированы закономерности равновесного и метастабильного состояния потоков вскипающей жидкости. Представлены существующие методики определения расходных характеристик метастабильных потоков. Показаны их недостатки и сформулирована задача выполненного диссертационного исследования.

2. Представлено описание экспериментальной установки, методики проведения экспериментов, определение погрешности полученных опытных данных и диапазон исследованных параметров.

3. Впервые получены систематизированные опытные данные по реактивным усилиям при истечении метастабильной воды в режимах вскипания на гетерогенных и гомогенных центрах нуклеации.

4. Впервые предложена теоретически обоснованная разработанная методика расчета реактивных усилий во сем исследованном и практически применяемом диапазоне начальных параметров с учетом противодавления.

5. Сформулировано существование 3-х критических режимов истечения метастабильной жидкости и получено три критических отношения давления.

6. Впервые представлена методика расчета истинных параметров потока метастабильной жидкости.

7. Впервые приводится методика расчета реактивного усилия любой ньютоновсой жидкости в режимах истечения метастабильной жидкости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Виноградов, Александр Викторович, 2005 год

1. Хлёсткин Д.А. Метастабильное истечение воды и высоковлажной пароводяной смеси, монография М.: ИИКЦ «Эльф-3».2004.

2. Семенченко В.К. Избранные главы теоретической физики, 2-е изд. -М.: Просвящение, 1966.

3. Румер Ю.Б., Рыбкин Л.М. Термодинамика, статическая физика и кинетика. М.: Наука 1977.

4. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии/В.П. Скрипов, Е.Н. Синицын, П.А. Павлов и др. М. Атомиздат, 1980

5. Ландау Л.Д., Лифшиц В.М. Статистическая физика, 4.1. Изд. 3-е, дополн. -М.: Наука, 1976.

6. Гиббс Дж.В. Термодинамика. Статистическая механика. -М.: Наука, 1962.

7. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М.: Наука, 1972.

8. Вопросы физики кипения. Пер. с англ. под ред. Аладьева И.Т. -М.: Наука 1964.

9. Павлов П.А. Взрывное объёмное вскипание жидкостей. -В кн.: Теплофизика метастабильных систем. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1977.

10. Павлов П.А. Ударный режим вскипания -В кн.: Фазовые превращения вметастабильных системах. Свердловск: УНЦ АН СССР,

11. П.Павлов П.А., Никитин Е.Д. Плотность центров кипения при высоком перегреве жидкости. -В кн.: Перегретые жидкости и фазовые переходы. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1979.

12. Исаев О.А., Павлов П.А. Ударный режим вскипания при разуплотнении трубопроводов. -В кн.: Перегретые жидкости и фазовые переходы. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1979.

13. Вайсман М.Д. Термодинамика парожидкостных потоков. Изд. Энергия, Ленинградское отделение, 1967

14. Вайсман М.Д., Поляков К.С. К вопросу об адиабатическом течении испаряющейся жидкости. -ИФЖ, 1964, т. 7 №8

15. Шуравенка Н.А. Исаев О.А. Скрипов В.П. Взрывное вскипание перегретой жидкости при течении через короткие насадки. -ТВТ, 1975, т. 13, №4.

16. Хлесткин Д.А., Канищев В.П. Характерные режимы истечения горячей воды. Теплоэнергетика, № 8, 1977.

17. Хлесткин Д.А. Определение расходов метастабильной жидкости. Теплоэнергетика, № 1,1978.

18. Скрипов В.П., Шуравенко Н.А., Исаев О.А. Запирание потока в коротких каналах при ударном вскипании жидкости. ТВТ, том 16, №3,1978.

19. Скрипов В.П., Байдаков В.Г., Мальцев С.А. Паровой взрыв потока при истечении жидких аргона и метана через короткие каналы. -В кн. Тепломассобмен УП. Материалы УП Всесоюзной конф. по тепломассообмену. Минск, 1984 т.4, ч.2.

20. Чугаев P.P. Гидравлика. Изд. 4-е, доп. и перераб. -JL: Энергоиздат, 1982.

21. Абрамович. Г.Н. Прикладная газовая динамика. Издательство "Наука". М. 1969.

