Теплоэнергетика, 2023, № 3, стр. 49-57

ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальные исследования проводились на модели тройника. Модель представляла собой Т-образное перпендикулярное соединение прямых труб из нержавеющей стали (рис. 1), толщина стенки труб 1.45 мм, внутренний диаметр 39.5 мм. Горячий натрий циркулирует на проход, холодный натрий подводится через боковой подводящий трубопровод. Нестационарное турбулентное перемешивание разнотемпературных потоков жидкометаллического теплоносителя приводит к появлению температурных пульсаций в ядре потока, но отдельные вихри горячего и холодного натрия достигают внутренней поверхности трубопровода, что, в свою очередь, вызывает пульсации температуры в металлоконструкции тройника.

Рис. 1.

Схематическое изображение экспериментальной установки. 1 – тройник; 2 – тепловизор; 3 – область для измерения пульсаций температуры наружной поверхности тройника; 4 – нагреватель; 5 – холодный теплообменник; 6 – насос горячей ветки; 7 – насос холодной ветки; 8 – электромагнитный расходомер на горячей ветке; 9 – электромагнитный расходомер на холодной ветке; 0 – точка пересечения трубопроводов тройника

Выбранная толщина стенки модели тройника (меньшая, чем толщина стенок натриевых трубопроводов в стенде и реальных реакторах) обеспечивает пониженную тепловую инерционность, что позволяет получить достаточно контрастное поле температуры на внешней поверхности трубы. Тройник, как и основные трубопроводы натриевого контура, окружен воздушным тепловым кожухом, который прогревает контур перед заполнением и снижает тепловые потери при работе контура. Тепловой кожух представляет собой короб прямоугольного сечения 300 × 300 мм с трехслойными стенками металл – минеральная вата – металл толщиной 50 мм (металл – оцинкованная сталь толщиной 1 мм). В кожухе размещены два окна из селенида цинка, обеспечивающие пропускание инфракрасного (ИК) излучения и возможность использовать тепловизор для измерения пульсаций температуры в области на наружной поверхности тройника. Наружная поверхность каналов тройника и внутренняя поверхность кожухов покрыты термостойкой краской для повышения точности определения температуры. Конструкция кожухов и выбранный угол зрения позволяют изучать с помощью тепловизора конкретную область выходного патрубка тройника. Для исследования эволюции поля температуры на поверхности труб с натрием использовался тепловизор модели FLIR SC5000 со стандартным объективом для работы в ИК-диапазоне.

Тройник встроен в натриевый контур, разработанный в ИМСС УрО РАН [12] (см. рис. 1). В состав контура входят: нагреватель, конструктивно объединенный со своим расширительным баком, холодный теплообменник с воздушным охлаждением, конструктивно объединенный со своим расширительным баком. Течение жидкого натрия обеспечивалось коаксиальными электромагнитными насосами бегущего поля (горячей и холодной ветки) [13]. Расход жидкого натрия в каждой ветке определялся электромагнитными расходомерами [14]. Температура натрия контролировалась погружными датчиками, установленными на входах в тройник, где также были размещены выравниватели потока (хонейкомбы).

Основной контур выполнен без механических клапанов и вентилей, что позволило снизить его гидравлическое сопротивление. Элементы контура соединены трубопроводами из нержавеющей стали внутренним диаметром 68 мм. Вся регулировка расхода по каждой ветке контура осуществлялась с помощью электромагнитных насосов, обеспечивающих более устойчивое управление расходом в широком диапазоне значений. Контур окружен тепловым кожухом с системами термостабилизации и пожаротушения, а также снабжен системами хранения, заливки и очистки натрия, вакуумной и аргоновой системами.

