Об истечении вскипающей жидкости из трубчатого канала и емкости конечного объема тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Хузина, Фанира Рифовна

• Хузина, Фанира Рифовна
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Хузина, Фанира Рифовна

Введение

Содержание

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Публикации, посвященные исследованиям истечения кипящей жидкости из каналов и емкостей

1.2. Распространение плоских волн конечной амплитуды (волны Римана)

1.3. Основные уравнения для газонасыщенной системы

1.4 Некоторые равновесные модели газожидкостных и парожидкостных систем

Глава 2.Нестационарное истечение вскипающей жидкости из трубчатого канала;

2.1. Истечение вскипающей жидкости из трубчатого канала

2.1.1. Постановка задачи.

2.1.2. Основные уравнения

2. 2. Начальный этап истечения

2.2.1. Анализ численных решений для начального этапа истечения 55г

2.3. Истечение с учетом силы гидравлического трения

2.3.1. Результаты решения при наличии инверсии потока

2.4. Выводы по главе

Глава З.Истечение вскипающей жидкости из емкости конечного объема

3.3 Опорожнение емкости конечного объема, заполненного вскипающей жидкостью, через щель

3.3.1 Постановка задачи

3.3.2. Основные уравнения

3.3.3. Анализ результатов для истечения вскипающей жидкости из емкости конечного объема

3.4 Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Об истечении вскипающей жидкости из трубчатого канала и емкости конечного объема»

Актуальность темы.

Большинство технологических процессов в химической промышленности, в атомной и тепловой энергетике, в трубопроводном транспорте происходит при высоких температурах и давлении. Поэтому нарушение герметичности реакторов, каналов, емкостей приводит к многофазным течениям, сопровождающимся фазовыми переходами, а также эффектами звукового запирания потоков. Для анализа возможных последствий аварий на атомных электростанциях, технологических установках, в трубопроводах с легкокипящими углеводородными системами очень важно знать, как изменяются давление в емкости, массовый расход кипящей жидкости.

Поэтому для оценки последствий аварийной разгерметизации емкостей и каналов, покоящихся под высоким давлением, весьма актуально создание математических моделей, позволяющих расширить теоретические представления об особенностях теплофизических и гидродинамических процессов в таких системах.

Цели работы: изучить особенности нестационарного течения вскипающей жидкости из каналов при внезапной разгерметизации канала с учетом инверсии потока (переход пузырьковопенного потока в парокапельный). построить теоретическую модель стационарного истечения жидкости из большой емкости через щель; провести численное исследование закономерностей опорожнения в зависимости от начальных условий внутри емкости (давления, температуры).

Достоверность.

Достоверность результатов диссертации основана на использовании фундаментальных уравнений механики сплошных сред и обусловлена согласованием полученных зависимостей для различных методов подсчета, проведением тестовых расчетов, сравнением численных и аналитических решений, согласованностью с решениями других авторов в некоторых частных случаях.

Научная новизна работы.

Впервые получены аналитические и численные решения с учетом инверсии потока (переход пузырьковопенного потока в парокапельный) для нестационарного процесса истечения вскипающей жидкости из канала после внезапной разгерметизации. На основе данных аналитических решений проанализировано влияние инверсии потока на критические параметры истечения данной жидкости.

Применительно к процессу истечения вскипающей жидкости из емкости конечного объема через щель в квазиустановившемся режиме проведено численное моделирование. Показано, что процесс истечения может происходить в режиме газодинамического запирания и в дозвуковом режиме. Изучено влияние исходной температуры и давления в емкости на закономерности опорожнения.

Практическая значимость.

Знание закономерностей истечения вскипающих жидкостей имеет большое прикладное значение для оценки последствий аварийной разгерметизации емкостей и каналов, покоящихся под высоким давлением, для оценки максимальных расходов через каналы, щели и для оценки характерных времен опорожнения. Апробация работы.

