Разработка и исследование ультразвуковой волноводной системы визуализации двухфазного теплоносителя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат технических наук Контелев, Владимир Валентинович

• Контелев, Владимир Валентинович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Контелев, Владимир Валентинович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Критический анализ современных методов визуализации

двухфазных потоков высоких параметров

1.1. Классификация методов визуализации двухфазного теплоносителя

1.2. Методы, основанные на использовании проникающего излучения

1.2.1. Высокоскоростная рентгеновская сйстема визуализации двухфазного потока

1.2.2. Другие ядерно-физические методы визуализации

(у и нейтронная диагностическая техника)

1.3. Акустические методы

1.4. Электрические методы

1.4.1. Система, основанная на измерении диэлектрических

свойств двухфазного потока

Î .4.2. Методы диагностики двухфазного потока, основанные на измерении электропроводности среды

1.5. Сравнительная оценка методов

Глава 2. Принципы построения многоточечной системы диагностики двухфазного теплоносителя, основанной на использовании ультразвуковых волноводных датчиков

2.1. Анализ работ по разработке волноводных акустических

датчиков для измерений в экстремальных условиях ЯЭУ

2.2. Исследование распространения ультразвука в элементах многоточечного датчика

2.3. Разработка основных конструктивных принципов и узлов акустического многоточечного датчика

2.4. Разработка электронной аппаратуры системы диагностики двухфазного теплоносителя

Глава 3. Методика измерений распределения газосодержания (паросодержания) в трубопроводах, основанная на использовании акустических волноводов

3.1. Аналитическая модель взаимодействия двухфазного потока

с волноводами

3.2, Анализ амплитудного распределения

3.3. Критерии выбора уровня дискриминации

Глава 4. Разработка методов информационно-аналитического

представления информации о структуре и режимах движения двухфазного теплоносителя

4.1. Особенности разработки интерфейса для инициирования датчика и ввода в компьютер получаемой информации

4.2. Схемы визуализации получаемой информации на экране компьютера

4.3. Методы корректировки результатов измерений

4.3.1. Пространственная и временная интерполяция

4.3.2. Нелинейная обработка принятых сигналов

4.4. Примеры визуализации потока теплоносителя в вертикальном трубопроводе

Глава 5. Результаты лабораторных и стендовых исследований

системы визуализации и их обсуждение

5.1. Лабораторные исследования компонент многоточечного датчика

5.2. Результаты экспериментального тестирования системы визуализации на стенде "Петля"

5.2.1 Техническое описание стенда и методика измерения

5.2.2. Карта режимов течения теплоносителя

5.2.3. Сравнительный анализ результатов измерений, полученных разными системами визуализации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование ультразвуковой волноводной системы визуализации двухфазного теплоносителя»

Введение

Двухфазные потоки широко используются в современной энергетике и во многих других отраслях промышленности, поэтому интерес инженеров и исследователей к ним чрезвычайно высок.

Особенно актуальна проблема исследования двухфазных потоков для ядерной энергетики, т. к. в ней двухфазные потоки используются в качестве основных рабочих сред - теплоносителей, поэтому разработка нового и совершенствование существующего энергетического оборудования невозможны без тщательных экспериментов, подтверждающих теоретические модели движения потока в конструктивных элементах этих устройств.

Прогресс в области исследования двухфазных теплоносителей непосредственно зависит от совершенства измерительной техники, применяемой для диагностики. Детальная информация о структуре теплоносителя, режиме его течения, дисперсности, полученная при помощи надежной измерительной аппаратуры, позволяет построить адекватные модели и рационально конструировать тепломассообменное оборудование, от которого, в конечном итоге, зависят надежность, безопасность, экономичность и долговечность ядерно-энергетических установок.

