Динамика контакта пар-жидкость и пульсации давления при полной конденсации пара в трубе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Алексеев, Максим Валерьевич

• Алексеев, Максим Валерьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Алексеев, Максим Валерьевич

Введение

1 Обзор литературы

1.1 Возникновение неустойчивости при конденсации пара в трубе.

1.2 Гидроудар при конденсации пара.

1.3 Возникновение неустойчивости на границе жидкости и пара

2 Экспериментальные установки и методика проведения экспериментов

2.1 . Экспериментальная установка для изучения динамики межфазной границы и пульсаций давления при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе

2.2 Экспериментальная установка для изучения эволюции давления и температуры при контакте пара и жидкости.

2.3 Методики измерений и обработки результатов.

3 Динамика межфазной границы и пульсации давления при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе

3.1 Схема постановки задачи и эксперимента.

3.2 Изменение давления в жидкости и поведение границы пар-жидкость при полной конденсации пара.

3.3 Влияние ориентации трубы на развитие пульсации.

3.4 Влияние вынужденного возмущения жидкости и пара на развитие пульсаций давления.

4 Эволюция давления и температуры в паре и жидкости при их внезапном контакте

4.1 Постановка задачи и схема проведения экспериментов

4.2 Эволюция давления и температуры в паре и жидкости.

4.3 Особенности поведения давления в жидкости и границы контакта.

4.4 Излучение мощного импульса давления при полной конденсации пара

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика контакта пар-жидкость и пульсации давления при полной конденсации пара в трубе»

Актуальность работы

Развитие различных видов неустойчивостей при соприкосновении пара с жидкостью, движении парожидкостных потоков и их возможного влияния на пульсации расхода, давления, температуры, изменения коэффициента теплообмена является до сих пор важным разделом теплофизики и энергетики. С научной точки зрения это связано с актуальностью развития теории устойчивости и динамики двухфазных систем, процесса конденсации пара в условиях существенной нестационарности его течения. Практическая ценность решения этой проблемы непосредственно вытекает из необходимости обеспечения устойчивого и безаварийного режима работы различного энергетического оборудования. При определенных значениях параметров конденсирующегося парожидкостного потока внутри трубы возникают автоколебательные явления, которые проявляются в существенном изменении объемного паросодержания вдоль участка конденсации и появлении в потоке пульсаций давления. Эти явления могут существенно влиять на теплообмен и препятствовать достижению больших значений массовых потоков и высоких коэффициентов теплообмена в конденсаторах пара. Наиболее сложной является проблема обеспечения беспульсационного режима отвода тепла конденсации. Источник возникновения таких пульсаций следует искать в поведении межфазной границы пар - жидкость. Анализ таких сопряженных ситуаций представляется достаточно сложным и невозможным при численном моделировании на компьютере, так как теплогидравлические коды программ не могут адекватно описать многогранность процессов происходящих на границе пар - жидкость. В этой связи особую актуальность приобретают экспериментальные исследования, направленные на решение взаимосвязанных задач о динамике контакта пар - жидкость и генерации пульсаций давления в жидкости и паре.

Целью диссертационной работы является систематическое экспериментальное исследование взаимосвязи поведения межфазной границы пар - жидкость и давления, температуры в жидкости и паре при конденсации пара в трубах, анализ экспериментальных данных и определение основных параметров, влияющих на появление пульсаций и импульсов давления в жидкости и паре.

Научная новизна:

• Проведено систематическое исследование эволюции давления и температуры в жидкости и парс и синхронного поведения границы контакта между паром и жидкостью при конденсации пара в трубе.

• Определены закономерности возникновения пульсаций давления и генерации мощных импульсов давления в жидкости, обнаружена резонансная особенность в пульсациях давления при полной конденсации потока пара в охлаждаемой трубе.

• Установлены факты образования волн разрежения, расходящихся в противоположные стороны от границы контакта при соприкосновении горячего пара и холодной жидкости, и зависимости глубины разрежения и изменения температуры от начальных параметров жидкости и пара.