Результаты, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на семинарах Проблемной лаборатории математического моделирования и механики сплошных сред под руководством профессора С.М. Усманова и член-корреспондента АН РБ В.Ш. Шагапова, на научно-практических конференциях для преподавателей и студентов Бирской государственной социально-педагогической академии, также на следующих конференциях и в научных школах:

- на Межвузовской научно-теоретической конференции «ЭВТ в обучении и моделировании» (г. Уфа, 1997);

- на II Уральской региональной межвузовской научно-практической конференции « Проблемы физико-математического образования в России на современном этапе» (г. Уфа, 1997);

- на IV Всероссийской школе-семинаре « Аналитические методы и оптимизация процессов в механике жидкости и газа» САМГОП-98 (г. Уфа, 1998);

- на IV Международной научной конференции « Дифференциальные уравнения и их приложения» (г. Саранск, 2000);

- на Международной конференции по многофазным системам, посвященной 60-летию акад. Р.И. Нигматулина (Россия, Уфа, 2000);

- на Международной научной конференции «Спектральная теория дифференциальных операторов и родственные проблемы» (Россия, Стерлитамак, 2003);

- на III Всероссийской научно-теоретической конференции « ЭВТ в обучении и моделировании» (г. Бирск, 2004);

- на IV Региональной научно-практической конференции " ЭВТ в обучении и моделировании" (г. Бирск, 2005).

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах, список которых приведен в конце автореферата. Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 105 страниц, включая 31 рисунок и список литературы, состоящей из 85 наименований.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Хузина, Фанира Рифовна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Процесс опорожнения полубесконечного канала со вскипающей жидкостью состоит из двух этапов. На начальном этапе интенсивность опорожнения определяется инерционными эффектами, при этом эффектом гидравлического сопротивления можно пренебречь, и процесс истечения описывается решением вида простой волны Римана. В зависимости от условий внутри канала, процесс истечения на начальном этапе может происходить в двух режимах, а именно: в дозвуковом режиме и режиме газодинамического запирания. При фиксированном значении давления вне канала реализация первого или второго режимов определяется начальной температурой жидкости. В частности, в случае истечения воды в атмосферу значение начальной характерной температуры равно T0t = 393К.

2. На этапе истечения вскипающей жидкости из канала, когда интесивность опорожнения определяется эффектом гидравлического сопротивления, система уравнений движения сводится к одному нелинейному уравнению. Для этого уравнения построено аналитическое решение с учетом инверсии потока (переход пузырьковопенного потока в парокапельный). Показано, что теория без учета инверсии потока при /?>1(гидравлическое сопротивление выше в дальней зоне) занижает величину расхода процесса опорожнения, а при /? < 1, наоборот, завышает.

3. Установлено, что при истечении вскипающей жидкости из емкости конечного объема в зависимости от условий внутри емкости опорожнение может происходит в двух режимах: в дозвуковом и в режиме газодинамического запирания. Показано, что в начальной стадии, когда истечение идет в режиме звукового запирания, происходит увеличение скорости истечения (хотя давление в емкости со временем снижается). Это обстоятельство связано с ростом скорости звука для парожидкостной смеси при снижении давления. Но при этом общий массовый расход через щель снижается , т.к. снижение средней плотности смеси р(е) происходит более интенсивно, чем рост скорости истечения при адиабатическом течении кипящей жидкости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Хузина, Фанира Рифовна, 2007 год

1. Авдеев А.А., Майданик В.Н., Шанин В.К. Методика расчета вскипающих адиабатических потоков // Теплоэнергетика.-1977.-№8.-С.67-69.

2. Акуличев В.А. Кавитация в криогенных и кипящих жидкостях.- М.: Наука,1978.-С.300.

3. Арманд А.А. Исследование механизма движения двухфазной смеси в вертикальной трубе // Изв. Всес. теплотехн. ин-та.-1950.-№ 2.

4. Арманд А.А. Сопротивление при движении двухфазной системы по горизонтальным трубам // Изв. Всес. теплотехн. ин-та.-1946.-№ 1.-С.16-23.

5. Бахвалов Н. С., Жидков Н.П., Кобельников Г. М. Численные методы. Учебное пособие- М.: Наука, 1987. 600 с.