В качестве датчиков температуры использовались термопары КТХА 02.01-062-к1-Н-Т310-1-1000/4000, произведенные ООО “Тесей” и представляющие собой кабель термопарный хромель-алюмелевый с неизолированным спаем в минеральной изоляции и стальной оболочке наружным диаметром 1 мм. Предел допускаемых отклонений от номинальной статической характеристики датчиков составлял 1.1 К, что дает неопределенность по типу Б 0.63 К, или 0.15%, для минимальной температуры натрия в экспериментах (410 К). Показатель тепловой инерции датчиков составлял τ_0.63 = 0.05 с.

Тепловизор выдает последовательность двумерных изображений размером 320 × 256 пикселей с разрешением 0.1 мм и глубиной 14 бит. Во время эксперимента достигается стационарное состояние с выбранными значениями расходов Q_г, Q_х и температур T_г, T_х в горячей и холодной ветке соответственно (см. таблицу). Затем производится съемка поля температуры в течение 30 мин с частотой кадров 50 Гц. Эти данные позволяют изучить характер распределения и динамику поля температуры и пульсаций. Наиболее достоверные значения температуры могут быть получены на образующей цилиндра канала, находящейся на кратчайшем расстоянии от тепловизора, что обусловлено криволинейностью поверхности канала. Поэтому исследование температуры производилось в точках, последовательно расположенных на этой образующей. Координаты этих точек из системы координат, связанной с изображением тепловизора, переводятся в систему координат, связанную с тройником, центр которой находится в точке пересечения трубопроводов тройника, а ось Z направлена вдоль течения потока смешения (см. рис. 1). Предел допускаемой систематической погрешности тепловизора в измеряемом диапазоне температур 420–450 К составляет 0.3 К, что дает неопределенность по типу Б 0.17 К. Неопределенность по типу А составила в эксперименте 0.4 К. Таким образом, суммарная неопределенность тепловизорных измерений была 0.43 К, или 0.1%, для нижнего значения температуры измеряемого диапазона.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В ходе экспериментов изучен процесс смешения при разных наборах параметров. В таблице приведены значения параметров для двух характерных режимов, которые, если следовать классификации, предложенной в работе [4], обеспечивают генерацию малого вихря рециркуляции вблизи стенки (wall jet – режим 1) либо более крупную структуру струйного течения (re-attached jet – режим 2), которая обеспечивает менее стабильную зону рециркуляции большего масштаба. Значения числа Рейнольдса, определенного по диаметру трубы D и расходу в выходной трубе, находятся в интервале

Температура на поверхности тройника исследованной области меньше среднесмешанной температуры Т_сс натрия в среднем на 24 К для режима 1 и на 10 К для режима 2:

Отношение расходов горячего и холодного натрия для режима 1 составляет 2.1, для режима 2 – 1.1, поэтому можно предположить, что характерный размер области потока, в которой происходит интенсивное перемешивание, в режиме 1 существенно больше, чем в режиме 2. Этим объясняется качественное отличие распределений температуры на поверхности тройника (рис. 2, а).

Рис. 2.

Распределение усредненной за время эксперимента температуры 〈T〉 на поверхности тройника вдоль продольной координаты z для режимов 1 (1) и 2 (2) (а) (вертикальные отрезки соответствуют значениям среднеквадратических отклонений температуры) и графики временных температурных сигналов T(t) за вычетом среднего по времени значения 〈T〉 для внешней поверхности стенки трубы (б) и в потоке натрия (на оси трубы) (в) при z = 150 мм (режим 2)

Наблюдается монотонный рост средней температуры поверхности тройника от координаты вдоль образующей для режима 1 и неравномерный рост с провалом в центральной части для режима 2 (см. рис. 2, а). В последнем случае именно туда попадает струя с более холодным натрием. При этом среднеквадратические отклонения в режиме 1 нарастают вдоль потока, а в режиме 2 существенно не изменяются. Такое распределение пульсаций температуры по поверхности подтверждают и спектры Фурье, приведенные на рис. 3 для точек z = 58 мм, z = 124 мм, z = 205 мм исследуемой области. В режиме 2 графики спектральной плотности для трех точек практически совпадают, в то время как в режиме 1 спектральная плотность энергии пульсаций в первой точке (линия 1) существенно меньше, чем в точках, расположенных ниже по потоку (линии 2 и 3). На обоих рисунках штриховой линией для справки показан наклон спектра f  ^–3, чтобы подчеркнуть, что для частот f > 1 Гц амплитуда пульсаций быстро уменьшается с ростом частоты.

