Моделювання теплових процесіів в елементах енергетичного обладнання ТЕС і АЕС шляхом розв’язання спряжених задач теплообміну (стр. 2 из 5)
Структура та обсяг роботи
Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і переліку використаних літературних джерел, що містить 79 найменувань, та трьох додатків. Робота викладена на 136 сторінках машинописного тексту, містить 46 рисунків, 11 таблиць, 3 додатки, загальний обсяг 186сторінки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі описана проблема й обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, що викликана необхідністю мати достовірні дані про тепловий стан енергетичного обладнання та його елементів. Сформульовано мету й основні задачі дослідження теплового стану обраних об'єктів, а саме – кінцеві й діафрагмові ущільнення турбомашин та вентильовані контейнери зберігання відпрацьованого ядерного палива, розташовані на площадці сухого сховища відпрацьованого ядерного палива (ССВЯП).
У першому розділі розглянуті види задач теплопровідності, серед яких виділені спряжені задачі теплообміну, що дозволяють враховувати взаємний вплив переносу теплоти як у твердому тілі, так й у навколишньому теплоносії. Дано огляд методів розв’язання спряжених задач теплообміну, виділені чисельні методи, у яких сформульована задача апроксимується дискретною моделлю, як правило, у вигляді алгебраїчних співвідношень, що дозволяють визначати чисельні значення шуканих величин. Зазначено, що граничні умови теплообміну в енергетичному обладнанні обумовлюються досить складними процесами, і дотепер вони визначалися як експериментально на модельних установках, так і розрахунковим шляхом із використанням розв’язків обернених задач теплообміну за результатами випробувань натурних об'єктів. Такі методи складні й трудомісткі, часто вимагають значних матеріальних витрат. У ряді випадків, як наприклад, у контейнерах зберігання ВЯП, їхнє застосування просто небезпечно, а отже, технологічно неможливо. Тому для розв’язання поставлених задач необхідно застосовувати чисельні методи розв’язання спряжених задач теплообміну.
Оскільки в елементах працюючих турбін, режими яких змінюються від холостого ходу до номінального при пусках з різних теплових станів, досить складно й дорого проводити експериментальні дослідження, а також одержувати температурні поля для різних тепловиділяючих об'єктів, що проектуються, доцільно застосувати чисельні методи розв’язку, які є менш дорогими й водночас більше інформативним. При такому підході, задаючи умови на границях області, що розглядається, й параметри для газоподібного середовища (пара – в ущільненнях, повітря – в об'єктах, розташованих на території станції), досить просто визначити тепловий стан елементів енергетичного обладнання, що розглядаються.
У другому розділі для поставленої задачі дослідження сформована математична модель, що включає в себе такі рівняння:
1) для газоподібного середовища:
– нерозривності (суцільності);
– руху в’язкого газу – рівняння Рейнольдса;
– енергії;
2) для твердого середовища – рівняння теплопровідності (рівняння Фур'є).
Для замикання система диференціальних рівнянь доповнюється рівнянням стану газоподібного середовища (наприклад, рівнянням Менделеєва-Клапейрона або іншою залежністю щільності середовища від температури й тиску). Для обчислення турбулентних складових, що входять у рівняння руху та енергії, необхідно використати одну з відомих моделей турбулентності. Фізичні характеристики, що входять у рівняння, приймаються згідно з табличними значеннями або аналітичними залежностями у вигляді функції температури й тиску. Розрахункова область задається у вигляді тривимірної сітки; залежно від задачі дослідження вибираються граничні й початкові умови.
Спряжені задачі теплообміну стосовно об'єктів теплоенергетики розглядаються з використанням двох видів систем диференціальних рівнянь:
– система рівнянь у двовимірній осесиметричній постановці – для ущільнень турбомашин;
– система рівнянь у тривимірній постановці – для контейнерів зберігання ВЯП.
Для задачі визначення теплового стану контейнерів зберігання ВЯП математична модель доповнена рівнянням променистого теплообміну.
Умовою спряження області газоподібного середовища, що рухається, і поверхні твердого тіла є рівність теплових потоків на кожній елементарній ділянці їхньої поверхні
.На основі проведеного аналізу як метод розв’язання спряжених задач теплообміну обрано метод контрольного об’єму. Перевага цього методу в порівнянні з іншими чисельними методами, крім простоти реалізації, полягає в тому, що він забезпечує точне інтегральне виконання фізичних законів для будь-якої групи контрольних об’ємів та для всієї розрахункової області. Як наслідок з'являється можливість одержання досить точних і фізично обґрунтованих результатів розрахунку навіть на відносно грубих сітках з мінімальними витратами машинного часу й оперативної пам'яті ЕОМ.