Достаточно давно и небезуспешно для исследования двухфазных потоков используются различные системы и методы, позволяющие измерять локальные и интегральные характеристики потока. Подробный и полный обзор этих методов (механические дифманометры, кондукто-метрические ячейки, оптические средства и акустические зонды, ядерно-физические системы) дан в [!]. Однако все эти системы в основном позволяют определить усредненные во времени и в пространстве характеристики потока, например, среднее объемное паросодержание, средний диаметр пузырей и т. д., либо локальные характеристики двухфазных

смесей в определенных точках.

Оценка таких параметров как теплообмен, перепад давления, вибрация, вследствие сильной зависимости от структуры потока, требует знания информации о распределении фаз, и наиболее желательно иметь представление о мгновенном распределении фаз в потоке с высоким разрешением во времени и в пространстве. Такого рода информацию об "истории" потока; картине газораспределения, взаимном движении фаз, их локализации и размерах позволяют получить, так называемые, диагностические системы визуализации, интенсивно развивающиеся в последнее время. При решении задачи визуализации, наиболее важной целью является разработка диагностической системы с разрешением, которое позволяет идентифицировать отдельные газовые (пузырьки, снаряды) и жидкие (пробки, капли) фракции и определить их параметры (форму, объем, диаметр и т. д.).

Целью данной работы является разработка ультразвуковой волно-водной системы для визуализации двухфазных теплоносителей, основанной на измерении акустической проводимости двухфазной смеси, и исследование влияния гидродинамических, конструктивных и технологических факторов на условия осуществления процесса визуализации по предложенной методике.

Разработка визуализационных систем, стала возможна только в последние годы, на фоне бурного развития электронно-вычислительной техники, после создания мощных компьютеров, т. к. в процессе визуализации необходимо манипулировать большими объемами экспериментальных данных, что требует значительных машинных ресурсов и высокого быстродействия обработки информации.

Однако, несмотря на все те огромные возможности, которые получает экспериментатор благодаря современной электронике, компьютер, к сожалению, не сможет построить картину потока адекватную реальной

ситуации, если на его вход не будут поданы достоверные данные. Ответственным элементом за сбор этих достоверных данных является первичный элемент диагностической системы - датчик. Автор является сторонником применения ультразвуковых волноводных датчиков. По сравнению с другими первичными датчиками, ультразвуковые волноводные системы обладают рядом преимуществ и достоинств (о которых подробнее будет рассказано ниже) и, что самое главное, обладают достаточной надежностью при эксплуатации в экстремальных условиях. Именно экстремальные условия характерны для оборудования ядерных энергетических установок (ЯЭУ), а для исследования двухфазных потоков, в том числе и с параметрами ЯЭУ, разрабатывалась данная ультразвуковая волноводная система визуализации.

В диссертационной работе автор защищает:

- принципы построения и конструктивные особенности высокоскоростной ультразвуковой волноводной многоточечной системы для визуализации нестационарных процессов в двухфазном теплоносителе ЯЭУ;

- методику визуализации двухфазного потока в трубопроводе, основанную на измерении параметров акустических сигналов, прошедших через контролируемые объемы, равномерно распределенные по сечению трубопровода;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований физики распространения ультразвуковых сигналов в сложных волноводных конфигурациях и прохождения ультразвука в контролируемых объемах, образованных решетками волноводов;

- результаты экспериментального тестирования системы визуализации в разных режимах течения двухфазного теплоносителя на тепло-физическом стенде.

Диссертация содержит пять глав, выводы и список использованной литературы. В первой главе приведены сравнительный анализ и критическая оценка новейших, основанных на различных физических принципах, систем для визуализации двухфазных теплоносителей. Вторая глава посвящена принципам построения и конструктивным особенностям, разработанной ультразвуковой диагностической системы. В третьей главе изложена методика измерений распределения газосодержания в двухфазных потоках при помощи данной системы. В четвертой главе описывается разработка методов информационно-аналитического представления информации о структуре и режимах движения двухфазного теплоносителя. Результаты экспериментального тестирования ультразвуковой волноводной системы визуализации на тепло-физическом стенде и их обсуждение приводятся в пятой главе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Контелев, Владимир Валентинович, 1999 год

Литература

1. Мельников В. И., Уеынин Г. Б. Акустические методы диагностики двухфазных теплоносителей ЯЭУ.-М.: Энергоатомиздат, 1987,- 161 с.

