КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 17-79-10442
НазваниеИсследование теплообмена жидкометаллического теплоносителя в условиях, характерных для систем охлаждения термоядерного реактора типа ТОКАМАК
РуководительМельников Иван Александрович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2017 - 06.2019 |
Конкурс№23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-201 - Процессы тепло- и массообмена
Ключевые словаИТЭР, ТОКАМАК, МГД, магнитная гидродинамика, жидкие металлы, теплообмен, термогравитационная конвекция
Код ГРНТИ44.33.33
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Жидкие металлы, обладая специфическими теплофизическими особенностями, являются привлекательными теплоносителями в различных отраслях энергетики. Наиболее перспективным выглядит использование жидких металлов в термоядерных реакторах типа ТОКАМАК для охлаждения дивертора и бланкета, где жидкометаллический теплоноситель циркулирует в условиях сильного магнитного поля. При проектировании элементов системы охлаждения термоядерного реактора необходимо знать закономерности гидродинамики и теплообмена жидкого металла в магнитном поле. Эти закономерности существенно зависят от параметров МГД-конфигурации: взаимная ориентация векторов скорости потока и индукции магнитного поля, форма и геометрические размеры канала, ориентация канала в поле силы тяжести, электропроводность материала стенки, характер обогрева. Поэтому детальное исследование всех возможных МГД-конфигураций является важнейшей прикладной задачей. В настоящее время нельзя говорить о полноте таких данных.
МГД-конфигурация, где жидкий метал циркулирует в прямоугольном канале в компланарном магнитном поле, реализуется во всех предложенных проектах жидкометаллических систем охлаждения (HCLL, DCLL, WCLL, SCLL) активной зоны реактора ИТЭР. Для обоснования проектных решений и уточнения рабочих характеристик системы охлаждения, необходимо экспериментальное подтверждение проектных характеристик системы на крупномасштабных установках.
На базе экспериментального комплекса НИУ МЭИ – ОИВТ РАН были получены опытные данные по гидродинамике и теплообмену МГД-течений в ограниченном диапазоне режимных параметров. Были рассмотрены течения жидкометаллического теплоносителя в круглой трубе и прямоугольном канале для наиболее вероятных МГД-конфигураций. Полученные данные могут быть использованы для верификации и валидации численных моделей и кодов при моделировании работы теплообменного аппарата в условиях реального реактора. Для проведения полномасштабных экспериментов в ОИВТ РАН был спроектирован, построен и введен в эксплуатацию специализированный исследовательский МГД-стенд РК-3. Стенд позволяет изучать закономерности гидродинамики и теплообмена любой реализуемой в условиях ТЯР МГД-конфигурации. РК-3 позволяет существенно расширить диапазон доступных режимных параметров и исследовать фундаментальные закономерности МГД-теплообмена. Тем не менее, на практике первоочередное значение имеют упрощенные инженерные расчетные коды, основанные на эмпирических корреляциях, которые позволят сократить время проектирования и существенно повысить эффективность использования вычислительных мощностей.
Таким образом, целью данной работы является создание простых инженерных моделей, основанных на обобщении и систематизации доступных экспериментальных данных по МГД-теплообмену в прямоугольных каналах, а также разработка и тестирование расчётного кода для моделирования работы жидкометаллической системы охлаждения реактора ИТЕР. В рамках данного проекта предлагается последовательно решить следующие задачи:
1. Обобщение и систематизация доступных экспериментальных данных по МГД-теплообмену в прямоугольных каналах;
2. Разработка упрощенной модели турбулентного переноса импульса и энергии при течении жидкого металла в магнитном поле для проведения инженерных расчетов;
3. Разработка и отладка расчетных кодов модели для проведения CFD расчетов;
4. Выполнение тестовых расчетов течения жидкого металла в прямоугольном канале для подтверждения корректности расчетов с использованием разработанной модели на аналитических тестах (верификационные расчеты) и экспериментальных данных (валидационные расчеты).
Ожидаемые результаты
1. Обобщение и систематизация доступных экспериментальных данных по МГД-теплообмену будут выполнены в виде монографии. Данные представляют собой уникальный материал, основная часть которого была получена на базе экспериментального комплекса НИУ МЭИ- ОИВТ РАН, функционирующего с 1960 года по настоящее время;
2. Планируется разработка и реализация упрощенной модели турбулентного переноса импульса и энергии при течении жидкого металла в магнитном поле для проведения инженерных расчетов;
3. Результаты верификационных и валидационных расчетов, подтверждающие корректность разработанной модели и расчетных кодов, будут представлены в тематическом отчете;
Полученные результаты соответствуют мировому уровню исследований в этой области и имеют непосредственное прикладное значение при проектировании жидкометаллических систем охлаждения активной зоны термоядерного реактора.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Проведено обобщение экспериментальных полученных на уникальном ртутном стенде МЭИ-ОИВТРАН данных при течении жидкого металла в прямоугольном канале в компланарном (поперечном) магнитном поле. Произведена статистическая обработка экспериментальных данных применительно к пульсационным характеристикам потока. Предложена алгебраическая модель подавления турбулентности компланарным магнитным полем при незначительном влиянии термогравитационной конвекции. Обнаружена аналогия между степенью подавления турбулентного переноса компланарным полем в прямоугольном канале и поперечным полем в круглой трубе. Разделено влияние двух эффектов, действующих на течение жидкого металла в исследуемой конфигурации: термогравитационная конвекция и магнитное поле. Данные обобщения и предложенная модель подавления турбулентности опубликованы в статьях, прилагаемых к настоящему отчету.
