Исследование реактивного усилия при истечении метастабильной жидкости

Экономические потрясения прошлого десятилетия полностью разрушили плановую систему хозяйствования и развития науки в России. Причина постановки выполненного исследования была заложена в период планового развития энергетики и, в частности АЭС. Однако реализация исследования осуществляется до настоящего времени и выполняется не только в интересах атомной энергетики. Проведение экспериментальных исследований в период, когда на первый план всплывает потребность немедленного получения прибыли, что в большинстве научных исследований не реализуемо, сопряжено с большими трудностями. Несмотря на сказанное, автору и его научному руководителю удалось выполнить поставленную задачу. В процессе проведения исследования и анализа результатов появились новые вопросы, решение которых требует постановки новых экспериментов.

В 1997 году в ВТИ разработаны и внедрены нормы расчета реактивных усилий для использования при анализе аварийных режимов на АЭС. Однако, имевшиеся в то время публикации опытных данных, на которых базировались разработки нормативного документа, не охватывали весь диапазон начальных термодинамических параметров. С целью устранения этого, далеко не единственного, недостатка отсутствия опытного материала было поставлено и выполнено предлагаемое экспериментальное исследование. Полученные опытные данные подтвердили их соответствие расчетным данным, выполненным по методике ВТИ. Следует отметить, что полученные данные относятся к режимам течения без образования кольцевой изолированной полости в канале и, как ее следствие, равновесным потокам.

Основным фактором, определяющим характер протекания аварии при разрыве герметичного объема, является расход жидкости или газа через отверстие. Анализ аварийных режимов предполагает наихудший случай, когда происходит мгновенный полный разрыв трубопровода с истечением горячей жидкости высокого давления в среду с атмосферным давлением. В процессе протекания аварии из отверстия начинает вытекать жидкость не догретая до температуры насыщения, насыщенная жидкость, парожидкостная смесь с различным паросодержанием, вплоть до насыщенного пара. В связи с этим, при анализе аварийных режимов с разрывами оборудования необходимо определение расходов жидкости и парожидкостной смеси в широком диапазоне режимных и геометрических параметров. Анализ литературных данных показал, что процесс истечения, сопровождающийся метастабильностью и скольжением, не поддается, в большинстве случаев, аналитическому описанию. Большинство опубликованных исследований проведено с использованием в качестве жидкости воды. Экспериментальные данные по стационарному истечению горячей воды и пароводяной смеси при больших градиентах давлений и высоких начальных параметрах в публикациях отсутствуют, а имеющиеся результаты при давлениях от 7 до 15 МПа носят противоречивый характер

До настоящего времени расчет расходных характеристик вскипающей жидкости и парожидкостной смеси рассматривался с позиций газодинамических закономерностей, причем в качестве определяющего (расчетного) сечения обычно принималось сечение, в котором поток достигал местной локальной критической скорости звука. Такое сечение является «запирающим», ограничивающим максимальную пропускную способность канала. В непрофилированных цилиндрических каналах таким сечением является выходное сечение. В некоторых практических задачах такой подход вполне оправдывает себя и расчетные данные удовлетворительно согласуются с экспериментом. Однако особенности истечения метастабильной жидкости через относительно короткие каналы хуже поддаются расчетному анализу. В первую очередь это связано с тем, что в газодинамике двухфазных систем отсутствует надежная методика расчета кинетики парообразования, определяющая истинное объемное паросодержание в критическом сечении, и, в конце концов, критический расход теплоносителя. Причем, до последнего времени не были выяснены физические закономерности, объясняющие зародышеобразование паровой фазы в потоке метастабильной жидкости, что приводило к тому, что момент наступления критического режима выбирался произвольно, без необходимого аналитического обоснования.

В области истечения горячей воды опытные данные, особенно в зависимости от геометрии канала, либо просто отсутствуют, либо исследованиями охвачен весьма ограниченный диапазон начальных параметров.

Практически единственными данными по истечению горячей воды с Р0 > 16 МПа и пароводяной смеси с Р0 > 6 МПа являются данные представленные в монографии /1/. В ВТИ были проведены экспериментальные исследования по определению стационарных удельных расходов, а также измерения реактивных усилий горячей воды и пароводяной смеси в следующих диапазонах начальных параметров: Р0 = 3−24МПа, То = 400 773К, Х0 = 0 -И.Истечение проводилось в объем, где давление по заданию изменялось от начального до атмосферного. Исследовалось истечение из относительно коротких каналов. Их длина не превышала 40 калибров при диаметре от 0,5 до 6 мм, когда можно не учитывать диссипативные потери по длине канала.

Исследование метастабильных потоков воды с точки зрения кинетики спонтанного зародышеобразования, по сути дела, используется впервые. Принципиальная возможность наблюдения спонтанного, взрывного вскипания перегретой воды до состояний, близких к спинодальным, оказывается возможным только при достижении начальных параметров Ро> 12МПа и То >591°. При меньших параметрах вскипание перегретой жидкости (воды) происходит на гетерогенных или гомогенных, инициированных центрах зародышеобразования. Принципиальное отличие метода расчета расходных характеристик метастабильных потоков с применением теории гомогенной нуклеации от традиционного газодинамического подхода к решению этой задачи заключается в том, что за определяющее сечение берется сечение, в котором поток достигает максимально достижимого перегрева или степени метастабильности. Как правило, такое сечение располагается внутри канала вблизи входа. Это сечение рассматривается как основное и решающее с точки зрения кинетики спонтанного зародышеобразования. С применением такого подхода удается рассчитать объемное паросодержание в любом сечении канала, включая и критическое. В известной степени это позволяет более надежно использовать и газодинамические методики расчета критических потоков, поскольку определяется момент наступления критического режима. Однако сам по себе разработанный метод определения расходных характеристик горячей воды позволяет (используя сечение максимальной степени метастабильности), с хорошей точностью получать необходимые результаты.

