Исследование термопульсаций, обусловленных смешанной конвекцией теплоносителя в обоснование долговечности конструкций теплообменного оборудования ЯЭУ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат наук Рязапов Ренат Рамильевич

• Рязапов Ренат Рамильевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Рязапов Ренат Рамильевич

Введение

Глава 1 Современное состояние и теоретические основы исследуемого вопроса

1.1 Нестационарное температурное состояние теплопередающих поверхностей теплообменного оборудования

1.1.1 Причины возникновения температурных пульсаций в стенках теплопередающих поверхностей теплообменного оборудования

1.1.2 Анализ влияния конструктивных особенностей и режимных параметров рабочих сред на величину и характер температурных пульсаций в стенках теплообменного оборудования

1.2 Оценка долговечности теплообменного оборудования, работающего в

нестационарных температурных режимах

1.4 Выводы по первой главе

Глава 2 Описание установок, программного обеспечения, методов проведения

исследования и обработки экспериментальных данных

2.1 Описание теплофизического стенда ФТ-80

2.1.1 Принципиальная схема стенда

2.1.2 Система теплотехнического контроля стенда ФТ-80

2.1.3 Описание экспериментальной модели

2.2 Измерительно-вычислительный комплекс стенда ФТ-80 и его программное обеспечение

2.2.1 Назначение и состав ИВК

2.2.2 Измерительные преобразователи и их характеристики

2.2.3 Принцип действия ИВК стенда ФТ-80

2.2.4 Программный комплекс теплофизического стенда ФТ-80

2.3 Методика проведения экспериментального исследования

2.4 Методы расчета статистических характеристик температурных пульсаций

2.4.1 Метод расчета дифференциальных и интегральных эмпирических и теоретических функций распределения

2.4.2 Проверка статистических гипотез

2.4.3 Метод расчета корреляционных и спектральных функций

2.5 Достоверность результатов экспериментального исследования

2.5.1 Конструктивные отличия экспериментальной модели от штатного изделия

2.5.2 Представительность испытаний по определению теплотехнических характеристик

2.5.3 Представительность испытаний по определению водно-химических показателей

2.5.4 Оценка погрешности измерений

2.6 Выводы по второй главе

Глава 3 Методика расчета нестационарного температурного и напряженно-

деформированного состояния, долговечности элементов конструкции модели

3.1 Метод расчета температурного состояния теплообменной поверхности

3.1.1 Построение геометрической и конечно-элементной модели

3.1.2 Построение расчетной модели

3.1.3 Стационарный и нестационарный расчет температурного состояния

3.2 Метод расчета напряженно-деформированного состояния модели коллекторного узла

3.2.1 Расчетная модель НДС коллекторного узла

3.2.2 Поверочный расчет НДС коллекторного узла

3.2.3 Конечно-элементная модель фрагмента конструкции, характеризующаяся наибольшей интенсивностью термопульсаций. Повторный нестационарный тепловой расчет

3.2.4 Метод расчета температурных напряжений в элементах конструкций

3.3 Метод расчета долговечности элементов конструкций

3.4 Выводы по третьей главе

Глава 4 Результаты экспериментального исследования нестационарного температурного состояния и статистических характеристик пульсаций температуры

теплообменной поверхности и в потоке теплоносителя

4.1 Общие положения

4.2 Апробация методологии проведения исследования

4.3 Распределение осредненных по времени температур в теплообменных стенках и

в потоке теплоносителя

4.3.1 Температурное поле в металле теплообменных труб

4.3.2 Температурное поле в потоке теплоносителя вблизи теплообменных труб

4.3.3 Температурное поле в металле верхнего коллектора

4.4 Интенсивность пульсаций температуры теплообменных стенок и в потоке теплоносителя

4.4.1 Зависимость интенсивности пульсаций температуры от среднего логарифмического температурного напора

4.4.2 Зависимость интенсивности пульсаций температуры от массовой скорости теплоносителя

4.5 Результаты сравнительного анализа температурного состояния коллекторного узла до и после установки рассекателя

4.6 Выводы по четвертой главе

Глава 5 Результаты расчета нестационарного температурного и напряженно-

деформированного состояния, долговечности элементов конструкции модели

5.1 Результаты расчета температурного состояния теплообменной поверхности

5.2 Результаты расчета НДС коллекторного узла

5.2.1 Результаты поверочного расчета НДС коллекторного узла

5.2.2 Результаты расчета НДС КЭМФК

5.3 Результаты расчета долговечности элементов конструкции коллекторного узла ... 156 5.3 Выводы по пятой главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование термопульсаций, обусловленных смешанной конвекцией теплоносителя в обоснование долговечности конструкций теплообменного оборудования ЯЭУ»

Актуальность темы

Рост производительности электронно-вычислительных машин позволяет сейчас решать широкий класс инженерных задач, направленных на повышение конкурентоспособности отечественных энергетических установок. Одной из таких задач является обоснование теплотехнической надежности и ресурса создаваемых реакторных водоохлаждаемых установок. Среди факторов, влияющих на ресурсные характеристики теплообменных аппаратов, входящих в состав ядерных энергетических установок, особое место занимают процессы нестационарного теплообмена, сопровождающиеся пульсациями температуры. К причинам возникновения наиболее интенсивных термопульсаций относят смешанную конвекцию теплоносителя. Интенсивные термопульсации в потоке теплоносителя и, как следствие, в материале поверхности теплообмена вызывают соответствующие термические напряжения, способные оказывать негативное влияние на ресурс установки в целом.

Сложность процессов нестационарного теплообмена и отсутствие надежных расчетных моделей, описывающих смешанную конвекцию теплоносителя в каналах сложной геометрии, зачастую не позволяют определить статистические и спектрально-корреляционные характеристики термопульсаций, необходимые для анализа долговечности теплообменного оборудования ЯЭУ. Вследствие этого единственным средством получения данной информации является эксперимент на штатном оборудовании в натурных условиях. Однако проведение натурных ресурсных испытаний сопровождается чрезвычайно большими временными и финансовыми затратами. С другой стороны, применяемые при проведении расчетного обоснования долговечности теплообменного оборудования программные средства и получаемые с их помощью результаты расчета нуждаются в верификации и валидации. В этих условиях перспективным в оценке ресурсных характеристик теплообменного оборудования является расчетно-экспериментальный подход с применением трехмерных расчетных кодов. Экспериментальные исследования в рамках данного подхода осуществляются на масштабных моделях оборудования или отдельных его узлах и выполняют функции инструмента для верификации программных средств, а также получения необходимых граничных условий и замыкающих соотношений при проведении расчетов.

Таким образом, проведение исследований, направленных на:

- получение экспериментальных данных о пульсациях температуры в элементах теплообменного оборудования ЯЭУ, обусловленных смешанной конвекцией теплоносителя;

- выбор оптимальных режимных параметров теплоносителя и конструктивных решений, приводящих к снижению интенсивности термопульсаций в металле теплообменных стенок оборудования ЯЭУ;

- разработку и адаптацию расчетных моделей, используемых при проведении обоснования долговечности конструкций теплообменного оборудования;

является актуальным и способствует обеспечению безопасности, повышению надежности и ресурса ЯЭУ, снижению издержек при проектировании теплообменного оборудования и, как следствие, повышению конкурентоспособности отечественной продукции на мировых рынках.

Степень разработанности научной проблемы

В процессе диссертационного исследования проанализированы работы, посвященные методам измерения нестационарного температурного поля в теплообменных аппаратах энергетических установок, причинам возникновения температурных пульсаций и их характеристикам, результатам моделирования теплогидравлических процессов в теплотехническом оборудовании ядерных реакторов в программах вычислительной гидродинамики (английская аббревиатура CFD), а также методам расчета долговечности теплопередающих стенок при пульсациях температуры. Весомый вклад в исследование данных вопросов внесли: А.В. Судаков, А.С. Трофимов, В.А. Воробьев, В.В. Болотин, В.П. Бобков, М.Х. Ибрагимов, С.М. Дмитриев, В.М. Москаленко, В.И. Субботин, В.Н. Савин, П.А. Ушаков, А.П. Сорокин, П.Л. Кириллов др.

