Грант РФФИ 16-01-00459 А "Турбулентная конвекция жидкого натрия"

Аннотация к проекту

Проект направлен на экспериментальные исследования особенностей турбулентной конвекции жидких металлов в замкнутых полостях, с упором на изучение эффективного теплопереноса и структуры крупномасштабного потока, формирующегося на фоне турбулентной конвекции. В рамках проекта предполагается провести экспериментальные исследования конвективных течений натрия в цилиндрических полостях, выполнить прямые численные расчеты конвективных течений металла, выполнить численное исследование развитой турбулентной конвекции при малых значениях числа Прандтля с помощью каскадных моделей турбулентности.

Исполнители проекта

  • Фрик Петр Готлобович, заведующий лабораторией Физической гидродинамики, ИМСС УрО РАН, доктор физико-математических наук, профессор;
  • Васильев Андрей Юрьевич, научный сотрудник ИМСС УрО РАН, кандидат физико-математических наук;
  • Колесниченко Илья Владимирович, старший научный сотрудник ИМСС УрО РАН, кандидат физико-математических наук;
  • Халилов Руслан Ильдусович, научный сотрудник ИМСС УрО РАН, кандидат технических наук;
  • Теймуразов Андрей Сергеевич, научный сотрудник ИМСС УрО РАН, кандидат физико-математических наук;
  • Павлинов Александр Михайлович, младший научный сотрудник ИМСС УрО РАН, кандидат физико-математических наук;
  • Мамыкин Андрей Дмитриевич, младший научный сотрудник ИМСС УрО РАН, кандидат физико-математических наук;
  • Шестаков Александр Владимирович, научный сотрудник ИМСС УрО РАН, кандидат физико-математических наук;
  • Лосев Геннадий Леонидович, аспирант ИМСС УрО РАН.

Описание выполненных работ и полученных научных результатов за 2016г.

Основным результатом работы первого года является создание экспериментального стенда и экспериментальной модели для исследования турбулентной конвекции жидкого натрия в цилиндрической полости. Заполнение модели натрием и начало экспериментов предусмотрены в январе 2017 года. Одновременно с подготовкой экспериментальной установки велись предусмотренные планом работы по численному моделированию турбулентной конвекции. Эта работа включала две части: прямое численное моделирование турбулентной конвекции жидкого натрия в цилиндре с различной ориентацией по отношению к силе тяжести и моделирование каскадных процессов в развитой турбулентной конвекции с помощью каскадных моделей турбулентности. Выполнены трехмерные нестационарные расчеты для турбулентной конвекции натрия в цилиндре, длина которого равна пяти диаметрам, при различной ориентации цилиндра относительно силы тяжести. Показано, что в случае вертикального положения цилиндра крупномасштабное течение в полости не устанавливается, появляются лишь два круговых вихря – в нижней части (вблизи нагревателя) и верхней части (вблизи холодильника), но пульсации скорости и температуры достигают наибольших значений. В случае наклонного и горизонтального положений цилиндра крупномасштабная циркуляция занимает весь объем расчетной области, но пульсации скорости и температуры в этих случаях значительно ниже, чем в случае вертикального цилиндра. За отчетный период на основе оригинальной модели для спиральной турбулентности разработана и отлажена каскадная модель конвективной турбулентности. С ее помощью изучены особенности каскадных процессов в развитой турбулентности, существующей на фоне градиента плотности (температуры), либо сонаправленного с вектором силы тяжести (турбулентность в устойчиво стратифицированной среде –УС), либо противонаправленного ему (конвективная турбулентность – КТ). Показано, что в режимах развитой турбулентности, признаком которой является интервал с постоянным спектральным потоком кинетической энергии, силы Архимеда не могут конкурировать с нелинейными взаимодействиями и не оказывают существенного влияния на динамику инерционного интервала. В случае КТ именно они обеспечивают каскадный процесс энергией, но только на максимальных масштабах турбулентности. При УС силы плавучести снижают энергию турбулентных пульсаций. Но ни в том, ни в другом случае режим Обухова-Болджиано не возникает, а на масштабах, попадающих в инерционный интервал, устанавливается колмогоровская турбулентность, в которой температура ведет себя как пассивная примесь.

Описание выполненных работ и полученных научных результатов за 2017г.