• Проведен анализ полученных экспериментальных данных и предложены физические модели возникновения пульсаций давления, волн разрежения и генерации высокоамплитудных импульсов в жидкости.

Практическая ценность работы

Полученные результаты являются инструментом для верификации теплогидравлических кодов, применяемых при расчете элементов энергетического оборудования. В частности, схема задачи и данные по эволюции давления и температуры при внезапном соприкосновении пара и жидкости находят использование в верификации расчетного кода "КОРСАР". Полученные результаты показывают один из путей генерации высокоамплитудного ударного импульса в жидкости, используемого при создании мощных источников излучения волн давления. Основные закономерности возникновения пульсаций давления при конденсации пара находят использование в проектировании высоконапряженных малогабаритных конденсаторах пара.

Достоверность полученного экспериментального материала основана на отлаженной методике измерения динамики давления и температуры в многофазных средах применяемой в Институте теплофизики СО РАН, в использовании которой применяются поверенные первичные преобразователи и приборы регистрации. Проведенные тестовые измерения показали соответствие значений температуры и давления принятым параметрам точности.

Автор защищает:

1. Опытные данные по исследованию синхронного изменения давления, температуры, поведения межфазной границы пар - жидкость при конденсации пара в трубах, влиянию начальных параметров пара и жидкости, ориентации трубы на эволюцию межфазной границы и изменение давления в жидкости и паре.

2. Результаты экспериментального изучения генерации пульсаций давления и возникновения резонанса в колебаниях давления при полной конденсации потока пара в охлаждаемой трубе.

3. Основные закономерности эволюции давления, температуры, границы контакта пара и жидкости первоначально имеющих разные температуры, одинаковые давления и находящихся в трубе по разные стороны от разделяющей перегородки.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 118 страницах, включает библиографический список из 84 наименований работ, иллюстрирована 72 рисунками. Рисунки, формулы и таблицы нумеруются по главам и частям работы. Библиографические ссылки имеют не сквозную нумерацию во всей работе.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Алексеев, Максим Валерьевич

Выводы

• Получены систематические экспериментальные данные, отчетливо показывающие взаимосвязь и синхронность изменения давления в жидкости и паре и динамики границы контакта пар - жидкость при конденсации пара в трубах. Выполнен анализ экспериментальных данных и определены основные параметры, влияющие на появление пульсаций и импульсов давления в жидкости и паре.

• Экспериментально изучен процесс генерации пульсаций давления в жидкости при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе. Показано, что периодические колебания границы контакта и циклическое образование паровой полости в жидкости вследствие развития неустойчивости на межфазной границе вызывает две моды пульсаций давления в жидкости. Зафиксировано явление резонанса, проявляющееся в существенном возрастании амплитуд пульсаций давления и колебаний границы контакта. Установлено, что острота резонанса зависит от места приложения внешнего возмущения, а именно от действия возмущения на пар или жидкость.

• Экспериментально исследована эволюция давления и температуры в паре и жидкости при их соприкосновении. Зафиксировано, что от границы контакта в противоположные стороны вглубь пара и жидкости распространяются волны разрежения. Глубина разрежения зависит только от начальной температурой жидкости и хорошо соответствует равновесному значению, определяемому по уравнению Клапейрона - Клаузиуса. Показано, что на фоне волны разрежения, распространяющейся в сторону холодной жидкости, возникает высокоамплитудный импульс давления. Установлено, что время генерации этого импульса определяется начальной температурой жидкости.

• Изучен процесс генерации мощного импульса давления при полной конденсации пара в трубах. Получены данные по скорости движения жидкости, изменения давления в паре, максимально достижимой амплитуде давления и длительности импульса. Полученные экспериментальные значения амплитуды мощного импульса давления хорошо согласуются с предложенной расчетной зависимостью.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Алексеев, Максим Валерьевич, 2004 год

1. М.В. Алексеев, Влияние возмущения давления на неустойчивость потока пара при его конденсации в трубе //Материалы XXXV1. Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс", 1999 г, НГУ, Физика,часть 1, с. 69.

