Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в каналах ядерно-энергетических установок, Митрофанова О.В., 2010

Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в каналах ядерно-энергетических установок, Митрофанова О.В., 2010.
   
   Монография посвящена проблеме моделирования процессов гидродинамики и теплообмена сложных закрученных течений вязкой несжимаемой жидкости в каналах с закручивающими устройствами. Рассмотрены физические особенности турбулентных закрученных потоков, выявлены факторы, влияющие на вихревую структуру течения теплоносителей, гидравлическое сопротивление и теплообмен в каналах ядерно-энергетических установок (ЯЭУ). Основой физико-математического моделирования является комплексное решение проблем пространственного осреднения уравнений динамики сплошной среды для каналов сложной геометрии, описания граничных условий, эффективных коэффициентов переноса и формулировки замыкающих соотношений, полученных в результате экспериментального подтверждения принимаемых физических моделей и гипотез.
Для научных работников, инженеров, аспирантов и студентов физических факультетов университетов, чьи интересы связаны с теплофизикой, механикой жидкости и газа и процессами теплообмена в технических и природных системах.

Отрыв и присоединение потока.
С точки зрения снижения гидравлических потерь при интенсификации теплообмена с помощью закручивающих устройств при турбулентном режиме течения наибольший интерес для исследования представляют завихрители, не приводящие к большому загромождению канала. Анализу условий, необходимых для создания эффективных поверхностей теплообмена при турбулентном течении теплоносителя посвящены монографии Э.К. Калинина и Г.А. Дрейцера с соавторами [24, 57].
Как уже отмечалось выше, одним из основных механизмов интенсификации теплообмена при турбулентном режиме течения теплоносителя является дополнительная турбулизация пристенного слоя, в котором сосредоточено основное термическое сопротивление. По данным работы [57], толщина этого слоя для режимов развитого турбулентного течения составляет 3-5% от радиуса трубы. В настоящее время широкое распространение получили два способа управляющего воздействия на структуру пристенного слоя при турбулентном течении жидкости. Это создание у стенки отрывных зон за счет периодического расположения турбулизаторов в виде обтекаемых выступов (ребер, навивок, шероховатостей т. п.) и формирование когерентных вихревых структур за счет профилирования поверхности в форме трехмерных углублений (лунок, каверн). Положительное влияние турбулизаторов на теплообмен было отмечено Ройдсом [58] еще в 1921 г., и с тех пор изучению этого влияния было посвящено множество работ различных исследователей. Активные исследования вихревой структуры течения и теплоотдачи при обтекании лунок, начались относительно недавно и предпринимаются в нашей стране в основном на протяжении последнего десятилетия [59, 60].
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие  
Глава 1 Современное состояние исследований в области изучения гидродинамики и теплообмена закрученных потоков в каналах с завихрителями
1.1. Введение
1.2. Виды завихрителей и их применение для интенсификации теплообмена  
1.3. Физические особенности турбулентных закрученных потоков в каналах с завихрителями  
1.3.1. Вопросы терминологии (20).
1.3.2. Основные закономерности закрученных течений. Связь интенсивности закрутки потока с формированием поля скорости закрученного течения в канале (24).
1.3.3. Вторичные течения (30).
1.3.4. Отрыв и присоединение потока (37).
1.4. Факторы, влияющие на вихревую структуру потока, гидравлическое сопротивление и теплообмен в каналах с завихрителями
1.4.1. Форма завихрителей (46).
1.4.2. Загромождение канала (52).
1.4.3. Степень турбулентности потока (55).
1.4.4. Шаг расположения закручивающих элементов и угол скоса потока (58).
1.4.5. Продольная кривизна (63).
1.5. Современное состояние проблемы расчетного моделирования сложных турбулентных течений
1.5.1. Использование моделей турбулентности для расчета криволинейных и закрученных течений (67).
1.5.2. Различные подходы к построению расчетных методов сложных турбулентных течений (73).
1.6. Опыт разработки инженерных методов расчета для каналов сложной геометрии с закруткой потока