Однако в изученных работах недостаточно рассмотрены вопросы, посвященные детальному исследованию гидродинамики и теплообмена при смешанной конвекции теплоносителя, характеристикам температурных пульсаций теплопередающих стенок теплообменного оборудования, работающего в этих условиях.

Цель научной работы состоит в выявлении особенностей нестационарного температурного поля в модели коллекторного узла теплообменника очистки и расхолаживания транспортной реакторной установки нового поколения, и их влияния на ресурсные характеристики теплопередающих стенок модели с применением трехмерных расчетных кодов.

Объектом исследования являются процессы нестационарного теплообмена в модели коллекторного узла теплообменника очистки и расхолаживания транспортной реакторной установки нового поколения.

Предмет исследования - влияние конструктивных особенностей модели коллекторного узла теплообменника, а также режимных параметров исследования на характеристики пульсаций температуры в потоке теплоносителя и теплообменных стенках модели в условиях смешанной конвекции теплоносителя.

Задачи диссертационного исследования

1. Разработка методики исследования нестационарного температурного поля и характеристик пульсаций температуры на модели коллекторного узла теплообменника при различных вариантах подвода однофазного теплоносителя в широком диапазоне режимных параметров.

2. Определение закономерностей течения теплоносителя с учетом влияния конструктивных особенностей модели коллекторного узла теплообменника на основе полученных экспериментальных данных.

3. Проведение расчетных исследований нестационарного температурного и напряженно-деформированного состояний модели коллекторного узла теплообменника с использованием трехмерных расчетных кодов.

4. Проведение расчетов долговечности элементов конструкции модели коллекторного узла теплообменника для режимов течения и вариантов подвода теплоносителя, характеризующихся наибольшей интенсивностью термопульсаций.

5. Обобщение экспериментальных данных и создание банка данных для валидации и верификации CFD-кодов, в том числе российских.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

1. Разработана методика проведения экспериментальных исследований, позволяющая изучить нестационарное состояние теплопередающих стенок модели коллекторного узла теплообменника системы очистки и расхолаживания транспортной реакторной установки нового поколения.

2. Впервые проведено комплексное исследование и определены статистические и спектрально-корреляционные характеристики пульсаций температуры теплообменной поверхности модели коллекторного узла теплообменника, обусловленных смешанной конвекцией при различных подводах однофазного теплоносителя.

3. По результатам проведенных исследований выявлены основные закономерности течения потока теплоносителя в модели коллекторного узла теплообменника.

4. Впервые проведен расчет долговечности элементов конструкции модели коллекторного узла теплообменника системы очистки и расхолаживания транспортной реакторной установки нового поколения при термопульсациях, обусловленных свободно-вынужденной конвекцией однофазного теплоносителя.

Практическая и теоретическая значимость работы

Результаты экспериментального исследования нестационарного температурного состояния и характеристик пульсаций температуры модели коллекторного узла в условиях смешанной конвекции однофазного теплоносителя использованы для обоснования ресурсных характеристик теплообменника системы очистки и расхолаживания транспортной реакторной установки нового поколения с помощью численного эксперимента на компьютерной модели.

Результаты данного экспериментального исследования позволили обеспечить верификацию и валидацию полной компьютерной модели теплообменника, разработанной в АО «ОКБМ Африкантов», и отказаться от предусмотренных на ранних стадиях проектирования дорогостоящих и затратных по времени испытаний натурной модели.

Методология и методы исследования

Методологической и теоретической основой диссертационного исследования послужили фундаментальные и прикладные исследования отечественных и зарубежных ученых, направленных на изучение нестационарного температурного состояния и характеристик пульсаций температуры в потоке однофазного теплоносителя и теплообменных стенках теплотехнического оборудования ЯЭУ. Также в качестве методологической базы использовались нормативные документы, материалы отечественных и зарубежных конференций, рецензируемые периодические издания.

Достоверность и апробация результатов исследования

Основные научные положения и выводы по работе хорошо согласуются с современными представлениями о гидродинамических и тепломассообменных процессах, протекающих в теплообменном оборудовании энергетических установок. Выводы диссертационной работы основаны на результатах многочисленных этапов экспериментального исследования на модели коллекторного узла теплообменника аварийного расхолаживания ЯЭУ с обоснованием представительности проводимых исследований и расчетом погрешности измеряемых величин. Измерительные устройства и системы, использованные в проведенном исследовании, аттестованы ФГУ "Нижегородский ЦСМ". Основные положения и результаты работы были представлены и получили одобрение на: "У1-й Российской национальной конференции по теплообмену (МЭИ, г. Москва, 2014 г.), XVI, XVII, XVIII, ХХ-й «Нижегородской сессии молодых ученых» (технические науки) (г. Н. Новгород, 2011-2013, 2015 гг.), Х!Х-й международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (ТПУ, г. Томск, 2013 г.), VIII, IX, X, XI, XII, XIV-й Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (НГТУ, г. Н. Новгород, 2009-2013, 2015 гг.), молодежной научно-технической конференции

«Эксперимент-2010» (ОКБМ, г. Н. Новгород, 2010 г.), межотраслевой научно-технической конференции «корабельная ядерная энергетика - ЯЭУ перспективных объектов ВМФ: требования, концепция, условия создания» (ОКБМ, г. Н. Новгород, 2015 г.), научно-техническом семинаре «Проблемы верификации и применения CFD кодов в атомной энергетике» (ОКБМ, г. Н. Новгород, 2012 г.), научных семинарах кафедры «Атомные, тепловые станции и медицинская инженерия» (НГТУ, г. Н. Новгород, 2010-2013 гг.).

Личный вклад автора

Автором разработаны методы проведения экспериментальных исследований, способы обработки и анализа их результатов. С помощью программных комплексов Ansys CFX и Ansys Mechanical проведены расчетные исследования температурного и напряженно-деформированного состояний экспериментальной модели, выполнен сравнительный анализ полученных расчетных данных с экспериментом. По аттестованной программе РАДОПТ, разработанной в АО «ОКБМ Африкантов», проведен расчет долговечности элементов конструкции модели коллекторного узла.

В проектировании, монтаже теплофизического стенда и модели, а также в проведении экспериментальных исследований автор принимал непосредственное участие в составе творческого научно-исследовательского коллектива.

Автором разработан программный комплекс «Дата процессор 4.1 ИЯЭиТФ», входящий в состав измерительно-вычислительного комплекса теплофизического стенда ФТ-80. Программный комплекс предназначен как для мониторинга и контроля режимных параметров стенда, так и для мониторинга, контроля и обработки динамических процессов и параметров экспериментальных исследований.

Положения, выносимые на защиту

1. Методы и результаты комплексных исследований нестационарного температурного состояния модели коллекторного узла теплообменника при различных вариантах подвода теплоносителя в модель.

2. Результаты анализа характеристик пульсаций температуры теплообменной поверхности модели коллекторного узла теплообменника в условиях смешанной конвекции однофазного теплоносителя.

3. Методы и результаты расчета температурного и напряженно-деформированного состояний модели коллекторного узла теплообменника в программных комплексах Ansys CFX и Ansys Mechanical.

4. Методы и результаты расчета долговечности элементов конструкции модели коллекторного узла теплообменника при наиболее интенсивных пульсациях температуры.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 18 печатных изданиях: 2 публикации в журналах, входящих в список ВАК, 16 в других изданиях (в т.ч. реферируемых в РИНЦ и Scopus). Также получено одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 84 рисунка, 17 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 70 наименований и 7 приложений.

