Двухфазные потоки широко используются в современной энергетике и во многих других отраслях промышленности, поэтому интерес инженеров и исследователей к ним чрезвычайно высок.
Особенно актуальна проблема исследования двухфазных потоков для ядерной энергетики, т. к. в ней двухфазные потоки используются в качестве основных рабочих сред — теплоносителей, поэтому разработка нового и совершенствование существующего энергетического оборудования невозможны без тщательных экспериментов, подтверждающих теоретические модели движения потока в конструктивных элементах этих устройств.
Прогресс в области исследования двухфазных теплоносителей непосредственно зависит от совершенства измерительной техники, применяемой для диагностики. Детальная информация о структуре теплоносителя, режиме его течения, дисперсности, полученная при помощи надежной измерительной аппаратуры, позволяет построить адекватные модели и рационально конструировать тепломассообменное оборудование, от которого, в конечном итоге, зависят надежность, безопасность, экономичность и долговечность ядерно-энергетических установок.
Достаточно давно и небезуспешно для исследования двухфазных потоков используются различные системы и методы, позволяющие измерять локальные и интегральные характеристики потока. Подробный и полный обзор этих методов (механические дифманометры, кондукто-метрические ячейки, оптические средства и акустические зонды, ядерно-физические системы) дан в [!]. Однако все эти системы в основном позволяют определить усредненные во времени и в пространстве характеристики потока, например, среднее объемное паросодержание, средний диаметр пузырей и т. д., либо локальные характеристики двухфазных смесей в определенных точках.
Оценка таких параметров как теплообмен, перепад давления, вибрация, вследствие сильной зависимости от структуры потока, требует знания информации о распределении фаз, и наиболее желательно иметь представление о мгновенном распределении фаз в потоке с высоким разрешением во времени и в пространстве. Такого рода информацию об «истории» потокакартине газораспределения, взаимном движении фаз, их локализации и размерах позволяют получить, так называемые, диагностические системы визуализации, интенсивно развивающиеся в последнее время. При решении задачи визуализации, наиболее важной целью является разработка диагностической системы с разрешением, которое позволяет идентифицировать отдельные газовые (пузырьки, снаряды) и жидкие (пробки, капли) фракции и определить их параметры (форму, объем, диаметр и т. д.).
Целью данной работы является разработка ультразвуковой волно-водной системы для визуализации двухфазных теплоносителей, основанной на измерении акустической проводимости двухфазной смеси, и исследование влияния гидродинамических, конструктивных и технологических факторов на условия осуществления процесса визуализации по предложенной методике.
Разработка визуализационных систем, стала возможна только в последние годы, на фоне бурного развития электронно-вычислительной техники, после создания мощных компьютеров, т. к. в процессе визуализации необходимо манипулировать большими объемами экспериментальных данных, что требует значительных машинных ресурсов и высокого быстродействия обработки информации.
Однако, несмотря на все те огромные возможности, которые получает экспериментатор благодаря современной электронике, компьютер, к сожалению, не сможет построить картину потока адекватную реальной ситуации, если на его вход не будут поданы достоверные данные. Ответственным элементом за сбор этих достоверных данных является первичный элемент диагностической системы — датчик. Автор является сторонником применения ультразвуковых волноводных датчиков. По сравнению с другими первичными датчиками, ультразвуковые волноводные системы обладают рядом преимуществ и достоинств (о которых подробнее будет рассказано ниже) и, что самое главное, обладают достаточной надежностью при эксплуатации в экстремальных условиях. Именно экстремальные условия характерны для оборудования ядерных энергетических установок (ЯЭУ), а для исследования двухфазных потоков, в том числе и с параметрами ЯЭУ, разрабатывалась данная ультразвуковая волноводная система визуализации.
В диссертационной работе автор защищает:
— принципы построения и конструктивные особенности высокоскоростной ультразвуковой волноводной многоточечной системы для визуализации нестационарных процессов в двухфазном теплоносителе ЯЭУ;
— методику визуализации двухфазного потока в трубопроводе, основанную на измерении параметров акустических сигналов, прошедших через контролируемые объемы, равномерно распределенные по сечению трубопровода;
— результаты теоретических и экспериментальных исследований физики распространения ультразвуковых сигналов в сложных волноводных конфигурациях и прохождения ультразвука в контролируемых объемах, образованных решетками волноводов;
— результаты экспериментального тестирования системы визуализации в разных режимах течения двухфазного теплоносителя на тепло-физическом стенде.