22. Сиов Б.К. Истечение жидкости через насадки. Изд. Машиностроение, Москва, 1968.

23. Мхитарян A.M. Гидравлика и основы газодинамики. -Киев: Гостехиздат УССР, 1959.

24. Кириллин В.А., Сычёв В.В., Шейдлин А.В. Техническая термодинамика. Изд. 4-е. -М.: Энергоатомиздат, 1983.

25. Дейч Н.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. Энергия, Москва, 1968.

26. Уоллис. Г. Теоретические модели газожидкостных течений (обзор). -Теоретические основы инженерных расчётов, 1982, №3.

27. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. Пер. с англ. под ред. И.Г. Аладьева. -М.: Мир, 1972.

28. Делайе Дж., Гис М, Ритмюллер М. Теплообмен и гидродинамика в атомной и тепловой энергетике. Пер. с англ. под ред. Кириллова. П.Л. -М.: Энергоатомиздат. 1984.

29. Фисенко В.В. Критические двухфазные потоки. Москва, Атомиздат, 1978.

30. Benjamin М., Miller G. The flow of Flashing Mixture of Water and Steam trough Pipes. -Trans. ASME, v.64, 1942.

31. Benjamin M., Miller G. The flow of Saturated Water trough Tyrotting Orifices. -Trans. ASME, v.63, 1941.

32. Baily J.F. metastable Flow of Saturated water. Trans. Of ASME, v. 73, №8,1951.

33. Леви С. Расчет двухфазного критического расхода. Теплопередача, сер. С.№1.1965.

34. Муди Ф. Максимальный расход однокомпонентной двухфазной смеси. Теплопередача Сер.С. № 1,1965.

35. ГОСТ 8.207-76 Основополагающие стандарты в области метрологии. Государственные стандарты Союза ССР. Государственный комитет СССР по стандартам. Москва, с. 75-82. 1986

36. JI. Крокко. Одномерное рассмотрение газовой динамики установившихся течений. В кн. Основы газовой динамики (под ред. Г. Эммонса) Издательство иностранная литература. М. 1963.

37. Виноградов В.Е., Синицын Е.Н., Скрипов В.П. Расходные и тяговые характеристики потока вскипающей воды при истечении через сопла Лаваля. Теплоэнергетика. № 6. с. 56-57. 1987.

38. Усанов В.В., Харченко В. М. Истечение самоиспаряющегося азота из сопл Лаваля. Теплофизика высоких температур, т.22, № 4,1984.

39. Карасев Э.К., Вазингер В.В., Мингалеева Г.С., Трубкин Е.И. Исследование адиабатического расширения воды с линии насыщения в соплах Лаваля. Атомная энергия, т.42, вып. 6, июнь 1977

40. Чаплыгин С.А. О газовых струях. Гос Издательство технико-теоретической литературы, Москва-Ленинград, 1949.

41. Франкль Ф.И. Избранные труды по газовой динамике. Москва. Наука. 1973.

42. Хлестким Д.А., Курзин С.В. Влияние противодавления на удельные расходы вскипающей воды при истечении через короткие каналы. Теплоэнергетика, № 7, 1989.

43. Хлесткин Д.А., Зырянов В.Н. Влияние масштабного фактора на удельный расход самоиспаряющейся жидкости.

44. Хлесткин Д. А., Канищев В.П., Леонтьев А. И. Усанов В.В. Реакция струи в режимах истечения воды с гомогенной нуклеацией. Известия Академии Наук. Энергетика, № 5,2000.

45. Мальцев С.А., Байдаков В.Г. Установка для исследования вскипающих потоков криогенных жидкостей, ст. Фазовые превращения в метастабильных системах. АН СССР УНЦ, Свердловск, 1983.

46. Вскипающие адиабатные потоки. Под ред. Зысина В.А., Москва, Атомиздат, 1976,150.

47. Фисенко В.В. Сжимаемость теплоносителя и эффективность работы контуров циркуляции ЯЭУ. Москва. Энергоатомиздат. 1987

48. Хлесткин Д. А., Канищев В.П., Леонтьев А. И. Усанов В.В., Виноградов А.В. Реактивное усилие при истечении метастабильной жидкости в режимах с гетерогенным парообразованием. Известия Академии Наук, Энергетика № 5 2000.

