РНФ № 14-50-00124 «Фундаментальные основы энергетики будущего»

Проект выполняется по направлению  Г.И. Канеля,

в подгруппе В.Г. Свиридова совместно коллективами лабораторий 2.1.2.1 и 2.1.2.2.


О проекте:

В ходе реализации проекта будет создан МГД-стенд для продолжения исследован МГД-теплообмена жидкометаллических и жидкосолевых теплоносителей в интересах перспективной ядерной и термоядерной энергетики.

Новый МГД — стенд с широким диапазоном достигаемых параметров теплофизических, гидродинамических и магнитных нагрузок будет использован для комплексных экспериментальных исследований МГД-теплообмена, в которых особое внимание будет уделено неблагоприятным эффектам и «запрещенным режимам» теплообмена, сопряженным с опасностью разрушения стенок теплообменников.


Результаты 2015:

На существующей расчётно-экспериментальной базе проведены экспериментальные исследования и численное моделирование МГД-теплообмена в вертикальном канале в условиях совместного влияния магнитного поля и термогравитационной конвекции.  В  первой  серии опытов на ртутном МГД-стенде исследован теплообмен при опускном течении жидкого металла в трубе в поперечном магнитном поле, а также в плоском канале в поперечном (компланарном) магнитном поле. Последняя  конфигурация МГД-течения и теплообмена близка к реальной в теплообменнике модуля бланкента термоядерного реактора ИТЕР, а также в проектах бланкета термоядерного источника нейтронов (ТИН). Получены опытные данные о локальных коэффициентах теплоотдачи, коэффициентах гидравлического сопротивления, полях скорости  и осредненной температуры, о статистических характеристиках пульсаций температуры. Во многом полученные результаты соответствуют ранее сложившимся представлениям о воздействии  магнитного  поля на турбулентные течения  электропроводных жидкостей. Однако выявлены ранее неизвестные весьма опасные режимы МГД-теплообмена. Речь идет о том, что при некоторых соотношениях критериев режима – чисел Рейнольдса, Грасгофа (Рэлея) и Гартмана в потоке возникают низкочастотные пульсации температуры очень высокой амплитуды. По  оценкам, в реальной ситуации токамака размах этих пульсаций может достигать 100 -150 градусов. Эти пульсации благодаря высокой теплопроводности жидкого металла проникают в стенку теплообменного канала. По нашим данным, образовавшаяся тепловая волна «пробивает» стенку насквозь. При этом в стенке образуются циклические термические напряжения, которые могут привести к  усталостному растрескиванию и разрушению металла стенки. Целью  дальнейших исследований является определение «запрещенных диапазонов» критериев режима , в которых вышеуказанные опасные режимы могут возникать, и которые по этой причине никогда не должны  быть реализованы на практике. К  сожалению, на существующем  МГД-стенде нельзя провести исследования  во всем диапазоне чисел Рейнольдса, тепловых нагрузок и значений индукции магнитного поля, характерном для токамака.

Поэтому наряду с экспериментами проводились работы по проектированию нового ртутного МГД-стенда, вдвое более мощного, с индукцией магнитного поля до 2,5 Тесла..

Проведено численное моделирование МГД-теплообмена жидкого металла с использованием как системы осреднённых уравнений и моделей МГД-турбулентности, так и методами прямого численного моделирования (DNS). Результаты численного моделирования воспроизводят обнаруженные на наших экспериментальных стендах опасные режимы МГД-теплообмена, а именно опасные пульсации температуры.

Анализ опытных данных и результатов расчетов позволяет понять, что причиной этого  крайне опасного эффекта является образование в потоке вторичных крупномасштабных вихрей термогравитационной природы. Эти вихри не подавляются магнитным полем, а  напротив, магнитное поле способствует их развитию и  устойчивом существованию. Однако было обнаружено, что подобные вихревые структуры и, следовательно, опасные пульсации температуры могут возникать и при отсутствии магнитного поля, например, в активной зоне  или парогенераторе атомного реактора с тяжёлым  жидкометаллическим теплоносителем.