Диссертация содержит пять глав, выводы и список использованной литературы. В первой главе приведены сравнительный анализ и критическая оценка новейших, основанных на различных физических принципах, систем для визуализации двухфазных теплоносителей. Вторая глава посвящена принципам построения и конструктивным особенностям, разработанной ультразвуковой диагностической системы. В третьей главе изложена методика измерений распределения газосодержания в двухфазных потоках при помощи данной системы. В четвертой главе описывается разработка методов информационно-аналитического представления информации о структуре и режимах движения двухфазного теплоносителя. Результаты экспериментального тестирования ультразвуковой волноводной системы визуализации на тепло-физическом стенде и их обсуждение приводятся в пятой главе.
1. Мельников В. И., Уеынин Г. Б. Акустические методы диагностики двухфазных теплоносителей ЯЭУ.-М.: Энергоатомиздат, 1987, — 161 с.
2. Мюллер Р. К. Реконструктивная томография и ее применение в ультразвуковой технологии // ТИИЭР.- 1979, — Т. 67. № 4. С. 146−170.
3. Inoue А. et al. In bundle Void Measurement of BWR Fuel Assembly by an X-ray CT scanner: Assessment of BWR Design Void Correlation and Development of New Void Correlation // 2nd ASME/JSME Nuclear Engineering Conference.- 1993. Vol. L- № 39, — P. 119−125.
4. Gay R. R., Schell S., Lahey R. T. The side-scatter gamma techique for local density measurements // Trans. Amer. Nucl. Soc.- 1978, — Vol. 30.-P. 508−510.
5. Емельянов И. Я., Юрова А. Н., Смолин В. Н. Использование нейтронного датчика для определения паросодержания // Атомная энергия.- 1977. Т. 43. № 3, — С. 171−175.
6. Schlaberg Н. I., Yang М., Hoyle В. S. Real-time ultrasonic process tomography for two-component flows // Electronic Letters.- 1996, — Vol. 32.-№ 17. P. 1571−1572.
7. Mewes D. Zweiphasige Stromungen in Packungen und Blasensaulen // Workshop: Me? technik fur Stationare und transiente Mehrphasenstro-mungen. 24−25 September 1998 in Rossendorf.- P. 32−57.
8. Reinecke N., Boddem M., Petritsch G. Mewes D. Tomographisches Messen der relativen Phasenanteile in zweiphasigen Stromungen fluider Phasen // Chemie-Ing. -Technik.- 1996. Vol. 68. № 11. P. 1404−1412.
9. Prasser H.-M., Bottger A., Zschau J. A new electrode-mesh tomograph for gas-liquid flows // Flow Measurement and Instrumentation.- 1998.-№ 9.-P. 111−119.
10. Prasser H.-M, Bottger A., Zschau J. A new electrode-mesh tomograf for gas-liquid flows // Forschungszentrum Rossendorf / Institute of Safety Research.- Annual Report 1996. P. 34−37.
11. Патент № 3 744 301, G01N29/00, США, 1971. Ультразвуковой детектор пустот в газожидкостной смеси.
12. Патент № 2 198 640, G01N29/02, Франция, 1973. Ультразвуковой детектор пустот в газожидкостной смеси.
13. Тралин Ю. С., Радовский И. С., Егоров Ю. В., Шпирный В. Д. Результаты испытания акустического датчика паросодержания // Вопросы теплофизики ядерных реакторов.- М.: Атомиздат, 1977. Вып. 6.-С. 57−60.
14. Arave А. Е. Ultrasonics densitometer development // Ultrason. Symp. Proc.- New Orleans. La, 1979. New York, 1979. P. 370−375.
15. A. c. 792 130 СССР. МКИ3 GO 1 N29/00. Устройство для измерения локального объемного паросодержания / Мельников В. И., Кутьин JI. Н., Лобанов А. И., Максимов В. И. Открытия. Изобретения, — 1980. № 48.
16. А. с. 1 116 382 СССР. МКИ3 G01N29/02. Устройство для измерения среднего объемного паросодержания Среды / Мельников В. И., Хохлов В. Н, Маслов В. А. Открытия. Изобретения, — 1984, — № 36.