2. М.В. Алексеев, Экспериментальное исследование генерации пульсаций давления при полной конденсации пара в трубе //Материалы XXXVIII Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс",2000, НГУ,Физика,часть 2, с. 51.

3. Прибатурин Н.А., Алексеев М.В., Федоров В.А., Резонансные явления при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе //Письма в ЖТФ, 2000, том 26, вып. 14,с. 13-17.

4. М.В. Алексеев, Экспериментальное изучение ударной конденсации пара в трубе //Материалы XXXIX Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс", 2001 г, НГУ, Физика, с. 146-147.

5. Прибатурин Н.А., Алексеев М.В., Федоров В.А., Акустический резонанс при полной конденсации пара в трубе//Динамика сплошной среды, ИГиЛ СО РАН, 2001, выпуск 117, с.151 -154.

6. Н.А.Прибатурин, М.В. Алексеев, Излучение волн давления при прямом контакте холодной жидкости и пара // XI сессия Российского акусти-ческого общества, Москва, Россия, 19-23 ноября 2001г., М. ГЕОС, с.60-63.

7. N. A.Pribaturin, М. V.Alekseev, Impulse Radiation of a Sound at Condensation of a Vapour Cavity in a Liquid // 17th International Congress on Acoustics Proceedings, Rome, Italy, September 2- 7, 2001, pp. 56-57.

8. Pribaturin N.A., Fedorov V.A., Alekseev M.V. Resonance phenomena at complete vapour condensation in a cooled pipe // Proc. 12 Int. Heat Transfer Conf., Grenoble, France. -August 24, 2002. V. 3. pp. 833-838.

9. Pribaturin N.A., Alekseev M.V. Evolution of pressure and temperature under direct contact of cold water and vapour // 5-th Euromech Fluid Mechanics Conference, Toulouse, France, Book of Abstracts, 2003, pp.42

10. Алексеев М.В. Динамика давления в паре и жидкости при движении фронта конденсации// Тезисы IV Всероссийской конференции молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии", 1-2 июля 2004 г., ИТПМ СО РАН, г. Новосибирск, с. 37.

11. Jung-Hoon Chang, Martin A. Shimko and Ain A. Sonin, Vapor condensation onto a turbulent liquid-II. Condensation burst instability at high turbulence intensities // Int. J. Heat Mass Transfer 29,No.9,1986,pp. 1333-1338.

12. Kim H. Y., Bae Y. Y., Cho S., Song C.H. and Choi S. M., Experimental stady on derect contact condensation of steam jets sparging into subcoled water// Therd International Conference on Multiphase Flow, ICMF98, Lyon,France, 1998, pp. 1957-1960.

13. R.J. Young, K.T. Yang and J.L. Novotny, Vapor-liquid interaction in a high velocity vapor jet condensing in a coaxial water flow // Proceedings of the fifth international Heat Transfer Conference, Keidanrenkaikan Building, Tokyo, 1974, V.3 pp. 226-229.

14. Izuo Aya and Hideki Nariai, Occurrence threshold of pressure oscillations induced by steam condensation in pool woter// Bulletin of JSME, 1986, Vol. 29, No. 253 pp. 415425.

15. J. S. Seo and S. G. Bancoff, Experiment and condensation effects in the upward acceleration of a liquid column// Int. Multiphase Flow, 1989, Vol. 15, No. 6.pp. 925-935.

16. Cristopher D.M., Transient development of a two-phase jet //Master's Thesis, Purdue Univ. West, Lafayette, Ind, 1977

17. Bancoff S.G. and Manson, J.P. Heat transfer from the surfase of a steam bubble in turbulent subcoled liquid stream// AIChE,1962,N8,pp. 30-33.