Во введении дается описание тематики диссертации, формулируется актуальность, цель и задачи диссертационной работы, отмечается её научная новизна и практическая значимость, перечисляются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведён анализ современного состояния исследуемого вопроса. Рассматриваются причины возникновения пульсаций температуры в теплообменном оборудовании энергетических установок, работающих как при стационарных, так и нестационарных режимах, анализируются способы их устранения. Рассматриваются методы оценки долговечности элементов конструкций теплообменного оборудования при длительных термоциклических нагрузках.

В результате проведенного обзора выявлено отсутствие систематизированных данных о характеристиках термопульсаций и температурных напряжений, обусловленных смешанной конвекцией теплоносителя в элементах теплообменного оборудования ЯЭУ. Имеющиеся данные по температурному состоянию теплопередающей поверхности получены в узком диапазоне режимных параметров и, в основном, для простых теплообменных поверхностей. Отсутствует универсальная методология, позволяющая оценить долговечность теплопередающей поверхности модели коллекторного узла при термопульсациях, в том числе в условиях смешанной конвекции теплоносителя.

Во второй главе представлено описание экспериментальной модели, теплофизического стенда, измерительно-вычислительного и программного комплекса. Представлено описание методов проведения исследований и обработки полученных результатов. Дана оценка достоверности результатов экспериментальных исследований.

В третьей главе описываются методы проведения расчетных исследований нестационарного температурного и напряженно-деформированного состояний

экспериментальной модели. Приведено описание метода расчета долговечности элементов конструкции модели.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований нестационарного температурного состояния и характеристик пульсаций температуры при смешанной конвекции однофазного теплоносителя.

Пятая глава посвящена результатам расчетов нестационарного температурного и напряженно-деформированного состояний экспериментальной модели в программных комплексах Ansys CFX и Ansys Mechanical, а также результатам расчета долговечности элементов конструкции модели.

В Заключении приведены основные выводы выполненной работы.

В Приложении приводятся фактические экспериментальные данные.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, д.т.н., профессору С.М. Дмитриеву за постоянное внимание и большую помощь, оказанную при выполнении работы, ценные советы и критические замечания, учтенные автором при обсуждении её результатов.

Автор благодарит сотрудников кафедры "Атомные и тепловые станции" за помощь, оказанную при проведении экспериментов, А.Е. Хробостова, В.И. Мельникова за внимание к работе и ценные советы, высказанные при её обсуждении, Э.Г. Новинского и других сотрудников АО «ОКБМ Африкантов», принимавших участие в обсуждении её результатов.

Глава 1 Современное состояние и теоретические основы исследуемого вопроса

1.1 Нестационарное температурное состояние теплопередающих поверхностей теплообменного оборудования 1.1.1 Причины возникновения температурных пульсаций в стенках теплопередающих поверхностей теплообменного оборудования

Одними из наиболее ответственных элементов оборудования современной ЯЭУ являются теплообменные аппараты, в частности, теплообменники систем аварийного расхолаживания реакторных установок, без надёжной работы которых невозможно обеспечение безопасной и экономичной работы РУ в целом.

Основные требования, предъявляемые к теплообменному оборудованию, - это высокая надёжность и эффективность в сочетании с минимально возможной массой и габаритами. Однако естественное стремление к минимизации массогабаритных характеристик ТА приводит к высокой теплонапряжённости их теплообменной поверхности. Наличие высоких тепловых потоков приводит к возникновению температурных напряжений, оказывающих значительное влияние на долговечность оборудования. Особого внимания при этом заслуживают переменные во времени составляющие температурных напряжений, длительное воздействие которых приводит к интенсификации коррозионных процессов и возникновению усталостных трещин, что может вызвать преждевременное разрушение теплообменной поверхности. Этот эффект заслуживает детального изучения. В частности, важно изучить причины, вызывающие пульсации температуры теплообменной поверхности.

Причины возникновений термопульсаций можно разделить на несколько групп: пульсации, вызванные случайным отклонением мощности источника теплоты от среднего значения, кризисными явлениями при теплообмене, турбулентностью движущихся сред, фазовыми превращениями, смешением неизотермических потоков, неустойчивой конвекцией рабочих сред, свободной и смешанной конвекцией теплоносителя. В определённых условиях эти виды пульсаций накладываются друг на друга.

Авторы работ [2, 3] предлагают различать внешнюю и внутреннюю причины, вызывающие пульсации температуры стенки.

Внешняя причина обусловлена теми ограничениями, которые наложены на поток (граничные и входные условия) и определяются способом обтекания (продольное или поперечное) потоком теплоносителя теплопередающих труб, геометрией канала, условиями на входе, случайным во времени перераспределением расхода по отдельным ячейкам трубного пучка и каналам и т.д.

Внутренняя причина обусловлена самой структурой потока теплоносителя. Термопульсации теплопередающих стенок происходят в результате неустановившихся во времени и (или) в пространстве условий теплообмена. Например, температурные пульсации могут являться следствием наступления кризиса теплоотдачи второго рода, в результате чего происходит попеременное омывание поверхности в зоне кризиса либо плёнкой жидкости, либо паром. Для прямоточных парогенераторов эти пульсации являются неотъемлемым свойством рабочего процесса в аппарате.

Возникновение пульсаций температуры в стенке в условиях стационарного теплообмена связано со случайным движением турбулентных вихрей в потоке греющего теплоносителя [46]. Температурные пульсации в стенке в этом случае носят характер широкополосного случайного процесса. Их величина пропорциональна тепловому потоку и зависит от скорости движения теплоносителя, геометрических характеристик канала, состояния поверхности и т.д. Среднеквадратичное отклонение температурных пульсаций в стенке составляет 2,0 - 3,5 % от суммарного температурного напора между рабочими средами и достигает существенных значений лишь при больших тепловых потоках q « 0.5-106 Вт/м2 [5-7]. При относительно небольших тепловых потоках в металл теплопередающей стенки проникают лишь низкочастотные возмущения (0,2-1.0 Гц), однако по мере увеличения теплового потока стенке могут передаваться и более высокочастотные флуктуации (8 - 10 Гц) [1].

Из сказанного можно заключить, что рассмотренный тип температурных колебаний к турбулентным следует относить лишь условно. При значительных тепловых потоках ^ « 1-106 Вт/м2) следует учитывать влияние этих термопульсаций на ресурсные характеристики оборудования.

Иной характер имеют пульсации температуры в стенке канала парогенератора на экономайзерном участке, вызванные внешней гидродинамической неустойчивостью потока среды второго контура. В этом случае температурные пульсации в стенке связаны с колебаниями средней температуры потока и изменением локального коэффициента теплоотдачи при пульсациях расхода среды второго контура [38]. Температурные пульсации в стенке имеют более упорядоченный характер, и их величина значительно выше величины температурных пульсаций в стенке при постоянном расходе среды второго контура.

В зонах пристенного и объемного кипения пульсации температуры стенки обусловлены случайным характером образования пузырьков и пленок пара на обогреваемой поверхности. Паровые пузыри, зарождаясь на поверхности, вызывают локальное повышение температуры стенки за счет меньшего значения коэффициента теплоотдачи «стенка - пар» по сравнению с коэффициентом теплоотдачи «стенка - жидкость». Отрыв пузыря вызывает резкое снижение температуры стенки [39]. Температурные пульсации в стенке носят характер широкополосного

случайного процесса. Их величина зависит от температурного напора состояния

поверхности и т.д. и не достигает больших значений [39, 40].