Во второй серии экспериментов впервые обнаружено, что опасные всплески температуры могут возникать не только при опускном, но и в подъемном течении жидкого металла в вертикальном канале. Последняя конфигурация характерна для активной зоны, например, реактора на быстрых нейтронах БРЕСТ.

Полученные результаты могут быть использованы для верификации компьютерных  кодов численного моделирования  теплообмена в ядерных энергоустановках. Доказано, что при таких расчетах нельзя пренебрегать свободной конвекцией.

Проблемы, возникающие при использовании жидких металлов в теплообменных системах, заставляют рассматривать альтернативные теплоносители. Такой альтернативой жидким металлам являются расплавленные соли – фторид лития и бериллия (LiF.BeF2 – так называемый «флайб») или фторид щелочных металлов (LiF.NaF.KF – «флинак»).

Подготовлен аналитический обзор существующих литературных данных по теплофизическим свойствам, гидродинамике и теплообмену расплавов солей. . Установлено, что теплофизические  свойства изучены поверхностно, однако очевидно, что они (за исключением температуры плавления) близки к теплофизическим свойствам воды. Электропроводность расплавов солей на четыре порядка ниже, чем у жидких металлов, но существенно выше, чем у воды. Поэтому вода с добавкой кислоты или щёлочи (например, поташа КОН) для повышения электропроводности может служить удобной рабочей жидкостью при лабораторном моделировании тепловых процессов в расплавах солей. Теплообмен  без магнитного поля подчиняется  закономерностям теплообмена для жидкостей с числами Прандля  Pr ≈10. Магнитное поле при величине магнитной индукции, характерной для реактора–токамака, оказывает сильное влияние на гидродинамику и теплообмен расплавов солей.По результатам аналитического обзора разработан технический проект теплообменного стенда на имитаторе солей.

Материалы,  в которых отражена реализация проекта:

  •  Виноградов Д.А., Тепляков И.О. Исследование влияния внешнего постоянного и импульсного магнитных полей на процесс перемешивания токонесущей жидкости // Сборник тезисов XX Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», 25 — 29 мая  2015 г. Звенигород, с., 251-252. Стендовый доклад
  • 5th International Youth Conference on Energy, IYCE 2015; Pisa; Italy; 27 May 2015 through 30 May 2015; Category numberCFP1535J-PRT; Code 115866 Magnetohydrodynamics heat exchange in next-generation power plants «Ognerubov, D.  , Listratov, Y., Sviridov, V., Zikanov, O. — Устный доклад
  • Генин Л.Г., Свиридов В.Г. Аварийные режимы теплообмена в термоядерном реакторе.// Тезисы докладов Научно-технической конференции Теплофизика реакторов на быстрых нейтронах 2015. с87-89 Приглашенный доклад
  • Пятницкая Н.Ю., Свиридов В.Г., Свиридов Е.В., Разуванов Н.Г. Исследование гидродинамики и теплообмена при опускном течении жидкого металла в прямоугольном канале в компланарном магнитном поле// Тезисы докладов Научно-технической конференции Теплофизика реакторов на быстрых нейтронах 2015, г.Обнинск. С.21-22. Устный доклад
  • Беляев И.А., Загорский В.С., Разуванов Н.Г. Термопарный датчик для измерения температуры и компонент скорости в МГД-потоке жидкого металл// Тезисы докладов Научно-технической конференции Теплофизика реакторов на быстрых нейтронах 2015. г. Обнинск. С.148 — 150. Устный доклад
  • Pyatnitskaya N.Yu., Sviridov E.V. Hydrodynamics and heat transfer for a downward liquid metal flow in the rectangular channel in the presence of a coplanar magnetic field// Book of abstracts of Russia conference on Magnetohydrodynamics , Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS. June 22 – 25, 2015. Perm. Russia, p.87, Устный доклад
  • X. Zhang, D. Ognerubov, Ya. Listratov, O. Zikanov, V. Sviridov Numerical analysis of the effect of thermal convection in MHD duct and pipe flows// Book of abstracts of Russia conference on Magnetohydrodynamics , Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS. June 22 – 25, 2015. Perm. Russia, p.119, Устный доклад
  • Belyaev I.A., Razuvanov N.G., Zagorsky V.S. Research of the local velocity components via microthermocouple sensor in a MHD flow of liquid metal// Book of abstracts of Russia conference on Magnetohydrodynamics, Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS. June 22 – 25, 2015. Perm. Russia, p.14, Устный доклад
  • Belyaev I.A., Melnikov I.A., Sviridov V.G., Sviridov E.V. Probe simulation in MHD flow // Book of abstracts of Russia conference on Magnetohydrodynamics, Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS. June 22 – 25, 2015. Perm. Russia, p.13, Устный доклад
  • Razuvanov N.G., Belyaev I.A., Genin L.G., Ivotchkin Yu.P., Sviridov E.V., Sviridov V.G. Experimental investigations on MHD-heat transfer applied to TOKAMAK–fusion neutron source. // Book of abstracts of Russia conference on Magnetohydrodynamics , Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS. June 22 – 25, 2015. Perm. Russia, p.89 – приглашенный доклад.
  • Ivochkin Yu.P., Teplyakov I.O., Vinogradov D.A. Experimental and numerical investigation of the electrovortex flow hydrodynamic structure under action of the external magnetic fields. // Book of abstracts of Russia conference on Magnetohydrodynamics. Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS. June 22 – 25, 2015. Perm. Russia. P. 38-39. Устный доклад
  • Виноградов Д.А., Ивочкин Ю. П., Тепляков И. О. Влияние слабых магнитных полей, включая магнитное поле земли на гидродинамическую структуру электровихревых течений // Тезисы докладов 5-й международной конференции «Теплообмен и гидродинамика в закрученных потоках», 19-22 октября, 2015 г., Казань, с.92-93. Устный доклад
  • Klementyeva I.B., Pinchuk M.E., Parameters of electrical discharges with liquid metal electrode // Сборник тезисов XXX Международной конференции «Взаимодействие интенсивных потоков энергии с веществом», 1-6 марта 2015 г., Эльбрус, Кабардино-Балкария. с. 238. Стендовый доклад
  • Клементьева И.Б., Пинчук М.Э., Тепляков И.О., Параметры электрических разрядов, формирующихся над свободной поверхностью расплавленного металла // Сборник тезисов 20-ой Школы-семинара молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». Звенигород, 24-29 мая, 2015. с. 203-205. Стендовый доклад
  • Klementyeva I.B., Pinchuk M.E. Parameters of electrical discharges under free surface of liquid metal // Book of abstracts of Russia conference on Magnetohydrodynamics, Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS. June 22 – 25, 2015. Perm. Russia. Р. 52. Устный доклад

Публикации в которых отражена реализация проекта:

  • M. Batenin, I. A. Belyaev, V. G. Sviridov, E. V. Sviridov, Ya. I. Listratov. Modernization of the Experimental Base for Studies of MHD Heat Exchange at Advanced Nuclear Power Facilities//High Temperature, 2015, Vol. 53, No. 6, pp. 934–937
  • Ivochkin — I. Teplyakov — A. Guseva — D. Vinogradov. Influence of the Swirled Electrovortex Flow on the Melting of the Eutectic Alloy In-Ga-Sn// Magnetohydrodynamics 51, No. 2, 337-344, 2015. Scopus
  • B. Klementyeva, M.E. Pinchuk Parameters of electrical discharges with liquid metal electrode Journal of Physics: Conference Series (JPCS), vol. 653 (2015) 012150
  • A. Belyaev, N.G. Razuvanov, V.G. Sviridov, V.S. Zagorsky Liquid metal downflow in an inclined heated tube affected by longitudinal magnetic field //Magnetohydrodynamics 51, No.4, 2015 (in press)
  • R. Kirillov, D.M. Obukhov, L.G. Genin, V.G.Sviridov, N.G. Razuvanov, V.M.Batenin,I.A. Belyaev, I.I. Poddubnyi, N.Yu. Pyatnitskaya Buoyancy effects in vertical rectangular duct with coplanar magnetic field and single sided heat load// Fusion Engineering and Design FUSENGDES-D-15-00073