18. Chang I.M. and Bancoff S.G., Nonlinear Teylor instability of a plane interface between two incompressible fluids with interfacial mass transfer// AIChE Jl,1983,29,pp.95-100.

19. Chang I.M. and Bancoff S.G. Nonlinear Teylor on a cylindrical vessel// AIChE J1 Fluid Engng, 106,1984,pp.380-384.

20. Jocobs J. W., Bunster A., Catton I.M. and Plesset M. S., Experimental Rayleigh-Taylor instability in a circular tube. // ASME J1 Fluid Engng, 107,pp. 460-466.

21. Kent, E.R. ,and Pigford, R. L., Fractionation During Condensation of Vaper Mixtures,// AIChE Journal, 1956, 2, p.363.

22. English, K. G., Jones, C.R., Spillers, R.C., and Orr, V., Criteria of Flooding and Flooding Correlations with a Vertical Updraft Partial Condenser// Chim. Eng. Prog., 1963., 59(7),pp 378-382.

23. Boucher, D.F., and Avis, G. E., Fluids and Particle Mechanics, in Chimical Engineer-sy Handbook// R.H. Perry and C.H. Chilton,Eds., 5th. Ed., Sec. 5, McGraw-Hill, New York, 1973.

24. Deakin A.W., Pulling D. G., and Owen R.G., Flooding in Reflux Condensers //Inst, of Chemical Engineering, Birmingham, April 1978.

25. Butterword, d, Film Condensation of Pire Vapor, in Heat Exchanger Design Handbook,// V. 2, Ernst U. Schlunder,Ed., Hemisphere Publishing Co., Washington, 1983.

26. Russel, C.M.B., Condensation of Steam in a Long Reflux Tube, // HFTS 1980,, July 1980, Research Symposium Paper No. HTFS RS 352.

27. Nguyen, Q.T., and Banerjee, S., Flow Regimes and Heat Removal Mechanisms in a Single Inverted U-Tube Steam Condenser// ANS Transactions, 1982,Vol.43,pp. 788-789.

28. Calia C. and Griffith P., Modes of Circulation in an Inverted U-Tube Array with Condensation// Journal of Heat Transfer, 1982, Vol. 104, pp. 769-773.

29. Rabas T.J. Minard P.G. Two Tipes of Flow Instabilities Occurring inside Horizantal Tubes with Cornplite Condensation // Heat Transfer Engeniring, 1987, Vol. 8, N. 1, pp. 40-49.

30. Wyde S.S., Kanze H.R. Experimental Condensing-Flow Stability Stadies// NASA CR-54178, PNA-231, 1964

31. Schoenberg A.A., Mathematical Model With Experimental Verification of the Dynamic Behavior of a Sing Tube Condenser// NASA TN D-3453, 1966

32. Bkhat, B.L., Vedekaind, G.L., Self-Oscillations of Liquid Rate in Condensed Two-Phase Flows// Trans. ASME, Heat Transfer, 1980, Vol. 102(4), pp. 113-121.

33. Banerjee S., Chang, J.S., Girard, R., and Krishnan, V.S., Reflux Condensation and Transition to Natural Circulation in Vertical U-Tube // Journal of Heat Transfer, 1983,Vol. 105,pp. 719-727.

34. Chang J.S., Donevski B. and Revenkar S.T., Multi-Tube Effects on the Reflux Condensation and Transition to Natural Circulation in a Vertical U-Tube // Fundamental Aspects of Gas-liquid Flows, E.E. Michaelides, Ed.,ASME Press, 1985,FED-Vol 29,pp. 91-96.

35. Obinelo, I.F., Round, G.F., Chang, J.S., Condesation Enhancement by Steam Pulsation in a Reflux Condener// Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Termodinam-ics, 1991,pp 1058-1065.

36. Ядигароглу Г. Неустойчивость двухфазного потока и распостранение возмущений. Теплообмен и гидродинамика двухфазных потоков в атомной и тепловой энергетике// Наука, Москва, 1984.