Процессам неизотермического смешения теплоносителей с различной температурой в тройниковых соединениях и долговечности элементов трубопроводов, работающих в этих условиях посвящено достаточное количество работ российских и зарубежных авторов [49-55]. В работе [1] исследовано температурное состояние в тройниках с прямым и косым патрубками. Частота случайных термопульсаций не превышала 10 Гц. Величина эффективного периода составляла 1,0 - 1,5 с при максимальном размахе температурных колебаний - до 40% перепада температур между смешиваемыми потоками. Установлено, что при проникновении в стенку происходит снижение амплитуды пульсаций. Согласно авторской методологии расчета, для оценки амплитуды термопульсаций на поверхности стенки следует применить соотношение:

А,

СТ

1 + 2 •

п-/• !• р• с ^2

а

п-/• Х-р-с

а

(11)

Глубину проникновения в стенку можно оценить по формуле:

х = 1,6^

п Х

1

Угол отставания по фазе пульсаций на поверхности от пульсаций в теплоносителе:

г 1' пр• / •с ^ 2

(12)

р = ат^

1 +

а

(13)

В рассмотренных соотношениях А - амплитуда термопульсаций в теплоносителе; / -частота пульсаций, Гц; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); Х - теплопроводность стенки, Вт/(мК); р- плотность материала стенки, кг/м3; с - удельная теплоемкость материала стенки, Дж/(кг К). В [36] приведены результаты исследований, посвященных разработке смесительных устройств и температурному состоянию в них. В результате экспериментально подтверждена формула для оценки размаха термопульсаций, обусловленных смешением теплоносителей:

Т - Т

д^-т _ гор хо

2,0 - 2,5

(14)

Эффективный период термопульсаций составил от 0,5 до 2,0 с. При проведении прочностных расчетов рекомендовано принимать значение эффективного периода, равное 0,5 с.

Одной из причин интенсивных термопульсаций, является наличие свободноконвективных течений потоке теплоносителя. Данное явление описано разработчиками реакторов типа ВВЭР при проектировании приводов СУЗ [41]. Пульсации

возникали при рассмотрении различных конструкций и были связаны с особенностями и интенсивностью охлаждения приводов. Эксперименты на различных моделях и непосредственно на приводах СУЗ в стендовых условиях показали, что наибольшая интенсивность термопульсаций возникает в местах наиболее интенсивного перемешивания жидкости в результате свободно-вынужденной конвекции в условиях значительного температурного градиента по высоте. Частота этих пульсаций находится в диапазоне 0 - 0,5 Гц. Основная энергия термопульсаций сосредоточена в интервале частот от 0 до 0,2 Гц. Автокорреляционная функция и спектральная плотность имеют экспоненциальный вид, характерный для узкополосных гауссовских случайных процессов. Рост температуры сопровождал увеличение интенсивности и частоты колебаний температуры.

Авторами [16] исследована турбулентная свободная конвекция жидкого натрия в прямой теплоизолированной трубе с торцевыми теплообменниками, обеспечивающими фиксированный перепад температуры. Эксперименты выполнены для фиксированного числа Рэлея и различных углов наклона трубы к вертикали. В условиях крупномасштабной циркуляции величина интенсивности термопульсаций не превышала 5% от величины теплоперепада.

В работе [42] испытания проводились в тепловой трубе, выполненной в виде змеевика с внутренним диаметром 2 мм и длиной 4,5 м. Змеевик имел в своем составе три зоны: нагрева, теплотранспорта и охлаждения. В работе исследован характер пульсаций температуры в зависимости от значений тепловой нагрузки при свободной конвекции. Установлено, что исследованные термопульсации, возникающие в каждой из зон тепловой трубы, носят случайный характер.

Интенсивные пульсации температуры сопровождают процессы теплообмена при смешанной конвекции теплоносителя. Этот вид конвекции имеет место в случаях, когда при наличии вынужденного движения свободная конвекция, тем не менее, оказывает существенное влияние на процесс теплоотдачи [56,57]. Экспериментальным исследованиям ламинарного смешанно-конвективного течения жидкости и теплообмена в каналах различной конфигурации посвящены работы [58,59]. Турбулентной смешанной конвекции посвящен большой обзор [57].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рязапов Ренат Рамильевич, 2022 год

л 1.

- ч .1/ . л Л. и, ы, л и, 1 к 1

т^тштшлшкттт иимшни '1111 шлкш л

я -Я 1 1 1 f

— 1 1 3 Термопара £20 И

_ — гжс шеримент :че'1

- - — 1 —• рас 1 1

20

40 60

Время, с

б

80

100

в г

Рисунок 5.1 - Характерные экспериментальные и расчетные временные реализации пульсаций температур в стенке (а, в) и в потоке теплоносителя (б, г) полученные для теплообменной

трубки

а

Рисунок 5.2 - Расчетное (1, 3) и экспериментальное (2, 4) распределения температуры в потоке теплоносителя и в стенках теплообменных труб

Коллектор сечение 1 Коллектор сечение 2 Коллектор сечение 3

Рисунок 5.3 - Расчетное (1) и экспериментальное (2) распределения температуры в теплообменной стенке коллектора

Сравнительный анализ статистических характеристик расчетных и экспериментальных пульсаций температуры, таких как интенсивность, взаимно корреляционная функция, спектральная плотность пульсаций показал, что:

- расчетная величина интенсивности температурных пульсаций несколько выше экспериментальной, что наиболее характерно для температуры стенки.

- вид энергетических спектров пульсаций температур, полученных в результате расчета и эксперимента, имеет схожий характер.

Установлено, что максимальными величинами размаха пульсаций температур поверхности теплообменной стенки характеризуются боковые варианты подвода теплоносителя. Наибольшая величина интенсивности пульсаций зарегистрирована для периферийных, относительно области входа теплоносителя в канал, трубок.

5.2 Результаты расчета НДС коллекторного узла 5.2.1 Результаты поверочного расчета НДС коллекторного узла

В результате обработки расчетных данных были получены распределения условно-упругих напряжений модели коллекторного узла теплообменника. Распределения эквивалентных напряжений (по Мизесу) для каждого режима эксплуатации представлены на рисунках 5.4-5.7.

Сравнительный анализ полученных расчетных данных позволяет сделать следующие основные выводы:

1. Распределение напряжений на поверхности коллекторного узла в определенной степени коррелирует с распределением температурного поля, поскольку температурные напряжения в среднем превышают механические в несколько раз.

2. Прослеживается корреляция распределения напряжений от варианта подвода теплоносителя:

- в области наружной поверхности коллектора, расположенной напротив левого подвода, четко выражено пятно контакта с горячим теплоносителем, обладающее повышенными значениями напряжений относительно общего распределения по коллектору;

- в области теплообменных трубок, расположенных напротив правого подвода, также прослеживается увеличение напряжений, поскольку именно в эту зону направлен поток теплоносителя на соответствующих режимах.

3. Наибольшие суммарные напряжения наблюдаются в зоне соединения теплообменных трубок и коллектора (рисунки 5.8, 5.9). Проверка соответствия расчетных напряжений допускаемым, по результатам проверочного расчета, осуществлялась согласно нормативным условиям статической прочности для элементов реакторов, парогенераторов, сосудов, теплообменников (п.3.2.2 таблица 3.8). Величина допустимых напряжений выбирается, исходя из соотношения:

[а ] = min { RTm/nm; RTp0,2/n0,2; RTmt/nmt }, (5.2)

где nm = 2,6; n0,2 = 2; nmt = 2. Табличное значение предела текучести для стали 12Х18Н10Т при 155°С составляет Rp0.2 = 210 МПа. При n0,2 = 2, допускаемое напряжение [а] = 105 МПа.

Наибольшие механические напряжения возникают при боковом варианте подвода теплоносителя на уровне верхнего коллектора, при рю1 = 213 кг/(м2с). Максимальная интенсивность напряжений в этом случае равна 115 МПа. Максимальные общие мембранные напряжения составляют 81,5 МПа, что не превышает допускаемого напряжения. Тогда максимальные общие изгибные напряжения не могут быть больше разницы суммарных напряжений и общих мембранных напряжений в 33,5 МПа, что тоже не превышает допустимого напряжения. Размахи общих мембранных, общих изгибных и температурных напряжений не превышают двух пределов текучести стали.