Рис. 3.

Спектральная плотность энергии пульсаций температуры E в трех точках на внешней поверхности тройника в режиме 1 (а) и режиме 2 (б). 1 – точка z = 58 мм; 2 – точка z = 124 мм; 3 – точка z = 205 мм; 4 – наклон −5/3; 5 – наклон –3 (толщина линий убывает по мере удаления от тройника)

Спектры пульсаций температуры на поверхности тройника интересно сравнить со спектрами пульсаций температуры в самом потоке натрия. На рис. 2, б, в приведены примеры вариации температуры со временем на поверхности трубы и в потоке натрия для z = 150 мм (режим 2). На рис. 4 и 5 представлены спектральные плотности энергии пульсаций температуры, построенные для обоих режимов по показаниям термопар, расположенных на оси канала в точках с координатами z = 150 мм (термопара 1) и z = 450 мм (термопара 2). Пульсации температуры в потоке существенно выше, чем на стенке (для режима 2 энергия пульсаций на частоте 1 Гц на оси потока превосходит энергию пульсаций на стенке более чем на два порядка). Однако, несмотря на интенсивную турбулентность, выраженного инерционного интервала (в котором пульсации температуры, как и любой пассивной примеси, следуют закону –5/3, который также показан на всех рисунках сплошной прямой линией) не видно. Это неудивительно, так как высокая температуропроводность натрия (7 × 10^‒5 м² · с) приводит к формированию инерционно-диффузионного интервала, в котором спектральная плотность пульсаций скорости определяется спектральным потоком энергии и следует закону Колмогорова, а пульсации температуры создаются пульсациями скорости, но не вовлекаются в каскадный перенос, так как рассасываются на том же масштабе, на котором возникают [15]. Следует отметить, что следующий из соображений размерности наклон –17/3 имеет такую высокую крутизну, что выделить его в реальных сигналах практически не возможно. Представленные спектры дают протяженные участки с наклоном от –3 до –5 (самый протяженный участок с устойчивым степенным законом виден на рис. 4, а самый крутой участок – на рис. 5).

Рис. 4.

Спектральная плотность энергии пульсаций температуры E на термопарах 1 (а) и 2 (б) внутри потока (режим 1). 1 – по показаниям термопар; 2 – наклон –5/3; 3 – наклон –3

Рис. 5.

Спектральная плотность энергии пульсаций температуры E на термопарах 1 (а) и 2 (б) внутри потока (режим 2). 1 – по показаниям термопар; 2 – наклон –5/3; 3 – наклон –3

При рассмотрении эволюции температурных полей отмечено, что по поверхности трубопровода вдоль течения распространяются не регулярные, но повторяющиеся структуры сложной формы (рис. 6). При этом в спектрах Фурье какие-либо выделенные частоты отсутствуют (см. рис. 3), поэтому для определения частоты возникающих пульсаций использовался вейвлет-анализ, эффективный для спектральной оценки нестационарных сигналов [16].

Рис. 6.