 


Результаты 2016:

На установке РК-2 в диапазоне магнитных полей до 1 Тл (число Гартмана до 500 для круглых труб) проведено экспериментальное исследование МГД-теплообмена при опускном течении жидкого металла в условиях нессиметричных тепловых нагрузок. Изучена область существования режимов нестационарного теплообмена при течении в круглых трубах. Экспериментальные данные по стационарным режимам теплообмена обобщены в виде численной модели на базе системы уравнений RANS и созданной алгебраической модели подавления турбулентности. Нестационарные режимы теплообмена в круглых трубах смоделированы при помощи прямого численного моделирования, верифицированного на полученных экспериментальных данных

Проведены работы по вводу в эксплуатацию жидкометаллического стенда РК-3 /HELMEF: возведена специализированная вентиляция, создана автоматизированная система научных исследований, отлажена работа электромагнита ДЭМ-1.

Создан контур для проведения исследований теплообмена имитаторов расплавов солей в магнитном поле на базе стенда РК-3.

Разработана методика расчета магнитного поля применительно к имеющимся задачам гидродинамики с использованием технологий параллельного программирования.

Разработана методика численного моделирования электровихревого течения в полусферической и цилиндрической геометриях, включающая расчет магнитного поля на графических процессорах с использованием технологии CUDA.

Публикации, в которых отражена реализация проекта:

  • Belyaev, I. A., Zakharova, O. D., Krasnoshchekova, T. E., Sviridov, V. G., & Sukomel, L. A. (2016). Laboratory simulation of heat transfer in liquids with Pr> 1. Temperature field. Thermal Engineering, 63(3), 214-221. DOI: 10.1134/S0040601516030010
  • Kirillov, I. R., Obukhov, D. M., Genin, L. G., Sviridov, V. G., Razuvanov, N. G., Batenin, V. M., … & Pyatnitskaya, N. Y. (2016). Buoyancy effects in vertical rectangular duct with coplanar magnetic field and single sided heat load. Fusion Engineering and Design, 104, 1-8.
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2016.01.010 WOS:000372675100001
  • I.A. Belyaev, Y.I. Listratov, I.A. Melnikov, N.G. Razuvanov, V.G. Sviridov, E.V. Sviridov ENGINEERING APPROACH TO NUMERICAL SIMULATION OF MHD HEAT TRANSFER Magnetohydrodynamics Vol. 52 (2016), No. 3, pp. 287–297
  • Razuvanov, N. G., Sviridov, V. G., Sviridov, E. V., Belyaev I. A., Pyatnitskaya, N. Y., & Zagorsky, V. S. (2016). EXPERIMENTAL STUDY OF LIQUID METAL HEAT TRANSFER IN A VERTICAL HEATED CHANNEL AFFECTED BY A COPLANAR MAGNETIC FIELD. Magnetohydrodynamics (0024-998X), 52 (1). pp. 171-180 eid=2-s2.0-84966712979
  • Melnikov, I. A., Sviridov, E. V., Sviridov, V. G., & Razuvanov, N. G. (2016). Experimental investigation of MHD heat transfer in a vertical round tube affected by transverse magnetic field. Fusion Engineering and Design, 112, 505-512. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2016.06.003
  •  Ivochkin, Y. P., Teplyakov, I. O., & Vinogradov, D. A. (2016). INVESTIGATION OF SELF-OSCILLATIONS IN ELECTROVORTEX FLOW OF LIQUID METAL. Magnetohydrodynamics (0024-998X), 52(1). No. 1-2, pp. 277-286
  • O. Zikanov, Y. Listratov, Numerical investigation of MHD heat transfer in a vertical round tube affected by transverse magnetic field, Fusion Eng. Des. (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.fusengdes.2016.10.017
  •  Pyatnitskaya, N. Y., Sviridov, E. V., & Razuvanov, N. G. (2016). HYDRODYNAMICS AND HEAT TRANSFER FOR DOWNWARD LIQUID METAL FLOW IN A RECTANGULAR CHANNEL IN THE PRESENCE OF A COPLANAR MAGNETIC FIELD. Magnetohydrodynamics (0024-998X), 52 No. 1-2, pp. 155-161