б

а - левый вариант подвода теплоносителя; б - правый вариант подвода теплоносителя Рисунок 5.4 - Распределение эквивалентных напряжений коллекторного узла теплообменника proi = 213 кг/(м2с) (вид со стороны правого подвода теплоносителя)

а

б

а - левый вариант подвода теплоносителя; б - правый вариант подвода теплоносителя Рисунок 5.5 - Распределение эквивалентных напряжений коллекторного узла теплообменника pro1 = 213 кг/(м2с) (вид со стороны левого подвода теплоносителя)

а

б

а - левый вариант подвода теплоносителя; б - правый вариант подвода теплоносителя Рисунок 5.6 - Распределение эквивалентных напряжений коллекторного узла теплообменника рю1 = 553 кг/(м2с) (вид со стороны правого подвода теплоносителя)

а

б

а - левый вариант подвода теплоносителя; б - правый вариант подвода теплоносителя Рисунок 5.7 - Распределение эквивалентных напряжений коллекторного узла теплообменника рю1 = 553 кг/(м2с) (вид со стороны левого подвода теплоносителя)

б

а - левый вариант подвода теплоносителя; б - правый вариант подвода теплоносителя Рисунок 5.8 - Зоны коллекторного узла, с наибольшими значениями эквивалентных

напряжений рю1 = 213 кг/(м2с)

а

б

а - левый вариант подвода теплоносителя; б - правый вариант подвода теплоносителя Рисунок 5.9 - Зоны коллекторного узла, с наибольшими значениями эквивалентных

напряжений рю1 = 553 кг/(м2с)

5.2.2 Результаты расчета НДС КЭМФК

В ходе анализа реализаций термопульсаций, полученных в результате повторного теплового расчета в ANSYS CFX , было установлено, что амплитуда пульсаций температуры в в «опасных» зонах, определенных по результатам поверочного расчета, («опасные» зоны от механической и стационарной тепловой нагрузки) для всех рассмотренных режимов не превышает значения 2 °С. Таким образом, величины размахов усталостных напряжений в этих областях будут очень малы, и проводить расчет долговечности для участков теплообменной поверхности не следует. Поэтому для оценки долговечности теплообменной поверхности были выбраны участки коллекторного узла, амплитуды температурных пульсаций которых имели по результатам повторного теплового расчета максимальные значения. Во всех рассмотренных режимах эксплуатации данные области находятся в районе теплообменных трубок, по этой причине расчет напряженно-деформированного состояния проводился на одной и той же конечно-элементной модели.

В ходе анализа реализаций температуры в зонах с наибольшими пульсациями были определены параметры температурного нагружения для выполнения расчета напряжений в ANSYS Mechanical в одномерной постановке. Значения средней температуры в «опасной» точке и интенсивности пульсаций температуры для соответствующих режимов приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 - Параметры теплового расчета

Режим 5 6 7 8

Средняя температура теплообменной поверхности, °С 116 145 130 161,5

Интенсивность пульсации температуры, °С 11 9 16,5 12,5

На рисунках 5.10 - 5.13 представлены распределения температуры и напряжений в фрагменте теплообменной трубки коллектора для каждого экспериментального режима при решении задачи нахождения термических напряжений в одномерной постановке. Как видно из рисунков, при этом в каждом узле наружной поверхности теплообменной трубки приложены одинаковые значения температуры, которые на временном интервале 50 секунд меняются по синусоидальному гармоническому закону (п.3.2.4, (3.8)).

В ходе выполнения расчета были получены размахи напряжений, величины которых приведены в таблице 5.4.

Таблица 5.4 - Размах термических напряжений (решение задачи в одномерной постановке)

Режим 5 6 7 8

Размах напряжений, МПа 41 34 63 48

На рисунках 5.14 - 5.15 - представлены распределения температуры и напряжений в теплообменной трубке коллектора для 6 и 8 режимов при решении задачи нахождения термических напряжений с учетом пространственного распределения температурного поля. Величины максимальных размахов напряжений для этих режимов представлены в таблице 5.5.

Таблица 5.5 - Размах термических напряжений (решение задачи в пространственной постановке)

Режим 6 8

Размах напряжений, МПа 85 68

Распределение кольцевых напряжений по толщине стенки теплообменной трубы для режимов 6 и 8 приведены на рисунке 5.16.

в г

а - распределение температуры «холодное» состояние; б - распределение температуры «горячее» состояние; в - распределение интенсивности напряжений «холодное» состояние; г -распределение интенсивности напряжений «горячее» состояние Рисунок 5.10 - Распределение температуры и интенсивности напряжений в стенке теплообменной трубки для левого варианта подвода теплоносителя pœi = 213 кг/(м2с)

б

а

в г

а - распределение температуры «холодное» состояние; б - распределение температуры «горячее» состояние; в - распределение интенсивности напряжений «холодное» состояние; г -распределение интенсивности напряжений «горячее» состояние Рисунок 5.11 - Распределение температуры и интенсивности напряжений в стенке теплообменной трубки для левого варианта подвода теплоносителя рю1 = 553 кг/(м2с)

б

а

в г

а - распределение температуры «холодное» состояние; б - распределение температуры «горячее» состояние; в - распределение интенсивности напряжений «холодное» состояние; г -распределение интенсивности напряжений «горячее» состояние Рисунок 5.12 - Распределение температуры и интенсивности напряжений в стенке теплообменной трубки для правого варианта подвода теплоносителя рю1 = 213 кг/ (м2 • с)

б

а

в г

а - распределение температуры «холодное» состояние; б - распределение температуры «горячее» состояние; в - распределение интенсивности напряжений «холодное» состояние; г -распределение интенсивности напряжений «горячее» состояние Рисунок 5.13 - Распределение температуры и интенсивности напряжений в стенке теплообменной трубки для правого варианта подвода теплоносителя proi = 553 кг/(м2с)

б

а

а - распределение температуры «холодное» состояние; б - распределение температуры «горячее» состояние; в - распределение интенсивности напряжений «холодное» состояние; г -распределение интенсивности напряжений «горячее» состояние Рисунок 5.14 - Распределение температуры и интенсивности напряжений в стенке теплообменной трубки для левого варианта подвода теплоносителя рю1 = 553 кг/ (м2 • с)

б

а

в

г

а - распределение температуры «холодное» состояние; б - распределение температуры «горячее» состояние; в - распределение интенсивности напряжений «холодное» состояние; г -распределение интенсивности напряжений «горячее» состояние Рисунок 5.15 - Распределение температуры и интенсивности напряжений в стенке теплообменной трубки для правого варианта подвода теплоносителя рю1 = 553 кг/(м2с)

б

а

в

.25 .75 1.25 1.75 2.25

а

.25 .75 1.25 1.75 2.25

б

а - левый вариант подвода; б - правый вариант подвода Рисунок 5.16 - Распределение кольцевых напряжений по толщине стенки теплообменной трубы

рю1 = 553 кг/(м2с)

5.3 Результаты расчета долговечности элементов конструкции коллекторного узла

Результаты расчета долговечности при постановке задачи без учета пространственного распределения температурного поля приведены в таблице 5.6.

Таблица 5.6 - Результаты оценки долговечности коллекторного узла одномерной постановке

Режим 5 6 7 8

Число циклов до зарождения трещины >1012 >1012 >1012 >1012

Результаты расчета долговечности при постановке задачи с учетом пространственного распределения температурного поля приведены в таблице 5.7.