17. А. с. 901 895 СССР. МКИ3 G01N29/02. Устройство для диагностики двухфазного потока / Мельников В. И., Махин В. А., Дзятко Н. В. Открытия. Изобретения.- 1982, — № 4.
18. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Пер. с ангд.-Под ред. Ф. Мезона.- М.: Мир, 1986. Т. 1. Ч. А.- 592 с.
19. Баранов В. М. Акустические измерения в ядерной энергетике.-М.: Энергоатомиздат, 1990. 319 с.
20. Melnikov V. Г., Nigmatulin В. I. The newest two-phase control devices in LWR equipment based on ultrasonic and WAT-technology // Nuclear Engineering and Design.- 1994, — № 149, — P. 349−355.
21. Делайе Д., Гио M., Ритмюллер М. Теплообмен и гидродинамика в атомной и тепловой энергетике: Пер. с англ. Под ред. П. Л. Кириллова.- М.: Энергоатомиздат, 1984. 422 с.
22. Субботин В. И., Похвалов Ю. Е., Михайлов А. Е. и др. Резис-тивный и емкостной методы измерения паросодержания // Теплоэнергетика.- 1974. № 6, — С. 63−68.
23. Субботин В. И., Похвалов Ю. Е., Михайлов А. Е. и др. К расчету газосодержания смеси при пузырьковом течении по данным измерения резистивным и емкостным методами // Теплоэнергетика.- 1975. № 4,-С. 70−75.
24. Субботин В. И., Похвалов Ю. Е., Михайлов А. Е. и др. Временные и структурные характеристики газожидкостного потока при снарядном течении // Теплоэнергетика.- 1976, — № 1, — С. 67−70.
25. Козлов Б. К. Формы течения газожидкостных смесей и границы их устойчивости в вертикальных трубах // Журнал технической физики.-1954, — Т. 24. Вып. 12, — С. 2285−2228.
26. Кириллов П. Л., Комаров В. И., Субботин В. И. и др. Измерение некоторых характеристик парожидкостного потока в круглой трубе при давлении 68,8 бар.- Препринт ФЭИ-421, 1973, — 30 с.
27. Herringe R. А., Davis М. R. Defection of instantaneous phase changes in gas-liquid mixtures // J. of Phisics. E. -Scientific Instrum.- 1974.-Vol. 7.-№ 10, — P. 807−112.
28. Ohkawa К. and Lahey R. T. Jr. The development of a gamma scattering densitometer for the nonintrusive measurement of local void fraction //Nuclear Technology.- 1984. Vol. 67. P. 437−451.
29. Арманд А. А. Трещев Г. Г. Исследование сопротивления при движении паро-водяной смеси в обогреваемой котельной трубе при высоком давлении // Известия ВТИ.- 1949. № 4. С. 37−45.
30. Газян Г. С. Характеристическая теория движения двухфазной смеси по вертикальным трубам // Нефтяное хозяйство.- 1950. № 8−9.-С. 22−26, 8−13.
31. Гурбанов Р. С., Расизаде Я. М., Файзуллаев Д. В. Элементарная гидравлика смесей. Ташкент.: Фан, 1970, — 315 с.
32. Костерин С. И. Исследование влияния диаметра и расположения трубы на гидравлическое сопротивление и структуру течения газожидкостных смесей // Известия АН СССР. ОТН.- 1949. № 12. С. 18 241 831.
33. Костерин С. И. Исследование структуры потока двухфазной среды в горизонтальных трубах // Известия АН СССР. ОТН.- 1943.-№ 7. С. 37−45.
34. Красякова Л. Ю. Некоторые характеристики движения двухфазной смеси в горизонтальной трубе // Журнал технической физики.-1952.-Т. 22.-Вып. 4.-С. 656−669.
35. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972.235 с.
36. Кутателадзе С. С. Движение паро-жидкостной смеси в трубах и обобщенные координаты для его анализа // Советское котлотурбострое-ние.- 1946, — № 2. С. 19−25.
37. Кутателадзе С. С. Движение двухфазного потока в трубах /7 Котлотурбостроение.- 1947. № 6. С. 17−21.
38. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие.- М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.
39. Кутателадзе С. С. Стырикович М. А. Гидродинамика газожидкостных систем.- М.: Энергия, 1976. 296 с.