Публикации
1. Беляев И.А., Мельников И.А., Пятницкая Н.Ю., Разуванов Н.Г., Свиридов Е.В. The investigation of liquid metal heat exchange in the rectangular vertical channel under the effect of coplanar magnetic field applied to the tokamak type reactor Thermal Engineering (Теплоэнергетика), - (год публикации - 2018)
2. Разуванов Н.Г., Генин Л.Г., Листратов Я.И., Мельников И.А., Беляев И.А., Свиридов Е.В., Свиридов В.Г. Features of MHD heat transfer in basic channel configurations Журнал "Магнитная Гидродинамика" (Journal "Magnetohydrodynamics"), - (год публикации - 2018)
3. Мельников И.А., Пятницкая Н.Ю., Беляев И.А., Свиридов Е.В., Свиридов В.Г. Experimental investigation of liquid metal mixed convection affected by transverse magnetic field IHTC Digital Library | Proceedings of the 16th International Heat Transfer Conference, IHTC-16 (August 10-15, 2018, Beijing, China), - (год публикации - 2018)
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Для моделирования теплообмена при течении жидкого металла в прямоугольном канале предложенная модель была запрограммирована и адаптирована для использования в CFD коде ANES. В рамках верификации разработанной модели были выполнены расчеты предельных случаев без магнитного поля и в сильном магнитном поле. Показано хорошее соответствие с экспериментальными данными и аналитическими оценками. После серии верификационных расчетов были обсчитаны представительные режимы при течении ртути в поперечном магнитном поле в плоском канале. Анализировалось как подъемное, так и опускное течение.
Также предложенная модель была опробована в коммерческом пакете COMSOL в рамках данного проекта.
По результатам экспериментов получено хорошее качественное и количественное соответствие между результатами расчетов и полученными экспериментальными данными в области применимости модели. Расчеты с применением данной модели позволяют выполнять реалистичные инженерные оценки при проектировании узлов теплообменных аппаратов. Также предложенная модель является удобным способом обобщения большого массива экспериментальных данных, извлечение которых осуществляется методами вычислительной гидродинамики с применением предложенной модели.
Для предложенной модели сформулирована область применимости, а также область валидации. Отдельно стоит отметить возможность уточнения метрологических характеристик модели, благодаря снижении неопределенности экспериментальных данных, и усложнения модели для корректного учета влияния свободной конвекции при высоких числах Грасгофа.
Все этапы анализа экспериментальных данных по течению ртути в прямоугольном канале в поперечном магнитном поле сведены в главы монографии. Монография готова к публикации.
Модель разработана для опускного и подъемного течения в прямоугольном канале или в круглой трубе. Модель применима при несущественном влиянии термогравитационной конвекции на течение для следующих отношений режимных параметров Gr/Re2=0÷1/4, Ha2/Re=0÷3.
Публикации
1. Беляев И.А., Генин Л.Г, Листратов Я.И., Мельников И.А., Разуванов Н.Г., Свиридов В.Г., Свиридов Е.В. FEATURES OF MHD HEAT TRANSFER IN SIMPLE CHANNELS MAGNETOHYDRODYNAMICS, Vol. 54 (2018), No. 3, pp. 245–259 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.22364/mhd.54.3.5
2. Беляев И.А., Мельников И.А., Пятницкая Н.Ю., Разуванов Н.Г., Свиридов Е.В. Investigation of Heat Transfer of Liquid Metal in a Rectangular Vertical Channel in a Coplanar Magnetic Field Applied for Cooling System of a Tokamak Reactor Thermal Engineering, vol 65(12), pages 911-915 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S0040601518120029
3. Мельников И.А., Пятницкая Н.Ю., Беляев И.А., Свиридов Е.В., Свиридов В.Г. EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF LIQUID METAL MIXED CONVECTION AFFECTED BY TRANSVERSE MAGNETIC FIELD Proceedings of the 16th International Heat Transfer Conference, IHTC-16, - (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1615/IHTC16.cov.022920
4. Мельников И.А., Пятницкая Н.Ю., Разуванов Н.Г., Свиридов Е.В. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В ПРЯМОУГОЛЬНОМ ВЕРТИКАЛЬНОМ КАНАЛЕ В КОМПЛАНАРНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ Теплоэнергетика(Thermal Engineering), - (год публикации - 2019)
5. Пятницкая Н.Ю., Мельников И.А., Разувнов Н.Г., Новиков А.О., Свиридов Е.В. EVOLUTION OF TEMPERATURE FLUCTUATIONS IN TRANSVERSE MAGNETIC FIELD AT FLOW IN BASIC SHAPED CHANNELS Magnetohydrodynamics, Vol. 55, No. 1/2, 167-174 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.22364/mhd.55.1-2.20
Возможность практического использования результатов
не указано