37. Boure J.A., Bewgles А.Е., Tong L.S. Review of Two-Phase Flow Instability//Nuclear Engineering and Design. 1973,Vol. 25. pp. 165-192.

38. Hemmat H. Safwat, Asuf H. Arastu, Syed M. Hasaini, Systematic metodology for diagnostic of water hammer in LWR power plants// Nuclear Engineering and Disign,1990, Vol. 122, pp. 365-376.

39. Жуковский H.E. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах // М.-Л. 1949

40. Chyr Pyng Liou, Maximum Pressure Head Due to Linear Valve Closure//Transactions of the ASME, Jornal of Fluids Engineering, 1991, Vol. 113, pp. 643-647.

41. W.H. Li, Mechanics of pipe flow following column separation// Proc. ASCE 88, N. EM4, 1963,pp.566-570.

42. H.H. Safwat, J.V. Polder, Experimental and analitical data correlation study of water column separation// Transactions of the ASME, Jornal of Fluids Engineering, 1973, Vol. 95, pp.91-97

43. H.H. Safwat, A.H. Arastu, S.M. Hasani, Generalized applications of method of charac-terictics for the analitics of hydravlic transients involving empty sections// BHRA 5th International Conference Presure Surges, Hannover, F.R. Germany, 1986

44. H.H. Safwat, Steam condensation induced water hamer// IAHR 4th International Round Table on Hydraulic Transients in Power Stations, Medeira, Portugal, 1987

45. Pshyk L.D., Mistele E.J., Solving Emergency Coolant Injection Recovery System Water-hammer at Pickering NGS-A//Proc. Third Int. Topical Meeting on Nuclear Power Plant Thermal Hydraulics and operations, Seul, Korea, 1988, pp. A 10.85 A 10.92

46. Ledinegg M. Instability of Flow during Natural and Forced Circulation// Due Warme, 1938. Vol. 61. N8. P. 891-898.

47. Eselgroth R.W., Griffith P. The Prediction of Multiple Heated Channel Flow F^tterus from Signale Chemel Pressure Drop Date// VII EPL, rept. 70318-57. 1968.

48. Gerliga V.A. Dulevsky R.A. The Termohidravlic Stability of Multy-Channel Steam-generating Systems// Heat Transfer-Sov. Res. 1970, Vol. 2. N. 2. pp 63-67.

49. Soliman M.,Berenson P.J. Flow Stability an Gravitional Effects in Multitube Condenser// Airesearch Report N. 69-5393, 1969.

50. Ядигароглу Г. Берглес A.E. Основная и более высокие моды колебаний в волне плотности двухфазного потока// Теплопередача, 1972. Т. 94. №2. с. 71-79.

51. Soliman M.,Berenson P.J. Flow Stability an Gravitional Effects in Condenser Tubes. Heat Transfer 1970,// Proc. 4-th Intern Heat conf.Paris, Elsevier publish, corp, 1970, Val. 6. P. 4,5.

52. Westenforf W.N., Brown W.F. Stability of Intermixing of High Velocity Vapour with its Sabcooled Liquid in Cocurren Streams.//NASA TND- 3553, 1966.

53. Westenforf W.N., Brown W.F. Stability of Intermixing of High Velocity Vapour with its Sabcooled Liquid in Cocurren Streams.//Heat Transfer 1970, Hroc. 4-th Intern Heat conf. Paris, Elsevitr publish, comp, 1970,Vol. 6. pp. 4, 5.

54. Wcdekind G.L., Bhat B.L., An Experiment and Theoretical Investigation into Termally Govern Transient Flow Surges in Two-Phase Condensing Flow// Trans. ASME, J. Heat Transfer, Nov. 1978, Vol. 99, N. 4, pp. 561-567.

55. Wedekind G.L., Bhat B.L., Beck B.T., A System Mean Void Fraction Model for Predicting Various Transient Phenomena Associated with Two-Phase Evaporating and Condensing Flows// Int. J. Multiphase Flow, 1978, Vol. 4, pp. 97-114.