Распределение температуры на поверхности канала в зоне смешения. Интервал температуры ограничен значениями от 403 до 408 К. Представлены девять кадров с тепловизора, сделанные с интервалом 0.1 с (режим 1)

Вейвлет-спектрограммы вариаций температуры в выбранных точках (рис. 7) позволяют проследить за изменениями спектральной структуры во времени. Горизонтальная структура в спектрограмме соответствует волновому пакету с доминирующей частотой. Вытянутые в горизонтальном направлении структуры хорошо видны в верхних частях спектрограммы и свидетельствуют о существовании долгоживущих квазипериодических колебаний с частотами порядка 0.1–0.3 Гц. При построении интегральных спектров отдельные структуры сливаются и дают гладкое распределение энергии пульсаций по частоте. При построении вейвлет-спектров путем осреднения спектрограмм по относительно небольшим промежуткам времени получаются спектры с набором выделенных частот. На рис. 8 представлены диаграммы, на которых совмещены (расположены один за другим вдоль оси абсцисс) вейвлет-спектры, полученные при осреднении спектрограмм в интервале времени от 500 до 1000 с для десяти точек вдоль оси z. В данном случае наибольшая интенсивность колебаний наблюдается в дальней области по потоку. При этом в режиме 1 область характерных частот находится в интервале 0.1–0.5 Гц и она менее локализована, чем в режиме 2, в котором всплески колебаний отмечаются в интервале 0.05–0.35 Гц.

Рис. 7.

Вейвлет-спектрограммы пульсаций температуры на поверхности тройника в точке z = 140 мм для режима 1 (а) и 2 (б)

Рис. 8.

Карты вейвлет-спектров для десяти выбранных точек вдоль исследуемой области для режима 1 (а) и 2 (б)

ВЫВОДЫ

1. Спектральный анализ сигналов термопар, расположенных на оси трубы в зоне смешения, показал, что поток во всех случаях является турбулентным. Спектры заполнены и не содержат выделенных частот. Выраженного участка со степенным законом –5/3, характерным для неизотермических жидкостей с умеренными числами Прандтля, не наблюдается, так как высокая температуропроводность натрия способствует формированию инерционно-диффузионного интервала с быстрым уменьшением энергии пульсаций температуры с повышением частоты.

2. Получены характеристики пульсаций температуры на поверхности трубы в зоне смешения (со стороны бокового патрубка). При визуальных наблюдениях за показаниями тепловизора выявлена нестационарная картина вариации поля температуры – в зоне смешения возникают и мигрируют вниз по потоку области с большим уровнем пульсаций температуры. Процесс не является регулярным и не свидетельствует о наличии на стенке устойчивых периодических колебаний температуры.

3. Средняя температура поверхности трубы в режиме 1 (расход холодного натрия составляет приблизительно половину расхода горячего) в зоне наблюдений монотонно возрастает по мере удаления от бокового (холодного) патрубка вниз по потоку, как и интенсивность пульсаций температуры. В режиме 2 (расход холодного натрия сопоставим с расходом горячего) имеется небольшой провал температуры в середине области наблюдений, свидетельствующий о наличии в данной области стационарного возвратного вихря. В этом режиме уровень пульсаций ниже, чем в первом, и сохраняется во всей области измерений.

4. Амплитуда пульсаций температуры на поверхности тройника на порядок ниже, чем в потоке, но структура спектров Фурье подобна. Спектральная плотность энергии пульсаций температуры на поверхности тройника также не имеет выделенных частот и на частотах больших 1 Гц снижается по закону близкому к E(f) ~ f ^–3.

5. Вейвлет-спектрограммы пульсаций температуры в отдельных точках поверхности позволили выявить наличие нерегулярных всплесков пульсаций температуры. При этом область характерных частот лежит в диапазоне 0.1–0.5 Гц. Длительность всплесков тоже меняется и может достигать двух-трех десятков периодов, а частота колебаний изменяется даже в рамках одного всплеска. При вычислении интегральных спектров многочисленные всплески колебаний сливаются в сплошной гладкий спектр.

6. Получены экспериментальные данные по смешению разнотемпературных потоков натриевого теплоносителя, необходимые для проведения верификации CFD-кодов. Подтверждение адекватности реализованных в CFD-кодах моделей будет способствовать их внедрению в инженерную практику, что позволит повысить безопасность эксплуатируемых и проектируемых реакторных установок.