Разработанный метод позволил объяснить физическую сущность процессов истечения горячей и насыщенной воды, и пароводяной смеси в широком диапазоне начальных параметров. Практически он охватывает весь исследованный диапазон, включая и закритические параметры воды и всю область пароводяной смеси, вплоть до критической точки. Значительно прояснился вопрос о влиянии геометрии канала, его протяженности, диаметра и конфигурации. Естественно, что исследований процессов истечения вблизи левой (жидкостной) пограничной кривой проведено значительно меньше, чем аналогичных процессов вблизи правой (паровой) пограничной кривой. Не накоплен еще тот объем экспериментального материала, которым обладают специалисты, занимающиеся истечениями пара или пароводяной смеси с большой степенью сухости. Поэтому количественные закономерности, которые получены по истечениям переохлажденного пара, практически охватывают любые геометрии каналов. Однако при этом явно недостаточно экспериментального материала при высоких начальных давлениях, а именно в этой области следует ожидать интенсивной спонтанной конденсации на флуктуационных центрах.

Экспериментальным и теоретическим исследованиям метастабильных потоков жидкостей в литературе уделено явно недостаточно внимания. В основном, это связано со сложностью постановки экспериментов, проведения опытов и научно обоснованной обработке полученных результатов, пригодной для использования в инженерной практике. В публикациях имеются достоверные данные по описанию теплофизических свойств чистых веществ и некоторых смесей" в различных агрегатных составных. В том числе и при фазовых переходах первого рода, в которых возникают однородные метастабильные состояния. Это позволяет использовать имеющиеся сведения при разработке и применении инженерных методик расчета расходных характеристик метастабильных потоков. Тем не менее, применение разработок к решению практических задач вызывает необходимость использования в расчетных формулах эмпирических коэффициентов, снижающих возможности применения этих формул. Зафиксированный факт перегрева или переохлаждения жидкости достаточно корректно описан теоретически по результатам экспериментов с применением понятия среднего времени жизни мета стабильного состояния, представленного в количественном выражении.

Время жизни нестабильного состояния определяется средним временем ожидания жизнеспособного зародыша новой фазы. Как показали эксперименты, теплофизические свойства различных веществ могут быть экстраполированы в область метастабильных состояний. Этот факт позволяет разработать инженерную методику расчета истинных параметров жидкостных потоков с учетом метастабильности и количественное описание процесса истечения мета стабильной жидкости на базе большого экспериментального материала.

Требования практики привели к необходимости разработки методики расчета реактивного усилия, учитывающей особенности истечения метастабильных потоков горячей воды. Данная необходимость обусловлена проявлением негативной стороной реактивного усилия, а именно его разрушающим действием на элементы оборудования при авариях с разрывом трубопроводов. Однако есть и позитивная сторона в использовании реактивного усилия истечения.

Известно, что в реактивных двигателях летательных аппаратов используется реактивное усилие газовой струи. Применение реактивного усилия истечения мета стабильной жидкости открывает принципиально новые возможности в разработке нового типа реактивных двигателей и представляется возможным их широкое использование на водном транспорте, а также в создании новых видов предохранительной техники.

Вышесказанное позволило сформулировать задачу проведенного исследования. Получить систематизированные экспериментальные данные по реактивным усилиям при истечении метастабильной жидкости (воды) через «короткие» каналы. Разработать методику расчета реактивных усилий в исследованном диапазоне начальных параметров.

Анализ опубликованных результатов исследований по определению максимальных перегревов, расходных характеристик, реактивного усилия при истечения различных ньютоновских жидкостей и их сравнение с результатами, полученными автором при исследовании истечения воды, позволяют сделать следующие выводы. Представленные в безразмерных параметрах закономерности поведения всех исследованных жидкостей, в том числе и воды, удовлетворительно согласуются между собой. Это позволяет распространить результаты, полученные на одной ньютоновской жидкости на другие жидкости.

выводы.

1. Проанализированы закономерности равновесного и метастабильного состояния потоков вскипающей жидкости. Представлены существующие методики определения расходных характеристик метастабильных потоков. Показаны их недостатки и сформулирована задача выполненного диссертационного исследования.

2. Представлено описание экспериментальной установки, методики проведения экспериментов, определение погрешности полученных опытных данных и диапазон исследованных параметров.

3. Впервые получены систематизированные опытные данные по реактивным усилиям при истечении метастабильной воды в режимах вскипания на гетерогенных и гомогенных центрах нуклеации.

4. Впервые предложена теоретически обоснованная разработанная методика расчета реактивных усилий во сем исследованном и практически применяемом диапазоне начальных параметров с учетом противодавления.

5. Сформулировано существование 3-х критических режимов истечения метастабильной жидкости и получено три критических отношения давления.

6. Впервые представлена методика расчета истинных параметров потока метастабильной жидкости.

7. Впервые приводится методика расчета реактивного усилия любой ньютоновсой жидкости в режимах истечения метастабильной жидкости.