Для дослідження актуальних об'єктів енергетики вибрано: кінцеві й діафрагмові ущільнення турбомашин (включно з термокомпенсаційними канавками) і контейнери зберігання відпрацьованого ядерного палива. Для термокомпенсаційних канавок в ущільненнях турбомашин визначався коефіцієнт тепловіддачі з використанням закону Ньютона-Ріхмана на підставі розв’язання спряжених задач теплообміну у двовимірній постановці:
,де Тпот – температура потоку, що обмиває поверхню, Тповi – температура i-ї ділянки поверхні, fi – площа i-ї ділянки поверхні, qi – тепловой потік крізь i-у ділянку поверхні.
Задачу розрахункового дослідження теплових процесів у контейнерах зберігання відпрацьованого ядерного палива (ВЯП) на ССВЯП необхідно також розглядати в спряженій постановці. Це викликано відсутністю інформації про граничні умови на поверхні контейнера й кошика зберігання. У зв'язку з цим як граничні умови для визначення теплового стану відпрацьованих тепловиділяючих зборок (ВТВЗ) усередині кошика зберігання можуть розглядатися тільки параметри зовнішнього середовища (температура повітря, тиск, швидкість вітру).
Цю задачу доцільно вирішувати в стаціонарній тривимірній постановці, з урахуванням лише впливу зовнішнього вітрового потоку (який може бути спрямований під різним кутом до вентиляційних каналів контейнерів), що обумовлено слабкою зміною інтенсивності тепловиділення ВТВЗ із часом, а також зниженням тепловиділення в часі.
При моделюванні теплових процесів на площадці ССВЯП та у контейнерах зберігання ВЯП вирішуються спряжені задачі теплообміну в стаціонарній постановці як для охолодження кошика зберігання, так і для охолодження контейнера зберігання.
У третьому розділі наведені результати дослідження теплообміну в ущільненнях парових і газових турбін.
Різноманіття форм течії, що утворюється в конструкціях турбомашин, не дозволяє однозначно підійти до вибору єдиної моделі турбулентності для потоків у цих конструктивних елементах. Тому необхідно провести верифікацію розрахунково-теоретичних методів і вибір моделі турбулентності із цілого ряду існуючих у цей час. При верифікації шляхом комп'ютерного моделювання досліджувалась течія в прямоточному ущільненні, результати розрахунків порівнювались з експериментальними даними, що отримані Л. О. Гурою.
Форма течії повітря в ущільненні (рис. 1), що отримана в результаті чисельного моделювання, збігається з візуалізацією при експериментальних дослідженнях. Зіставлення швидкостей потоку й розподілу тисків у розширювальній камері ущільнення дозволило зробити вибір із семи розглянутих на користь „Standard k-е” моделі турбулентності, що далі використовувалась при розв’язанні спряжених задач теплообміну.
Аналогічно була проведена верифікація математичної моделі для визначення інтенсивності тепловіддачі в східчастих і прямоточних ущільненнях. Верифікація проводилася за експериментально отриманими Л. О. Гурою критеріальними залежностями для турбулентного режиму течії, що враховують крок ущільнення S, висоту камери ущільнення H, зазор між гребенем і поверхнею ротора д:
– для прямоточних ущільнень; 
– для східчастих ущільнень.Порівняння результатів моделювання з експериментальними даними виявило відхилення 4-7% для прямоточного ущільнення (рис. 2) та 3-4% для східчастого (рис. 3), що дозволяє судити про адекватність математичної моделі, що використовується. Результати розрахунків дозволили також розширити діапазон застосування експериментально отриманих критериальных рівнянь до значень чисел Рейнольдса Re = 2,2∙106 для прямоточних та Re = 1,13·106 для східчастих ущільнень.
Дослідження теплових процесів у східчастих ущільненнях з термокомпенсаційною канавкою з метою знаходження коефіцієнтів тепловіддачі на її поверхнях дозволило одержати структуру течії пари (рис. 4), що у зоні виступів і западин ущільнення збігається з візуалізацією, наведеної в роботі Л. О. Гури. Зокрема, добре видно, що в камерах ущільнення та за виступами формуються циркуляційні області. На виході із щілин, утворених гребенями й поверхнею виступів та западин, спостерігається струминна течія. У камері, до якої входить термокомпенсаційна канавка, струмінь, натікаючи на виступ, відхиляється вгору й роздвоюється. Частина струменя рухається в канавку, формуючи в ній за рахунок масообміну із внутрішньою границею струменя течію уздовж поверхні із двома вихрами в центральній зоні. Зменшення швидкості течії уздовж поверхонь 1-3 канавки формує прикордонний шар, що визначає умови теплообміну на цих поверхнях.