6. Блинков В.Н., Петухов И.И., Беспятов М.А. Экспериментальное исследование течения вскипающей воды в сопле Лаваля // Газотермодинамика многофазных потоков в энергоустановках. Вып. 4, Харьков, 1981.-С.71-78.

7. Блинков В.Н., Фролов С.Д. Модель течения вскипающей жидкости в соплах // ИФЖ.-1982.-Т.42, № 5.-С.741-746.

8. Большой энциклопедический словарь. Физика. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия». М, 1998, 944 с.

9. Боришанский В.М., С.С. Кутателадзе С.С., Новиков И.И., Федынский О.С., Жидкометаллические теплоносители. Атомиздат,1967.

10. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720 с.

11. Губайдуллин А. А., Ивандаев А.И., Нигматуллин Р.И. Исследование нестационарного истечения вскипающей жидкости в термодинамически равновесном приближении // ТВТ.1978. Т6. №З.С.556.

12. Губайдуллин А. А., Ивандаев А.И., Нигматуллин Р.И. Нестационарные волны в жидкости с пузырьками газа // ДАН CCCP.-1976.-Т.226, № 6.

13. Губайдуллин А.А., Ивандаев А.И., Нигматуллин Р.И., Хабеев Н.С. Волны в жидкостях с пузырьками. Итоги науки и техники. Механика жидкости и газа.- М.: ВИНИТИ.-1982.-Т. 17.

14. Губайдуллин Д.А. Нестационарные волны в дисперсных средах с фазовыми превращениями. Автореферат на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Тюмень.- 1994.- 40 с.

15. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред.- М.:-Энергоиздат, 1981 .-472 с.

16. Дорощук В.Е. Кризисы теплообмена при кипении воды в трубах.-М.: Энергоатомиздат, 1983.-120с.

17. Дорощук В.Е., Левитан Л.Л., Ланцман Ф.П. Рекомендации к расчету кризисов теплообмена в круглой трубе при равномерном тепловыделении // Теплоэнергетика.-1975.-№ 12.

18. Духин С.С. Теория дрейфа аэрозольной частицы в стоячей звуковой волне.// Коллоидный журнал.-1960.-Т.22, № 1.20.3ельдович Я.Б. Химическая физика и гидродинамика.- М.: Наука, 1984.-374с.

19. Зысин . В.А., Баранов Г.А., Барилович В.А., Парфенова Т.Н. Вскипающие адиабатные потоки.- М.: Атомиздат, 1976.-152 с.

20. Ивандаев А.И., Нигматуллин Б.И. К элементарной теории критических максимальных расходов двухфазных смесей// ТВТ.-1972,-Т10,№ 5.

21. Ивандаев А.И., Нигматуллин Б.И. Распространение слабых возмущений в парожидкостных дисперсно-кольцевых потоках // ТВТ.-1980.-Т18,№2.-С.359-366.

22. Ивандаев А.И., Нигматуллин Б.И. Применение модели дисперсно-кольцевого потока к расчету двухфазных критических течений // ТВТ.-1977.-Т15,№3 .-С.573-580.

23. Ивандаев С.И. К определению законов взаимодействия между составляющими газожидкостного дисперсно-кольцевого потока.// Нелинейные волновые процессы в двухфазных средах. Под редакцией С.С. Кутателадзе.- Новосибирск: ИТФ,1977,- С.244-255.

24. Ивандаев С.И. Расчет кризиса теплоотдачи в равномерно обогреваемых трубах // Всесоюзная конференция по теплофизике и гидрогазодинамике кипения и конденсации. Т. 1.-Рига, 1982.

25. Каллайда Ю. А., Арсентьев В.В., Фисенко В.В., Цизин Б.М. Истечение теплоносителя при потере герметичности реакторного контура. М.: Атомиздат, 1977.128 с.

26. Крылов A.JI., Призволова Е.К. Численное изучение течения жидкости между вращающимися цилиндрами. Вычислительные методы и программирование. Сборник работ вычислительного центра МГУД, Изд.МГУ, 1962.

27. Кузеванов B.C. и др. Критические условия при нестационарном истечении двухфазной среды при обрыве трубопровода // ТВТ.-1977.-Т.15, №3.

28. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена.- М.: Атомиздат, 1979.-265с.

29. Кутателадзе С.С. , Леонтьев А.И. Тепло-массообмен и трение в турбулентном пограничном слое.- М.: Энергия, 1972.-342с.

30. Кутателадзе С.С., Миронов Б.П., Накоряков В.Е., Хабахпашева Е.М. Экспериментальное исследование пристенных турбулентных течений. Новосибирск: Наука, 1975. - 166 с.

31. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Тепло-массообмен и волны в газожидкостных системах. Новосибирск: Наука, 1984. - 302 с.

32. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Энергия; 1976. - 296 с.

33. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.:Наука, 1986.- 736 с.

34. Левин В.А., Черный Г.Г. Асиптотические законы поведения детонационных волн//ПММ.-1967.-Т.31.Вып. 3.

35. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика.- М.: Физматгиз, 1959.

36. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.:Наука, 1973.839 с.

37. Мамаев В.А., Одишария Г.Э., Клапчук О.В., Точигин А.А., Семенов Н.И. Движение газожидкостных смесей в трубах. -М.: недра, 1978.-271с.

38. Матвеев А.Н. Молекулярная физика.М.:Высшая школа, 1987.-360 с.

39. Миронов Ю.В. Расчет критического расхода пароводяной смеси // ТВТ.-1975.-Т.13, № 1.

40. Миропольский З.Л., Шнеерова Р.И., Карамышева А.И. Паросодержание при напорном движении паровой смеси с подводом тепла и в адиабатных условиях // Теплоэнергетика.-1971.-№5.-С.60-63.

41. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль,- Томск.: МП « РАСКО», 1992.-270 с.

42. Мухачев Г.А., Павлов Б.М., Тонконог В.Г. Течение испаряющейся жидкости в соплах. // Труды КАИ.-1973.- Вып. 158.-С.50-54.

43. Невструева Е.И. Тепломассообмен в атомных энергетических установках с водоохлаждаемыми реакторами // Итоги науки итехники. Тепло-массобмен.- М.:ВИНИТИ,1978.-Т.1.-112 с.

44. Нигматулин Б.И., Сопленков К.И. К элементарной теории критического (максимального) расхода двухфазной смеси в каналах переменного сечения // ТВТ.1978.Т.16, №2.-С.370-376.

45. Нигматулин Б.И., Сопленков К.И. Исследование нестационарного истечения вскипающей жидкости из каналов в термодинамически неравновесном приближении // ТВТ. 1980.-Т. 18, № 1 .-С. 18-131.

46. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. 2. М.: Наука, 1987.360 с.

47. Рассохин Н.Г. Критические условия при нестационарном истечении двухфазной среды при обрыве трубопровода // ТВТ.-1977.-Т.15.-№3.

48. Рахматуллин Х.А. Основы газовой динамики взаимопроникающих движений сплошных сред // ПММ.-1956.-Т.20,№ 2.

49. Рахматуллин Х.А. Газовая и волновая динамика.-М.: Изд-во МГУ, 1983.-200 с.

50. Рахматуллин Х.А., Демьянов Ю.А. Расчеты на прочность при интенсивных кратковременных нагрузках.- М.: физматгих, 1961.

51. Рахматуллин Х.А., Мамадалиев Н.А. Двухскоростная теория обтекания тонкого профиля // ПМТФ.-1969.-№4.

52. Рахматуллина И.Х. Нестационарный тепломассобмен при испарении, конденсированном росте и горении частиц или капель // Отчет №1910.-М.: НИИ «Механика», МГУ,1977.

53. Самарский А. А. Введение в численные методы. М.: Наука, 1987. 286 с.

54. Седов J1. И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1981.446 с.

55. Седов Л.И. Механика сплошной среды.-М.: Наука, 1970.-568с.

56. Селиванов В.Г. Разгон жидкости газом в соплах. // Вопросы газотермодинамики энергоустановок.- Харьков, 1976.

57. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость.-М.: Наука,1972.

