Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что явление кризиса закрученного потока сопровождается образованием детерминированной вихревой структуры течения в форме тороидальных или спиральных вихрей, генерацией акустических колебаний и большими потерями давления, требующимися для формирования зоны рециркуляционного течения, препятствующего расходу рабочих сред. Показано, что при достижении предельной расходной скорости закрученного потока происходит перестройка амплитудно-частотной характеристики акустических колебаний гидромеханической системы. Установленная связь между генерацией звуковых колебаний и геометрическими и режимными параметрами гидромеханической системы легла в основу разработанного метода акустических резонансов (МАР) для диагностики и предотвращения развития вибро-резонансных эффектов при вихреобразовании в сложных контурах циркуляции текучих сред. Расчётный анализ с применением метода электроакустической аналогии показал, что элементы конструкции парогенераторов, геометрия которых в определённых переходных режимах работы судовых ЯЭУ способствует формированию устойчивых вихревых структур, могут приводить к возбуждению собственных колебаний – акустических стоячих волн (АСВ) в инфразвуковом и звуковом диапазонах акустических колебаний. На примере импактного закрученного течения рассмотрено применение метода акустических резонансов (МАР) для диагностики характера взаимодействия генерируемых потоком устойчивых вихревых структур и собственных колебаний гидромеханической системы (АСВ). При исследовании смены режимов течения с увеличением расхода импактного закрученного потока было показано, что применение метода акустических резонансов дает возможность еще в дозвуковом режиме диагностировать эффект вихревой структуризации течения по регистрации пиков на амплитудно-частотной характеристике, соответствующих характерным частотам формирующихся устойчивых вихреобразований, близких к частотам АСВ, определяющих низкочастотный спектр собственных колебаний гидромеханической системы. Фиксируемое с применением МАР отсутствие изменения расхода в ответ на увеличение нагнетаемого давления в дозвуковом режиме течения свидетельствует о наступлении кризиса закрученного потока и опасности развитии резонансных эффектов. В качестве примеров решения прикладных задач проведены вычислительные эксперименты по моделированию процессов гидродинамики и теплообмена в элементах реакторных установок (РУ) блочного и моноблочного типов судовых ЯЭУ и атомных станций малой мощности (АС ММ). Полученное ранее теоретическое описание кризиса закрученного потока позволило рассчитать характеристики движения и вихревую структуру потока в вычислительных экспериментах с соответствующей постановкой начальных и граничных условий. Рассматривалось несколько тестовых задач, соответствующих случаям течения, которые могут иметь место при петлевом подключении, пусковом и переходных режимах работы моноблочных РУ из-за возникновения закручивающего момента за счёт конструктивных особенностей или из-за рассогласованности работы насосов. Вычислительные эксперименты показали, что результаты расчетов, проведенных с использованием различных моделей турбулентности, хотя и имеют различия, но, вместе с тем, указывают на один и тот же качественный результат: при выбранной схеме подвода теплоносителя в напорном коллекторе РУ РИТМ-200 должны возникать крупномасштабные вихри, частота вращения в которых и амплитуда генерируемых ими акустических колебаний зависят от выбранной геометрии и величины расхода теплоносителя. На основе проведения вычислительных экспериментов выявлены элементы конструкций трубопроводных и коллекторных систем первого и второго контуров ЯЭУ, в которых при определенных динамических режимах работы реакторной установки возникает самопроизвольная закрутка потока, которая может приводить к эффекту ограничения расхода рабочего тела, обусловленному кризисом закрученного течения, что, в свою очередь, влечет за собой снижение температуры перегретого пара, резкое возрастание гидравлического сопротивления и возникновение виброрезонансной неустойчивости. Полученные в расчетах 3-х мерные картины скоростного поля течения в трубных системах компенсации давления и парогенераторов в переходных режимах работы ЯЭУ с резким изменением давления теплоносителя указывают на формирование зон реверсивного (возвратного) закрученного течения, топологически соответствующих так называемым вихревым или гидравлическим пробкам. В целях выработки рекомендаций по увеличению ресурса безопасной и эффективной работы судовых ЯЭУ рассмотрен вопрос о выборе критерия теплогидравлической эффективности, решен ряд оптимизационных задач и обоснована возможность изменения конструкции трубной системы паропроизводящей установки. При положительном эффекте оптимизации численная величина выбранного критерия эффективности превышает единицу. Показано, что для парогенераторов змеевикового типа значение критерия теплогидравлической эффективности может приближаться к значению 2 за счет перекомпоновки трубного пучка и изменения геометрии каналов в зоне перехода от опускного к подъемному движению питательной воды. При этом удается исключить эффект «запирания» расхода, соответствующий кризису закрученного потока и наличию зон рециркуляционного течения, что приводит к существенному снижению потерь давления на прокачку рабочего тела. В результате проведенных экспериментально-теоретических исследований выработаны рекомендации для научного обоснования оптимальных конструкторских решений, обеспечивающих повышение теплогидравлической эффективности и ресурса работы ядерных энергетических установок; разработаны принципы расчетно-теоретического моделирования; для решения оптимизационных задач рассмотрен вопрос о выборе критерия теплогидравлической эффективности; предложен способ интенсификации теплообмена на основе использования витых профилированных труб. Получен патент на изобретение усовершенствованной конструкции парогенератора судовой ЯЭУ (№ 2827748 от 01.10.2024). Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод, что метод акустических резонансов может быть использован для диагностики опасных с точки зрения резонансного возбуждения виброшумовых режимов работы ядерных энергетических установок.