49. Хлесткин Д.А., Келлер В.Д. Мальцев Б.К Research on Flow of Hot Water through and Tubes. AES-rapp, № 12,1973.

50. Хлесткин Д. А., Канищев В.П., Леонтьев А. И. Экспериментальное исследование реакции струи при истечении вскипающей воды с начальным давлением до 10 МПа. Теплоэнергетика, № 3,2000.

51. Байдаков В.Г., Мальцев С.А., Пожарская Г.И., Скрипов В.П. Взрывное вскипание жидких азота и кислорода при истечении через короткие насадки. Теплофизика высоких температур. 1983. т. 21. №5.

52. Hesson J.C. Flow of Two-phase Carbon Through Orifices, PhD thesis, Illinois Institute Technology, 1957.

53. Vetter G. Isentrope Entspannung von Wasser, Wassr-Dampf-Gemischen und sattdampf. Allgem. Warmetechn. 11, №7, 1962.

54. Agostinel A. Salemann, Prediction of Plashing Water Flow through Fine Annual Clearances. Trans. ASME, v.80, 1952.

55. Baily J.F. metastable Flow of Saturated water. Trans. Of ASME, v. 73, №8,1951.

56. Гурченок A.A. Истечение кипящей воды через цилиндрические насадки, Автореферат канд. дис. Томск (ТПИ), 1954.

57. Fauske Н.К. The Discharge of saturated water through tubes-"Chemical Engineering Progress Symposium Series", 1965, v.61, № 59, p.210.

58. Калайда Ю.А., Арсеньтьев B.B., Фисенко B.B., Цизин Б.М. Истечение теплоносителя при потере герметичности реакторного контура. Москва, Атомиздат, 1977.

59. Isbin H.S., Моу J.E. and Da Cruz A.J.R. Two-Phase Steam-Water critical Flow. AJChE Journal, v.3, 1957.

60. Мальцев Б.К., Хлесткин Д.А., Келлер В.Д. Экспериментальное исследование истечения насыщенной и недогретой воды при высоких давлениях. Теплоэнергетика, № 6,1972.

61. Авдеев А.А., Майданик В.Н., Шанин В.К. Критериальная обработка экспериментальных данных по истечению насыщенной и недогретой воды через цилиндрические каналы. Теплоэнергетика №2, 1978.

62. Fauske Н.К. Contribution to the Theory of Two-Phase, One Competeut Critical Flow. USAEC Report, ANL-6633, 1962. ТГО-4500, 8th ed, Oct.

63. Henry R.E., Fauske H.K. and Mc Comas S.T. Two-Phase Critical Flow at Low Qualities, Part I: Experimental, Part П Analysis Nucl. Sci. Eng., v. 41, № 3, 1970.

64. Нигматуллин Б.И., Ивандаев А.И. Исследование явления динамического кризиса двухфазного течения. ТВТ, том 15, № 1, 1977, с. 129-136.

65. Штаркман Е., Шрок В., Нейсен К., Меняли Д. Расширение двухфазной жидкости с очень низкой степенью сухости в сопле Лаваля. Теоретические основы инженерных расчетов. Изд. Мир., сер. Д, №2,1964.

66. Авдеев А.А., Сиренко К.И. (ВНИИАМ) Связь между критическим расходом и реактивным усилием при истечении вскипающего теплоносителя. Атомная энергия, т.70, вып.З, март 1991.

67. Хлесткин Д.А. Определение расходов метастабильной жидкости. Теплоэнергетика, № 1,1978

68. Хлесткин Д.А., Канищев В.П., Келлер В.Д. Расходные характеристики истечения горячей воды с начальным давлением до 22,8 Мпа в атмосферу. Атомная энергия, т. 42, вып.З, март 1977.

69. Хлесткин Д.А., Канищев В.П. Методика расчета расходов метастабильной жидкости и вскипающей пароводяной смеси. Сборник трудов ВТИ «Теплогидравлические процессы в оборудовании АЭС». Москва, Энергоиздат, 1986.

70. Scriven L.E. On the Dynamics of Phase Crow th. Chemical Eng. Science, v. 10, № 1, 1959.