58. Скрипов В.П., Синицын Е. А. и др. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии.М.:Атомиздат,1980.

59. Стернин Л.Е. Методы механики слошной среды для описания многофазных смесей. Итоги науки и техники, Гидромеханика,Т.6, ВИНИТИ, М.,1972.

60. Стырикович М.А., Полонский В.С.Диклаури Г.В. Тепломассообмен и гидродинамика в двухфазных потоках атомных электрических станций.-М.: Наука, 1982.-270с.

61. Телетов С.Г. Исследования по общим уравнениям гидродинамики и энергии двухфазных смесей. М.: Атомиздат.- 1970.

62. Тихоненко Л.К., Кеворков Л.Р., Лутовинов С.З. критические расходы горячей воды при истечении из трубы // Теплоэнергетика.-1979.-№5.-С.32-36.

63. Тихонов А.Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1972. 736с.

64. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения.-М.: Мир, 1972.

65. Федоренко Р. П. Введение в вычислительную физику. М., издательство Московского физико-технического института. 1994.

66. Фидман Б.А., Минский Е.М., Об экспериментальном определении некоторых статистических характеристик турбулентных потоков., Изв. Энергетич. ин-та им. Кржижановского, Т.9.

67. Фидман Б.А., Применение высокоскоростной киносъемки к исследованию поля скоростей турбулентного потока. Известия АН СССР, серия география и геофизика. Т.12,№ 2,1946.

68. Фисенко В.В. Критические двухфазные потоки.-М.: Атомиздат, 1978.-159 с.

69. Франкль Ф.И., Войшель В.В. Трение в пограничном слое около пластинки в плоскопараллельном потоке сжимаемого газа при больших скоростях. Труды ЦАГИ.Вып.321, 1937.

70. Франкль Ф.И., Карпович Е.А., Газодинамика тонких тел, ОГИЗ, M.-JI.,1948.

71. Циклаури Г.В., Данилин B.C., Селезнев Л.И. Адиабатные двухфазные течения.-М.: Атомиздат, 1973.-447с.

72. Шагапов В.Ш. Истечение газожидкостных и парожидкостных сред из большой емкости через щель // ТВТ. 1979. Т. 17. №3. С.655.

73. Шагапов В.Ш., Галеева Г.Я., Шагиев Р. Г. Об истечении вскипающей жидкости из трубчатых каналов. // ТВТ. 1998. Т.36. № 1. С.106-112.

74. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974.-712 с.

75. Ardron К.Н. A two- fluid model for critical vapour- liquid flow // Int.J. Multiphase Flow.-1978.-V.4.-P.323-337.

76. Banarjee S., Laney R. Advances in Two-phase flow instrumentation.-In: Nuclear science and technology.- Ed.J. Becker et al, v.13, Plenum Press: 1981, p.227- 414.

77. Boure J., Reocreux M. General equations of two-phase flows-Applications to critical and non steady flows // 4-th All Union Heat and Mass Transfer Conf., Minsk, 1972.

78. Edwards F.R., OBrien T.P. Studies of phenomena connected with depressurization of water reactor // J. British Nuclea Ener. Soc.-1970.- N 9.

79. R. Martinelli, Heat transfer to molten metals, Trans. 1947. ASME 69.8.

80. Stever H.G. Condensation phenomenon in high speed flows // Fundamentals of gas dynamics/ Ed. H.W. Emmons. Princeton Univ. Press,1958.- Рус. пер.: Основы газовой динамики/ Под ред. Г.Эммонса.- М.: ИЛ, 1963.

81. Tong L.S. Boiling crisis and critical heat flux.- US Atomic Energy Comm., 1972.- Рус.пер.: Тонг Л. Кризис течения и критический тепловой поток. М.: Атомиздат, 1976.-100 с.

82. Wallis G.B . One-dimensional two-phase flow.- New York: McGraw-Hill Book Co., 1969.

83. Zuber N., Staub F.W. The propagation and wave form of the vapour volumetric concentration under oscilatory conditions // Int.J. Heat and Mass Transfer.-1966.-№ 9.