1.7. Выводы
Глава 2. Теоретические основы математического моделирования гидродинамики и теплообмена в каналах с закручивающими устройствами
2.1. Принципы расчетного моделирования
2.2. Постановка задачи. Вывод расчетных уравнений
2.2.1. Система исходных уравнений (89).
2.2.2. Процедура пространственного осреднения (95).
2.2.3. Уравнения для осредненных компонент скорости и давления (99).
2.2.4. Осреднение уравнения энергии (103).
2.3. Формулировка замыкающих феноменологических соотношений
2.3.1. Описание силового воздействия завихрителей на поток (107).
2.3.2. Описание компонент тензора сопротивления (109).
2.3.3. Моделирование эффективного переноса в каналах с завихрителями (112).
Глава 3. Метод расчета гидродинамики и теплообмена для кольцевых каналов со спиральными завихрителями
3.1. Постановка задачи
3.2. Гидродинамический расчет кольцевых каналов с непрерывными по длине спиральными завихрителями
3.2.1. Оценка эффективной вязкости (120).
3.2.2. Вычислительный алгоритм метода гидротеплового расчета (125).
3.3. Расчет теплообмена в кольцевых каналах с завихрителями
3.3.1. Уравнение теплового баланса (129).
3.3.2. Интегральные соотношения в форме интегралов Лайона для расчета теплоотдачи в кольцевых каналах с завихрителями при произвольном соотношении тепловых нагрузок (133).
3.4. Гидротепловой расчет винтообразных каналов
3.5. Верификация расчетного метода. Сравнение результатов расчетов и экспериментов
Выводы к главе 3
Глава 4. Метод расчета гидродинамики и теплообмена в трубах с локальными завихрителями
4.1. Постановка задачи. Вывод расчетных уравнений
4.1.1. Введение (160). 4.1.2. Вывод интегральных уравнений (162).
4.1.3. Описание профиля окружной скорости закрученного потока. Предварительный анализ (165).
4.2. Модель трансформации вихря
4.2.1. Основные положения (170).
4.2.2. Система расчетных уравнений (170).
4.2.3. Параметрическое описание поля скорости (172).
4.2.4. Оценка эффективной вязкости (176).
4.3. Влияние завихрителей на теплообмен
4.4. Вычислительный алгоритм метода гидротеплового расчета труб с локальными завихрителями
4.5. Верификация метода расчета гидродинамики и теплообмена труб с локальными завихрителями. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов  
Выводы к главе 4
Глава 5. Использование теории Громеки - Бельтрами для анализа условий существования макровихревой структуры внутренних закрученных течений при высоких числах Рейнольдса
Введение  
5.1. Перенос завихренности
5.2. Винтовое течение в каналах
5.2.1. Решение для кольцевого канала (198).
5.2.2. Анализ результатов (199).
5.3. Влияние интенсивности завихренности на структуру закрученных потоков в цилиндрических каналах
Глава 6. Генерация спиральности и критические переходы в закрученном потоке однофазной жидкости
Введение  
6.1. Понятие спиральности. Вывод уравнения спиральности
6.1.1. Приведение к безразмерному виду (209).
6.1.2. Связь спиральности с интенсивностью завихренности (210).
6.2. Теоретический анализ
6.2.1. Некоторые свойства вихревых течений с ненулевой спиральностью. Уравнение энергии для винтового течения (212).
6.2.2. Переход к винтовому движению (213).
6.3. Самопроизвольная закрутка теплоносителя в коллекторных системах ядерно-энергетических установок
Выводы
Глава 7. Повышение теплогидравлической эффективности каналов ЯЭУ при использовании закручивающих устройств
7.1. Способы оценки теплогидравлической эффективности каналов с закручивающими устройствами
7.2. Выбор критерия эффективности для решения задач повышения безопасности и эффективности работы ЯЭУ
7.3. Оптимизация геометрии дистанционирующих устройств в кольцевых каналах ТВС
7.4. Примеры решения оптимизационных задач на основе вычислительных экспериментов
7.4.1. Интенсификация теплообмена в парогенерирующих каналах ТВС (241).
7.4.2. Улучшение массогабаритных характеристик авиационного теплообменника (244).
7.4.3. Уменьшение длины технологических каналов пиролизных печей (249). Выводы к главе 7
Заключение
Приложение 1. Значения коэффициентов полного сопротивления Cd для тел различной геометрии
Приложение 2. Вывод зависимости для определения коэффициента тензора сопротивления knn при течении жидкости в винтообразном канале  
Приложение 3. Приведение уравнений модели трансформации вихря к конечно-разностному виду
Список литературы.