Результаты 2017:

С использованием вновь созданной в рамках проекта установки РК-3 (HELMEF) реализованы условия имитирующие теплообменные системы реакторов токамаков (сильные магнитные поля до 2.7Т и существенные тепловые потоки до 70кВт/м2). Проведена серия экспериментов с модельными теплоносителями. Впервые обнаружено, что по мере увеличения магнитного поля происходит подавление аномальных пульсаций температуры, обусловленных спецификой МГД-теплообмена. Впервые обнаружено, что возникновение и исчезновение аномальных пульсаций температуры в жидком металле сопровождается режимами с перемежаемостью – редкими (с периодом более 10 минут) крупномасштабными (с амплитудой равной температурному напору в теплообменном канале) всплесками температуры. Не обнаружено существенного изменения характеристик теплообмена или возникновения пульсирующих режимов течения теплоносителя, имитирующего течение расплавленной соли в сильном магнитном поле. Эта информация критически важна для проектирования и обоснования безопасности перспективных термоядерных установок.

Получены опытные данные о характеристиках МГД-теплообмена в расширенном диапазоне «критических режимов» при течении жидкого металла и расплавов солей.

Разработана комбинированная методика, позволяющая проводить инженерную оценку параметров теплообмена в диапазоне режимных параметров реактора – токамака ТИН.

Выполнена оценка возможных термомеханических нагрузок в реальных проектах теплообменных устройств на основе имеющихся экспериментальных данных.

Получены экспериментальные данные по закономерностям теплообмена жидких металлов при опускном течении ртути в круглых однородно обогреваемых (число Грасгофа до 8E7) трубах в магнитных полях до 2.7 Тесла (Число Гартмана до 1300). В этом диапазоне исследованы области существования нестационарных режимов МГД-теплообмена.

Предварительные (числа Гартмана до 14, Грасгофа до 1E8) эксперименты с имитаторами солевых расплавов показали отсутствие, подобных обнаруженным в жидких металлах, крупномасштабных явлений.

Публикации, в которых отражена реализация проекта:

  • Belyaev I. A. et al. Test facility for investigation of heat transfer of promising coolants for the nuclear power industry //Thermal Engineering. – 2017. – Т. 64. – №. 11. – С. 841-848. Belyaev, I.A., Sviridov, V.G., Batenin, V.M. et al. Therm. Eng. (2017) 64: 841. https://doi.org/10.1134/S0040601517110027
  • Turbulent MHD heat transfer in liquids with the Prandtl number Pr> 1 A. V. Kotlyar Magnetohydrodynamics 53, No. 3, 483-494, 2017  http://mhd.sal.lv/contents/2017/3/MG.53.3.4.R.html
  • Belyaev I. A. et al. Temperature correlation velocimetry technique in liquid metals //Flow Measurement and Instrumentation. – 2017. – Т. 55. – С. 37-43. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2017.05.004
  • Ivochkin Y. P., Monastyrskiy V. P. A thermomechanical model for the fragmentation of a liquid metal droplet cooled by water //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2017. – Т. 891. – №. – С. 012130.
  • Оценка влияния пульсаций температуры на конструкцию жидкометаллического модуля реактора токамакИ. А. Беляев, И.И. Поддубный, Н.Г. Разуванов, В.Г. Свиридов ВАНТ 
  • Метод расчета смешанной мгд-конвекции в вертикальном канале И. А. Беляев, Н. Г. Разуванов, В. Г. Свиридов ТВТ 
  • Теплоэнергетика 2018 вып. 7 Костычев П.В., Разуванов Н.Г., Свиридов В.Г. «Исследование гидродинамики и теплообмена при подъемном течении жидкого металла в канале прямоугольного сечения»
  • Ивочкин Ю.П., Зейгарник Ю.А., Кубриков К.Г. К вопросу о механизмах тонкой фрагментации горячего расплава, погруженного в холодную воду // Теплоэнергетика. 2018. №7