Таблица 5.7 - Результаты оценки долговечности коллекторного узла с учетом пространственного распределения температурного поля

Режим 6 8

Число циклов до зарождения трещины 3,57 109 6,14 1011

Расчет долговечности при одномерном распределении температурного поля по толщине стенки, показал недостаточную точность полученных результатов. Для каждого режима было получено одинаковое значение числа циклов до зарождения трещины, поэтому выделить наилучший с точки зрения долговечности режим, не представляется возможным.

Расчет долговечности для пространственного распределения температуры стенки, позволил получить конкретные для каждого режима результаты. Это объясняется тем, что при данном подходе, в качестве граничных условий теплового расчета задавалось неравномерное распределение температурного поля по поверхности теплообменной стенки. Сравнение величин технического ресурса при использовании двух различных подходов к заданию граничных условий, показало, что решение задачи нахождения температурных напряжений во втором случае приводит к меньшим на порядок величинам технического ресурса, поскольку данный вариант характеризуется большими размахами температурных напряжений.

На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что наилучшим, с точки зрения долговечности при пульсациях температуры, является правый режим подвода теплоносителя на уровне верхнего коллектора при массовой скорости теплоносителя рю1 = 553 кг/(м2с).

5.4 Выводы по пятой главе

1. Проведено расчетное моделирование нестационарного температурного состояния коллекторного узла с целью выявления наиболее термически напряженных зон теплообменной поверхности.

2. Выполнен поверочный прочностной расчет. Расчетные категории напряжений не превышают допускаемых.

3. Проведено расчетное моделирование напряженно-деформированного состояния фрагментов коллекторного узла, при котором реализованы два способа задания граничных условий для определения термических напряжений: задание гармонического закона изменения температуры наружной стенки; задание пространственного распределения температурного поля.

4. Выявлены расхождения в результатах оценки напряженно-деформированного состояния при использовании различных подходов к заданию граничных условий температуры наружной стенки.

5. Проведена оценка долговечности элементов конструкции модели коллекторного узла теплообменника ЯЭУ при различных вариантах подвода теплоносителя в диапазоне массовых скоростей от 213 до 553 кг/(м2с).

6. Оценка долговечности по результатам решения задачи в пространственной постановке позволила получить более точные значения технического ресурса, благодаря адекватному моделированию температурного состояния элемента коллекторного узла. В результате сравнительного анализа полученных значений технического ресурса было установлено, что максимальная работоспособность коллекторного узла достигается при верхнем варианте подвода и боковом варианте подвода теплоносителя на уровне верхнего коллектора.

Заключение

Исследования, выполненные в диссертационной работе, позволили установить особенности нестационарного температурного поля в модели коллекторного узла теплообменника очистки и расхолаживания транспортной реакторной установки нового поколения. Изучено влияние конструктивных особенностей модели коллекторного узла, а также режимных параметров исследования на характеристики температурных пульсаций в потоке теплоносителя и теплообменных стенках модели в условиях смешанной конвекции теплоносителя. Установлено, что пульсации температуры стенки имеют характерные пики в области частот от 0,08 Гц до 0,15 Гц. Основная энергия спектра пульсаций температуры сгруппирована в полосе частот от 0 Гц до 0,4 Гц.

Проведено расчетное моделирование температурного и напряженно-деформированного состояния модели коллекторного узла с применением трехмерных расчетных кодов, по результатам которого выполнена оценка технического ресурса теплообменных стенок модели.

В диссертационной работе решены следующие научно-технические задачи:

1. Проведено экспериментальное исследование нестационарного температурного состояния и характеристик температурных пульсаций на модели коллекторного узла для четырех различных вариантов подвода однофазного теплоносителя к коллекторному узлу в широком диапазоне режимных параметров. Разработаны программные средства, устройства и методы проведения исследования и обработки экспериментальной информации.

2. На основании полученных данных определены закономерности течения потока теплоносителя с учетом конструктивных особенностей модели коллекторного узла и влияние этих особенностей на температурное состояние и ресурсные характеристики модели.

3. Разработаны расчетные модели и проведено численное моделирование нестационарного температурного и напряженно-деформированного состояний фрагмента коллекторного узла теплообменника с применением трехмерных кодов Ansys CFX и Ansys Mechanical. Выявлены существенные расхождения в результатах оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкции модели при использовании различных подходов к заданию граничных условий температуры наружной стенки. По результатам расчетов определены наиболее термически напряженные зоны теплообменной поверхности.

4. Проведены расчеты долговечности элементов конструкции модели коллекторного узла для режимов течения теплоносителя и вариантов подводов, характеризующихся наибольшей интенсивностью термопульсаций. Установлено, что максимальная

работоспособность коллекторного узла, свыше 1012 циклов нагружения, достигается при верхнем и боковом вариантах подвода теплоносителя на уровне верхнего коллектора.

5. Обобщены экспериментальные данные и создан банк данных для верификации CFD-кодов, в том числе российских.

Результаты экспериментального исследования использованы в АО «ОКБМ Африкантов» при обосновании ресурсных характеристик теплообменника системы очистки и расхолаживания транспортной реакторной установки нового поколения с помощью численного эксперимента на компьютерной модели.

Список сокращений и условных обозначений

ИВК - измерительно-вычислительный комплекс; КИП - контрольно-измерительные приборы; КЭМ - конечно-элементная модель

КЭМФК - конечно-элементная модель фрагмента конструкции;

МКУ - модель коллекторного узла;

НДС - напряженно-деформированное состояние;

ПГЭ - парогенерирующий элемент;

ПО - подогреватель охладитель;

ПП - первичный преобразователь;

РУ - реакторная установка;

СУЗ - система управления и защиты;

ТА - теплообменный аппарат;

ТПР - турбинный преобразователь расхода;

ЭВМ - электронно-вычислительная машина;

ЭМ - экспериментальная модель;

ЯЭУ - ядерная энергетическая установка

Условные обозначения

c - удельная теплоемкость, Дж/(кгК); d - диаметр, м;

dp1 - перепад давления среды I контура между входом и выходом экспериментальной модели, кПа;

E - модуль упругости, Па; f - частота колебаний, Гц; G - массовый расход, кг/с; g - ускорение свободного падения, м/с2; h - высота, м; L - длина, м;

M - математическое ожидание; М - молярная масса, кг/моль; m - масса, кг; P - давление, Па;

p3_in - давление охлаждающей воды на входе в экспериментальную модель, МПа; p1_in - давление теплоносителя на входе в экспериментальную модель, МПа;

Q - объемный расход, м3/с; q - плотность теплового потока, Вт/м2; S - среднеквадратичное отклонение; T - температура, °С;

t1+t48 - температуры теплообменных труб модели. Нечетные (t1, t3,...,t47) -температуры теплообменных стенок труб, четные (t2, t4,...,t48) - температуры в потоке теплоносителя, °С;

tk1+tk12 - температуры теплообменных стенок верхнего коллектора экспериментальной модели, °С;

tt1+tt3 - температуры потока теплоносителя в сечении, расположенном на 50 мм ниже верхнего коллектора экспериментальной модели °С;

t1_out - температура выхода теплоносителя, °С;

t1_in - температура входа теплоносителя, °С;

t3_in - температура входа охлаждающей воды, °С;

t3_out - температура выхода охлаждающей воды, °С;

time- время, с;

V - скорость потока, м/с;

W - объем, м3;

CFL - Критерий Куранта;

Gr - критерий Грасгофа;

Pr - критерий Прандтля;

Ra - критерий Релея;

Re - число Рейнольдса;

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К);

Л - коэффициент гидравлического сопротивления трения; Л - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК);

р - плотность среды, кг/м3; ра- массовая скорость среды, кг/(м2-с); р - координатный угол, град;

Список литературы

1. Судаков, А.В. Пульсации температур и долговечность элементов энергооборудования /

A.В. Судаков, А.С. Трофимов - Л.: Энергоатомиздат, 1989, - 176 с.