Важным результатом работы второго года является запуск экспериментального стенда и начало экспериментальных исследований турбулентной конвекции жидкого натрия в цилиндрической полости. Отличительной чертой экспериментальной установки является конструкция теплообменников, которые задают граничные условия по температуре на торцах цилиндра, в котором исследуется конвективное течение натрия. Оба теплообменника представляют собой примыкающие к рабочей ячейке и заполненные натрием цилиндрические камеры, на которые надеты электромагнитные индукторы, которые создают перемешивающее течение. Для выбора размеров и характеристик теплообменников проведено математическое моделирование происходящих в нем электромагнитных и гидродинамических процессов. Исследованы характеристики электрических, магнитных и гидродинамических полей для разных параметров конфигурации теплообменников с помощью численных расчетов задачи в трехмерной постановке. Показано, что индуцированные электрические токи и поля локализованы в области индуктора и не влияют на процессы в главном канале. Основными результатами второго этапа проекта являются результаты длительной серии экспериментов по исследованию турбулентной конвекции натрия в цилиндре с единичным аспектным отношением (длина равна диаметру) при различной ориентации к направлению силы тяжести. Этот этап касался исследования зависимости интегральных характеристик конвективного потока (в первую очередь, числа Нуссельта как индикатора эффективности аксиального теплопотока, числа Рейнольдса, определенного по скорости крупномасштабной циркуляции и служащего индикатором интенсивности этой циркуляции), а также интенсивности пульсаций температуры как характеристики интенсивности мелкомасштабной турбулентности от положения цилиндра при заданном перепаде температуры (числе Релея). Все эксперименты были выполнены для числа Релея Ra=1.67e7 и угла наклона полости, изменявшимся от 0 до 90 градусов с шагом 10 градусов. Одновременно с экспериментальными работами велись предусмотренные планом работы по численному моделированию турбулентной конвекции. Трехмерные нестационарные расчеты выполнены для различной ориентации цилиндра относительно силы тяжести, что существенно меняет структуру течения и характеристики теплопереноса. Показано, что в случае вертикального положения цилиндра крупномасштабное течение в полости не устанавливается, появляются лишь два круговых вихря – в нижней части (вблизи нагревателя) и верхней части (вблизи холодильника), но пульсации скорости и температуры достигают наибольших значений. В случае наклонного и горизонтального положений цилиндра крупномасштабная циркуляция занимает весь объем расчетной области, но пульсации скорости и температуры в этих случаях значительно ниже, чем в случае вертикального цилиндра. Результаты расчетов дали не только качественное, но и количественное согласие с результатами лабораторных экспериментов. Расчеты подтвердили экспериментальные результаты, касающиеся поведения поля температуры, и позволили получить исчерпывающую информацию о поведении поля скорости, измерения которой в конвективном потоке жидкого металла практически не возможны.

Список публикаций

2016 г.

  1. Шестаков А.В., Фрик П.Г., Степанов Р.А. О механизмах каскадного переноса в конвективной турбулентности // Вычислительная механика сплошных сред, 2016. T.9. No.2. C.125-134.
  2. Рогожкин С. А., Фадеев И. Д., Шепелев С. Ф., Аксенов А. А., Мосунова Н. А., Фрик П. Г. Состояние с верификацией CFD кодов применительно к реакторам БН // Научно-технический семинар «Проблемы верификации и применения CFD кодов в атомной энергетике», Нижний Новгород, 13 -14 сентября 2016. Тезисы докладов. Н. Новгород. 2016. С. 21 - 22.
  3. Халилов Р. И., Васильев А. Ю., Колесниченко И. В., Мамыкин А. Д., Павлинов А. М., Фрик П. Г., Шестаков А. В. Двухконтурный натриевый стенд ИМСС УрО РАН // Научно-технический семинар «Проблемы верификации и применения CFD кодов в атомной энергетике», Нижний Новгород, 13 -14 сентября 2016. Тезисы докладов. Н. Новгород. 2016. С. 55 - 56.
  4. Teimurazov A., Nikulin I., Frick P., Stefani F. Numerical simulations of liquid metal convection in a cylindrical vessel of the apparatus for titanium reduction // The 11-thEuropean Fluid Mechanics Conference, 12-16 September 2016, Seville, Spain. Abstracts. P.0347.
  5. Степанов Р.А., Фрик П.Г., Шестаков А.В. О реализуемости механизма Обухова-Болджиано в конвективной турбулентности // Материалы 4-ой Всероссийской конференции «ПЕРМСКИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ НАУЧНЫЕ ЧТЕНИЯ», 9-10 декабря 2016 г, Пермь. 2016. С.89-90.
  6. Теймуразов А.С., Фрик П.Г. Численное исследование конвективного течения жидкого натрия в наклонном цилиндре // Материалы 4-ой Всероссийской конференции «ПЕРМСКИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ НАУЧНЫЕ ЧТЕНИЯ», 9-10 декабря 2016 г, Пермь. 2016. С.93-94.

2017 г.

  1. Kolesnichenko I., Khalilov R., Teimurazov A., Frick P. On boundary conditions in liquid sodium convective experiments // Journal of Physics: Conference Series, 2017, V. 891, id. 012075. https://doi.org/10.1088/1742-6596/891/1/012075
  2. Teimurazov A., Frick P. Thermal convection of liquid metal in a long inclined cylinder // Physical Review Fluids, 2017. V.2, N.11, 113501. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevFluids.2.113501
  3. Колесниченко И.В., Халилов Р.И., Фрик П.Г. Конвекция жидкого натрия в цилиндрических каналах различной длины при аксиальном градиенте температуры // ХX Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-16 февраля 2017 г., Тезисы докладов. Пермь, 2017. С.169.
  4. Степанов Р.А., Фрик П.Г. Шестаков А.В. Механизмы каскадного переноса энергии в конвективной турбулентности // ХX Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-16 февраля 2017 г., Тезисы докладов. Пермь, 2017. С.318.
  5. Теймуразов А.С., Фрик П.Г. Численное исследование турбулентной конвекции натрия в наклонном цилиндре // ХX Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-16 февраля 2017 г., Тезисы докладов. Пермь, 2017. С.333.
  6. Frick P., Vasiliev A. Dynamics of large-scale circulation at turbulent convection in a cubic cell // 16th European Turbulence Conference (ETC16), 21-24 August 2017, Stockholm, Sweden. Abstract 28894.
  7. Фрик П.Г. Особенности турбулентного конвективного теплообмена в жидких металлах // Всероссийская научная конференция "Теплофизика и физическая гидродинамика", Ялта, Республика Крым, 11-17 сентября 2017г., Приглашенная лекция.
  8. Колесниченко И.В., Халилов Р.И., Фрик П.Г., Теймуразов А.С. О граничных условиях в экспериментах по конвективному теплообмену в жидком натрии // Материалы Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (Москва, 9—11 октября 2017 г.). Т.1. С.85-86.