Моделирование стационарного и нестационарного истечения адиабатно-вскипающей жидкости из коротких каналов (стр. 4 из 6)

и в большинстве случаев выполняется условие Biк£0.1, что позволяет считать температуру в центре и на поверхности капли одинаковой. Однако при испарении жидкости (воды) в собственный пар коэффициент теплоотдачи на границе раздела фаз находят по формуле [15]

(2)

где

[16] – коэффициент конденсации.

Если предположить, что коэффициент конденсации равен коэффициенту испарения, то для парокапельных потоков даже с малодисперсной структурой (Dк»10-5м) Biк может быть значительно больше единицы. Следовательно, при расчете процессов расширения капельно-паровых потоков необходимо учитывать нестационарный характер охлаждения испаряющихся капель. Неучет этого обстоятельства, как это будет видно из результатов расчета, приведет к значительному завышению энергетических характеристик сопел, работающих на перегретой воде, по сравнению с данными, полученными из опыта.

В зависимости от степени расширения жидкости в парогенерирующей решетке можно получить за ней пузырьковую или капельно-паровую структуры. Для случая, когда степень сухости за решеткой больше граничной, при которой пузырьковая структура в парокапельную, расчет сопел, работающих на вскипающих потоках, значительно упрощается и сводится к расчету сопла, работающего на высоковлажном парокапельном потоке с учетом процессов в решетке. В более упрощенной постановке можно считать, что за решеткой поток состоит из сухого насыщенного пара и капель одного размера. Такое допущение может быть оправдано, так как результаты расчета энергетических характеристик сопла удовлетворительно согласуются с опытными данными. Ниже приводится система уравнений, позволяющая выполнить расчет сопла с парогененрирующей решеткой, работающего на перегретой воде, на основе обратной задачи с учетом нестационарного характера охлаждения капель:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Из приведенных уравнений видно, что предложенная система обеспечивает выполнение условий сохранения сплошности и энергии, так как секундный расход капель и средняя температура капли

определяется из интегральных уравнений.

Для нахождения температуры на поверхности капли ТкR внутри основной программы был организован цикл, позволяющий находить корни (m) трансцендентного характеристического уравнения.

Предложенная физическая модель движения высоковлажного капельно-парового потока (c=9*10-3-3*10-2) с учетом нестационарного процесса охлаждения капли более полно отражает процессы, имеющие место в реальных вскипающих потоках. Расчёты показывают, что в коротких соплах, работающих на парокапельных потоках с крупнодисперсной влагой, на срезе сопла средняя температура капель значительно превышает температуру пара при данном давлении, что приводит к резкому снижению располагаемого перепада энтальпии и КПД сопла (табл. 1). Выполненные расчётные исследования косвенно подтверждаются опытными результатами, в основе которых лежат массовый расход горячей воды через сопло и реакция вытекающей струи [13].

В таабл. 1 приведены результаты расчета сопла на срезе для двух случаев. В первом – коэффициент теплоотдачи от капли к пару определялся по формуле (1), во втором – по (2). Все расчеты выполнялись при следующих граничных условиях. Давление воды перед соплом р0=0.8 МПа; Т0=438 К. Давление за парогенерирующей решеткой р1=6.5*105 Па; Тк1=438К;Тп1=435 К;сп1=15м/с;ск1=10м/с;Gп1=12*10-3 кг/с; Gк1=0.4 кг/с;Dк1=8*10-5м;lс=0.150м.

На рис.1 приведены результаты расчета коэффициента скорости трех сопел длиной 0.05;0.1 и 0.15 метра при различных начальных диаметрах капель. Видно, что диаметр капель и длина сопла оказывают значительное влияние на эффективность сопел, работающих на мелкодисперсной (Dк1=8*10-6м) и крупнодисперсной влаге(Dк1=8*10-5м), дает наглядное представление о механической и термической неравновесностях потока.

Перевод сопла на мелкодисперсный поток повышает коэффициент скорости с 0.549 до 0.816 и снижает потерю кинетической энергии в 2.09 раза.

Таким образом, проведенные расчетные и экспериментальные исследования [13] сопел, работающие на перегретой воде, показывают, что при правильной организации процессов расширения коэффициент скорости сопел может быть не ниже восьмидесяти процентов.

К концепции скачка вскипания

В работе [17] рассматриваются термодинамические аспекты фазовых переходов в системе жидкость-пар применительно к процессам адиабатного расширения жидкости. Обосновывается предположение, что адиабатный скачок вскипания является термодинамически маловероятным процессом, поскольку его реализация сопряжена с убыванием энтропии в процессе неравновесных фазовых превращений.

В работах [20,21] демонстрируется рациональность концепции скачка вскипания как ударной волны разрежения для анализа процессов в неравновесных вскипающих потоках. На базе такого подхода в [23] предлагается расчетная модель, предназначенная для оценки аварийных ситуаций в ядерной энергетике когда имеет место истечение жидкости в среду с давлением, меньшим давления насыщенных паров жидкости, декомпрессия объемов с перегретой относительно внешних условий жидкостью.

Вместе с тем в работе [22] показывается физическая невозможность скачка вскипания как неравномерного процесса, не отвечающего условию возрастания энтропии. Таким образом, по одному вопросу существуют две принципиально противоположные концепции.

Поскольку рассматриваемые процессы представляют существенный практический интерес, проведен сравнительный анализ двух различных концепций для случая адиабатного истечения жидкости, сопровождающегося фазовыми переходами.

Если интерпретировать процесс перехода (рис.1) термодинамической системы из состояния 1 (перегретая жидкость) в состояние 2 (равновесная парожидкостная среда) как скачок, т.е. как геометрическую поверхность разрыва, и записать соотношение балансов массы, импульса и энергии на поверхности разрыва в виде

W1r1= W2r2=J (1)

p1+W12r1= p2+W22r2 (2)

i1+W12/2= i2+W22/2 (3)

То процесс вскипания, согласно [19], буде охарактеризован как адиабата Гюгонио. Здесь W,r,i – скорость потока, плотность и удельная энтальпия вещества; р- давление;J- удельный расход через поверхность разрыва; индексы «1», «2» соответствуют параметрам среды до и после поверхности разрыва. Следствием балансовых уравнений (1)-(3) является универсальное соотношение