2. Воробьев, В. А. Оценка долговечности парогенерирующей трубы при термоусталости /

B.А. Воробьев, Э. X. Пыльченков, О. В. Ремизов // Прикладная механика. - 1974. - вып. 8, т. 10. -

C. 90- 97.

3. Воробьев, В.А. Расчет распределения статистических характеристик температуры по толщине теплопередающей стенки / В.А. Воробьев, О.В. Ремизов // ФЭИ -228, Обнинск, 1970, 48 с. (ИФЖ, 1974, т. 27, № 5, С. 20-25.).

4. Болотин, В.В. Расчет статистических характеристик случайного поля температур в пластине при турбулентном теплообмене / В.В. Болотин, М.Х. Ибрагимов, В.И. Меркулов, В.Н. Москаленко В.Н. // Теплофизика высоких температур. - 1967. - № 5. - С. 933-936.

5. Ибрагимов М.Х., Меркулов В.И., Москаленко В.Д. Статистические характеристики пульсаций температуры стенки теплообменника при высоких тепловых потоках. В сб. Жидкие металлы. М.: 1967.

6. Болотин В.В., Волоховский В.Ю. Применение теории надежности к расчету пластин и оболочек / Теория оболочек и пластин. Труды VIII Всезоюзной конференции. М., Наука, 1973 -С.394-399

7. Бобков В. П., Грибанов Ю. И. Статистические измерения в турбулентных потоках. - М.: Энергоатомиздат, 1988. — 168 с.: с ил. -(Физика и техника ядерных реакторов; Вып.36).

8. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. - М., Мир, 1989 - 540с.

9. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. - М., Мир., 1982 - 428с.

10. Ибрагимов М.Х. Статистические методы исследования процессов турбулентности. Обнинск, 1976 - 67с.

11. Москаленко В.М., Харионовский В.В. Прочность элементов теплообменных устройств в условиях случайных пульсаций температур. - М., Атомиздат, 1979 - 168с.

12. Субботин В.И., Ибрагимов М.Х., Ушаков П.А. и др. Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках. -М.: Атомиздат, 1975 - 408с.

13. Кошкин В.К., Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо Г.А. Нестационарный теплообмен. -М.:1973 -328с.

14. Судаков А.В., Трофимов А.С. Напряжения при пульсациях температур. -М., Атомиздат, 1980 - 64с.

15. Клевцов, И.А. Пульсации термических напряжений и циклическая усталость элементов энергоустановок / И.А. Клевцов // Теплоэнергетика. - 1990. - № 6. - С. 115-125.

16. Турбулентный конвективный теплообмен в наклонной трубе, заполненной натрием /

A.Ю. Васильев [и др.] // Журнал технической физики. - 2015. - т.85, вып. 9. -С.45 - 49.

17. Ибрагимов М.Х., Субботин В.И., Бобков В.П.,Сабелев Г.И., Таранов Г.С. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах. М., Атомиздат, 1978 - 296с.

18. Трофимов А.С. Прикладные решения нестационарных задач тепломассопереноса / А.С. Трофимов, А.В. Судаков, А.В. Козлов Л.: Энергоатомиздат. 1991 - 161 с.

19. Бабыкин, А.С., Долговечность теплопередающей поверхности при низкочастотной пульсации расхода теплоносителя / А.С. Бабыкин [и др.] // Труды ЦКТИ. - 1988. - № 247. - С. 2732.

20. Болотин В.В. Применение методов теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М., Стройиздат, 1971 - 254с.

21. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М., Машиностроение, 1984 - 312с.

22. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М., Машиностроение, 1990 - 447с.

23. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. М., Машиностроение, 1975.

24. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. 5-е изд., доп. М., «Атомиздат», 1979 -

416с.

25. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М., Высшая школа, 1967 - 599с.

26. Боли Б.,Уэйнер Дж. Теория температурных напряжений. М, «Книга по требованию», 2014 - 512с.

27. Судаков, А. В. Напряжения при пульсациях температур / А. В. Судаков А. С. Трофимов. М., Атомиздат, 1980 - 64 с.

28. Ибрагимов, М.Х. О случайных термоупругих напряжениях в стенке, обусловленных пульсациями температуры / М.Х. Ибрагимов [и др.] //Атомная энергия. -1966. - №6. - С.513-514.

29. Воробьев, В.А. Оценки долговечности парогенерирующей трубы при термоусталости /

B.А. Воробьев [и др.] // Прикладная механика. - 1974 . - том 10, № 8. - С. 90-97.

30. Савин В.Н., Гулина О.М. Физико-статистическая оценка ресурса теплообменных труб с начальными дефектами производства в виде трещин. В сб. Теплофизика и гидродинамика активной зоны и парогенераторов для быстрых реакторов. 1978, т.2, СЭВ, ЧСКЭ, Прага.

3 1. Глебов, В.П. Исследование работы прямоточной ПГ трубы в условиях кризиса теплоотдачи при кипении 2-го рода / В.П. Глебов, И.А. Клевцов // Теплоэнергетика. - 1987. - № 12. С . 30-34.

32. Антикайн, П.А. К оценке долговечности прямоточных парогенерирующих труб в зоне кризиса кипения II рода / П.А. Антикаин // Теплоэнергетика. - 1987. - № 12. - С.56-60.

33. ГОСТ 25.101-83 Расчёты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов М.:Изд-во стандартов, 1984 - 21с.

34. Красноухов, Ю.В. Исследование температурного режима змеевикового парогенерирующего канала при малых паросодержаниях / Ю.В. Красноухов, И.С. Кудрявцев // Труды ЦКТИ. - 1988. - вып.147. - С. 22-26.

35. Сергеев, В.В. Закризисный теплообмен в кольцевом канале с двухсторонним обогревом / В.В. Сергеев // Атомная энергия. - 1986. - т. 60, вып. 3. - С. 172-176.

36. Словцов, С.В. Надежность и долговечность элементов ПГ в условиях пульсаций температур / С.В. Словцов, А.В. Судаков // Труды ЦКТИ. - 1982. - № 199. - С. 84-92.

37. Кириллов, П.Л. Пульсации температуры в теплопередающей стенке модели ПГ с обогревом натрием / П.Л. Кириллов // Атомная энергия. - 1983. - т. 54, № 5. - С.45-56

38. Маркус, Б. Экспериментальное исследование температурных профилей в перегретом пограничном слое над горизонтальной поверхностью при кипении воды в большом объёме / Маркус Б., Дропкин Д. // Теплопередача. - 1965. - № З. -С. 14-24.

39. Дорощук В.Е. Кризисы теплообмена при кипении воды в трубах. М., Энергия, 1970 -

168с.

40. Кириллов П.Л. Расчет критических тепловых нагрузок при кипении в трубах // Кризис теплообмена при кипении в каналах. Обнинск. ФЭИ. 1974 - 100 с.

41. Масленок, Б.А. Влияние конструктивных особенностей на температурный режим и долговечность привода и патрубка СУЗ реакторов ВВЭР-440 / Б.А. Масленок [и др.] // Энергомашиностроение. - 1977. - №2. - С. 24-28.

42. Дмитрин, В.И. Экспериментальные исследования замкнутой осциллирующей тепловой трубы. / В.И. Дмитрин, Ф.И. Майданик // Теплофизика высоких температур. - 2007. -№5 (45). - С. 772-776.

43. Рязапов, Р.Р. Программа для ЭВМ «Дата процессор 4.1 ИЯЭиТФ» / Р.Р. Рязапов [и др.] // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015660655 зарегистрировано 05.10.2015. РОСПАТЕН.Т (Вклад соискателя 70%).

44. Тревис, Дж. Labview для всех / Дж. Тревис - М.: ДМК, 2005 - 365с.