56. Бхат Б.Л., Ведекайнд Г.Л. Переходные и частотные характеристики двухфазных конденсирующихся потоков с учетом сжимаемости пара// Теплопередача, 1980, Т. 102. №3. С. 122-130.

57. Bhat B.L., Wedekind G.L., Transient and Frequency Response Characteristic of Two-Phase Flows: With and Without Compressibility// Trans. ASME, J. Heat Transfer, Aug. 1980, Vol. 102, pp. 495-500.

58. Бхат Б.Л., Ведекайнд Г.Л. Автоколебания расхода жидкости в двухфазных конденсирующихся потоках// Теплопередача, 1980, Т. 89. №4. С. 113-121

59. Бхат Б.Л., Ведекайнд Г.Л., Джонг К. Влияние перепада давления в двухфазной области течения с конденсацией на автоколебательную неустойчивость// Современное машиностроение. Сер. А. 1989. №12. с. 62-70.

60. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц,ГИДРОДИНАМИКА//Москва, "Наука", 1986 г.

61. Б.С. Петухов, Л.Г. Генин, С.А. Ковалев, С.Л. Соловьев, Теплообмен в ядерных энергетических установках// Издательство МЭИ, Москва, 2003г.

62. Федоров В.А., Мильман О.О., Теплогидравлические автоколебания и неустойчивость в теплообменных системах с двухвазным потоком//Издательство МЭИ., Москва., 1998 г.

63. C.K.Chan, Dynamikal pressure pulse in steam jet condensation//Sixth International Heat Transfer Conference, Toronto, Canada, 1978, V.2., pp 395-399.

64. Накоряков В.Е., Сафарова Н.С. Простая формула для определения положения поверхности раздела фаз при конденсации затопленной струи пара // Известия СО АН СССР. 1975. №8, серия технических наук, Выпуск 2, с.69-71.

65. Чен Л.Д., Фает Г.М. Конденсация паровых струй, погруженные в переохлажденные жидкости // Теплопередача. 1982. №4, с. 197-187

66. Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г., Шрейбер И.Р., Волновая динамика газо и парожидкостных сред//Москва, Энергоатомиздат,1990.

67. Костюк В.И. О механизме процесса конденсации струи пара в объеме // Теплоэнергетика. 1985. № 12. С.34-37.

68. Izuo Aya, Hideki Nariai. Occurence threshold of pressure oscillations induced by steam condensation in pool water// Bulletion of JSME. 1986. Vol. 29, N 253. pp. 2131-2137.

69. Akio Kudo, Basic study on vapor suppression // Fifth International Heat Transfer Conference, 1974, Tokyo.

70. J.C. Weimer, G.M. Faeth, D.R. Olsen, Penatration of vapor jets submerged in subcooled liquids// AIChE Journal, vol. 19, N. 3, 1973, pp.552-557.

71. M. Dc Salve, B. Panella and G. Scorta, Heat and mass transfer by direct condensation of steam on a subcooled turbulent woter jet// Procidings 8th International Heat Transfer Conference, San Francisco, 1986, Vol. 4, pp. 1653-1658

72. V.P Isachenko, A.P. Solodov, Y.Z. Samoilovich, V.I. Kushinyrev and S.A. Sotskov, Investigation of heat transfer with steam condensation on turbulent liquid jets// Teploenergeti-ka 1971, Vol. 18, N. 2, pp. 7-10

73. O.E. Попов, C.M. Когарко, Об одной особенности подводного взрыва газовых смесей// Физика горения и взрыва, №4, 1976, с. 610-614

74. R. Marlow, A.M.С. Chan and М. Shoukri, Steam condensation induced water hammer in vertical up-fill configuration // Proceedings of the Tenth International Heat Transfer Conference, Brighton, UK, 1994, Vol. 3, pp. 365-370.

75. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена//Москва,Атомиздат,1979

76. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Гидродинамика двухфазных сред//Энергия, Москва, 1978