2. Мюллер Р. К. Реконструктивная томография и ее применение в ультразвуковой технологии // ТИИЭР.- 1979,- Т. 67.- № 4.- С. 146-170.

3. Inoue А. et al. In bundle Void Measurement of BWR Fuel Assembly by an X-ray CT scanner: Assessment of BWR Design Void Correlation and Development of New Void Correlation // 2nd ASME/JSME Nuclear Engineering Conference.- 1993.- Vol. L- № 39,- P. 119-125.

4. Hori K., Fujimoto Т., Kawanishi K., Nishikawa H. Advanced high speed X-ray CT scanner for measurement and visualization of multi-phase flow // In: OECD/CSNI Specialist Meeting on Advanced Instrumentation and Measurements Techniques.- Santa Barbara, USA.- March 17-20, 1997.-P.l 19-125.

5. Gay R. R., Schell S., Lahey R. T. The side-scatter gamma techique for local density measurements // Trans. Amer. Nucl. Soc.- 1978,- Vol. 30.-P. 508-510.

6. Емельянов И. Я., Юрова А. Н., Смолин В. Н. Использование нейтронного датчика для определения паросодержания // Атомная энергия.- 1977.- Т. 43.- № 3,- С. 171-175.

7. Schlaberg Н. I., Yang М., Hoyle В. S. Real-time ultrasonic process tomography for two-component flows // Electronic Letters.- 1996,- Vol. 32.-№ 17.- P. 1571-1572.

8. Mewes D. Zweiphasige Strömungen in Packungen und Blasensaulen // Workshop: Meßtechnik fur Stationare und transiente Mehrphasenstro-mungen. 24-25 September 1998 in Rossendorf.- P. 32-57.

9. Reinecke N., Boddem M., Petritsch G. Mewes D. Tomographisches Messen der relativen Phasenanteile in zweiphasigen Strömungen fluider Phasen // Chemie-Ing. -Technik.- 1996.- Vol. 68.- № 11.. P. 1404-1412.

10. Prasser H.-M., Bottger A., Zschau J. A new electrode-mesh tomograph for gas-liquid flows // Flow Measurement and Instrumentation.- 1998.-№9.-P. 111-119.

11. Prasser H.-M,, Bottger A., Zschau J. A new electrode-mesh tomograf for gas-liquid flows // Forschungszentrum Rossendorf / Institute of Safety Research.- Annual Report 1996.- P. 34-37.

12. Патент № 3744301, G01N29/00, США, 1971. Ультразвуковой детектор пустот в газожидкостной смеси.

13. Патент № 2198640, G01N29/02, Франция, 1973. Ультразвуковой детектор пустот в газожидкостной смеси.

14. Тралин Ю. С., Радовский И. С., Егоров Ю. В., Шпирный В. Д. Результаты испытания акустического датчика паросодержания // Вопросы теплофизики ядерных реакторов.- М.: Атомиздат, 1977.- Вып. 6.-С. 57-60.

15. Arave А. Е. Ultrasonics densitometer development // Ultrason. Symp. Proc.- New Orleans. La, 1979.- New York, 1979.- P. 370-375.

16. A. c. 792130 СССР. МКИ3 GO 1 N29/00. Устройство для измерения локального объемного паросодержания / Мельников В. И., Кутьин JI. Н., Лобанов А. И., Максимов В. И. Открытия. Изобретения,- 1980.- № 48.

17. А. с. 1116382 СССР. МКИ3 G01N29/02. Устройство для измерения среднего объемного паросодержания Среды / Мельников В. И., Хохлов В. Н, Маслов В. А. Открытия. Изобретения,- 1984,- № 36.

18. А. с. 901895 СССР. МКИ3 G01N29/02. Устройство для диагностики двухфазного потока / Мельников В. И., Махин В. А., Дзятко Н. В. Открытия. Изобретения.- 1982,- № 4.

19. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Пер. с ангд.-Под ред. Ф. Мезона.- М.: Мир, 1986.- Т. 1.- Ч. А.- 592 с.

20. Баранов В. М. Акустические измерения в ядерной энергетике.-М.: Энергоатомиздат, 1990.- 319 с.

21. Melnikov V. Г., Nigmatulin В. I. The newest two-phase control devices in LWR equipment based on ultrasonic and WAT-technology // Nuclear Engineering and Design.- 1994,- № 149,- P. 349-355.

22. Делайе Д., Гио M., Ритмюллер М. Теплообмен и гидродинамика в атомной и тепловой энергетике: Пер. с англ. Под ред. П. Л. Кириллова.- М.: Энергоатомиздат, 1984.- 422 с.

23. Субботин В. И., Похвалов Ю. Е., Михайлов А. Е. и др. Резис-тивный и емкостной методы измерения паросодержания // Теплоэнергетика.- 1974.- № 6,- С. 63-68.

24. Субботин В. И., Похвалов Ю. Е., Михайлов А. Е. и др. К расчету газосодержания смеси при пузырьковом течении по данным измерения резистивным и емкостным методами // Теплоэнергетика.- 1975.- № 4,-С. 70-75.

25. Субботин В. И., Похвалов Ю. Е., Михайлов А. Е. и др. Временные и структурные характеристики газожидкостного потока при снарядном течении // Теплоэнергетика.- 1976,- № 1,- С. 67-70.

26. Козлов Б. К. Формы течения газожидкостных смесей и границы их устойчивости в вертикальных трубах // Журнал технической физики.-1954,- Т. 24.- Вып. 12,- С. 2285-2228.

27. Кириллов П. Л., Комаров В. И., Субботин В. И. и др. Измерение некоторых характеристик парожидкостного потока в круглой трубе при давлении 68,8 бар.- Препринт ФЭИ-421, 1973,- 30 с.

28. Herringe R. А., Davis М. R. Defection of instantaneous phase changes in gas-liquid mixtures // J. of Phisics. E. -Scientific Instrum.- 1974.-Vol. 7.-№ 10,- P. 807-112.

29. Ohkawa К. and Lahey R. T. Jr. The development of a gamma scattering densitometer for the nonintrusive measurement of local void fraction //Nuclear Technology.- 1984.- Vol. 67.- P. 437-451.

30. Арманд А. А. Трещев Г. Г. Исследование сопротивления при движении паро-водяной смеси в обогреваемой котельной трубе при высоком давлении // Известия ВТИ.- 1949.- № 4.- С. 37-45.

31. Газян Г. С. Характеристическая теория движения двухфазной смеси по вертикальным трубам // Нефтяное хозяйство.- 1950.- № 8-9.-С. 22-26, 8-13.

32. Гурбанов Р. С., Расизаде Я. М., Файзуллаев Д. В. Элементарная гидравлика смесей. Ташкент.: Фан, 1970,- 315 с.

33. Костерин С. И. Исследование влияния диаметра и расположения трубы на гидравлическое сопротивление и структуру течения газожидкостных смесей // Известия АН СССР. ОТН.- 1949.- № 12.- С. 18241831.

34. Костерин С. И. Исследование структуры потока двухфазной среды в горизонтальных трубах // Известия АН СССР. ОТН.- 1943.-№ 7.- С. 37-45.

35. Красякова Л. Ю. Некоторые характеристики движения двухфазной смеси в горизонтальной трубе // Журнал технической физики.-1952.-Т. 22.-Вып. 4.-С. 656-669.

36. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972.235 с.

37. Кутателадзе С. С. Движение паро-жидкостной смеси в трубах и обобщенные координаты для его анализа // Советское котлотурбострое-ние.- 1946,- № 2.- С. 19-25.

38. Кутателадзе С. С. Движение двухфазного потока в трубах /7 Котлотурбостроение.- 1947.- № 6.- С. 17-21.

39. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 367 с.

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