45. Будов, В.М. Форсированные теплообменники ЯЭУ / В.М. Будов, С.М. Дмитриев. -М.: Энергоатомиздат, 1989. - 174с.

46. Преображенский, В.П. Теплотехнические измерения и приборы / М.: Энергия, 1978 -

704с.

47. Рязапов, Р.Р. Экспериментальное исследование нестационарного температурного состояния и характеристик термопульсаций фрагмента коллекторного узла теплообменника

ЯЭУ / С.М. Дмитриев [и др.] // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - 2013. - №4 (101). - С. 206212. (ВАК). (Вклад соискателя 40%)

48. Рязапов, Р.Р. Расчетно-экспериментальное исследование термопульсаций фрагмента коллекторного узла теплообменника системы очистки и расхолаживания водо-водяных реакторов / С.М. Дмитриев [и др.] // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. - 2015. - №1. - С.92-102 (ВАК). (Вклад соискателя 45%)

49. Большухин, М.А. Термографическое исследование турбулентных пульсаций воды при неизотермическом смешении / М.А. Большухин [и др.] // Автометрия. - 2014. - № 5. -С.75-83.

50. Знаменская, И.А. Особенности спектров турбулентных пульсаций струйных затопленных течений воды / И.А. Знаменская, Е.Ю. Коротеева, А.М. Новинская, Н.Н. Сысоев // Письма в журнал технической физики. - 2016. - Т.42, № 13. - С. 51-57.

51. Dahlberg, M., Nilsson, K.F., Taylor, N., Faidy, C., Wilke, U., Chapuliot, S., Kalkhof,D.,Bretherton, I., Church, J.M., Solin, J., Catalano, J. Development of a European procedure for assessment of high cycle thermal fatigue in light water reactors. Final Report of the NESC-Thermal Fatigue Project, EUR 22763 EN, ISSN 1018-5593, 2007.

52. Kuschewski, M. Experimental setup for the investigation of fluid-structure interactions in a T-junction / M.Kuschewski, R.Kulenovic, , E.Laurien // Nuclear Engineering and Design. - 2013. -vol. 264. - pp.223 -230.

53. Smith, B.L., Mahaffy, J.H., Angele, K., Westin, J. Report of the OECD/NEA-Vattenfall TJunction Benchmark exercise, 2011.

54. Zboray, R. On the relevance of low side flows for thermal loads in T-junctions / R.Zboray, H.-M. Prasser // Nuclear Engineering and Design. - 2011. - vol. 241. - pp. 281-288.

55. Kickhofel, J. Turbulent penetration in T-junction branch lines with leakage flow / J. Kickhofel, V.Valori, H.-M.Prasser // Nuclear Engineering and Design. - 2014. - vol. 276. - pp. 43-53

56. Петухов, Б. С. Теплообмен в движущейся однофазной среде. Ламинарный пограничный слой. М., МЭИ. - 1993 - 352 с.

57. Петухов Б.С., Поляков А.Ф. Теплообмен при смешанной турбулентной конвекции. М., Наука. - 1986 - 192 с.

58. Chiu, K.-C. Mixed convection between horizontal plates - entrance effects / K.-C. Chiu, F. Rosenberger // Int. J. Heat Transfer. - 1987. - v.30. - pp. 1645-1654.

59. Maughan, J. R. Secondary flow in horizontal channels heated from below / J. R. Maughan, F. P. Incropera. // Exp. Fluids. - 1987. - v.5. - pp.334-343.

60. Беляев, И.А Исследование специфики МГД-течения жидкого металла в условиях неоднородного обогрева / И.А. Беляев, П.А. Сардов, Я.И. Листратов // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы. - 2022. - № 1. - С. 144-156.

61. Пятницкая, Н.Ю Температурные пульсации при течении жидкого металла в прямоугольном канале под влиянием компланарного магнитного поля / Н.Ю. Пятницкая П.А. Сардов, Е.А. Галлямова, Н.Г. Разуванов // Вестник Объединенного института высоких температур. - 2019. - Т. 3. - № 2. - С. 60-62.

62. Беляев, И.А. Влияние неоднородности обогрева на характеристики течения жидкого металла в присутствии магнитного поля при встречной смешанной конвекции в прямоугольном канале / И.А. Беляев, Н.Г. Разуванов, Д.С. Краснов, В.Г. Свиридов // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы. - 2018. - № 5. - С. 73-82.

63. Documentation for ANSYS ICEM CFD 14.0 ANSYS, Inc. Release 14.0. 2011

64. ANSYS CFX-Pre User's Guide ANSYS, Inc. Release 14.0. 2011

65. Снегирев, А.Ю. Высокопроизводительные вычисления в физике. Численное моделирование турбулентных течений. Учебное пособие. - СПб., Политехн. ун-т. - 2009. -142с.

66. Menter, F.R. Best Practice: Scale-Resolving Simulations in ANSYS CFD Version 1.0. ANSYS Germany GmbH, 2012. - 70 c.

67. Рязапов, Р.Р. Расчетное исследование температурных пульсаций коллекторного узла модели теплообменника при различных вариантах подвода греющего теплоносителя / Р.Р. Рязапов [и др.] // XVII Нижегородская сессия молодых ученых (технические, естественные, математические науки): сб. мат. конф. - 2012. - С.85-86. (РИНЦ). (Вклад соискателя 50%).

68. Рязапов, Р.Р. Экспериментальное исследование нестационарного температурного состояния модели коллекторного узла теплообменного оборудования ЯЭУ / Р.Р. Рязапов [и др.] // XVIII Нижегородская сессия молодых ученых (технические, естественные, математические науки): сб. мат. конф. - 2013. - С.78-79. (РИНЦ). (Вклад соискателя 70%).

69. Рязапов, Р.Р. Экспериментальное исследование и расчетное моделирование температурного состояния фрагмента коллекторного узла теплообменника / / Р.Р. Рязапов [и др.] // Шестая Российская национальная конференция по теплообмену: сб. мат. конф. - 2014. -Т.1. - С. 187-188. (РИНЦ). (Вклад соискателя 60%).

70. Рязапов, Р.Р. Определение напряженно-деформированного состояния и ресурса модели коллекторного узла теплообменника водо-водяной ЯЭУ в условиях влияния пульсаций температуры при различных вариантах подвода теплоносителя / Р.Р. Рязапов [и др.] // XX Нижегородская сессия молодых ученых (технические, естественные, математические науки): сб. мат. конф. - 2015. - С.35-36. (РИНЦ). (Вклад соискателя 30%).

Принципиальная схема теплофизического стенда ФТ-80

Копия свидетельства о регистрации программы «Дата процессор 4.1 ИЯЭиТФ»

Характерные реализации, автокорреляционные функции и спектральная плотность мощности пульсаций расхода теплоносителя

200 400 600

Время, с

а)

800

о

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

\

\

V

-х.

л

20 40 60

Корреляцинный сдвиг, с

б)

Е

ё о

о

н

га

а

ё

О

250

80

§ 200

150 100 50 0

н»

Щ

о\ 9

0.2

0.4 0.6 Частота, Гц

в)

0.8

0

0

1

0

ПН Ч

а

I *

и о

X о X

& о

§ х

X о к

а «

ч

и ^ «

с

и н

ей Ч О X о ей

И О

н и

1.2

0.8

0.4

я а о л ч

С

-0.4

200 400 600

Время, с

а)

800

л

I ^

^ ч

И о

° X

к й

и ^р

я ®

& к

ЕГ К н и

и р

и X (Г)

«

ч и

Ее

о о

. . X

я Я

ч с

и н

200

160

120

80

40

1

1

К

0

20 40 60

Корреляцинный сдвиг, с

б)

80

0.2

0.4 0.6 Частота, Гц

в)

0

0

0

0

0

0

1

ПН Ч

а

I *

и о

X о X

& о

§ х

X о к