Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В рамках годового этапа работ по проекту выполнены комплексные исследования по пяти взаимосвязанным направлениям. Исследования были ориентированы на развитие методик изучения влияния изменений параметров тепломассообмена на эффективность и безопасность работы энергонапряженного теплообменного оборудования. 1. Для замыкания системы уравнений, описывающих гидродинамику и теплообмен в активных зонах реакторов и в другом теплообменном оборудовании ЯЭУ в приближении модели анизотропного пористого тела необходимо знать параметры переноса импульса, тепла и массы в теплоносителе при сложном продольно-поперечном обтекании плотноупакованных пучков труб (твэлов). Однако в настоящее время такие данные практически отсутствуют. Поэтому была обоснована методика обработки и обобщения экспериментальных данных по эффективным коэффициентам переноса при поперечном обтекании плотноупакованных стержневых сборок. Суть предложенной методики заключается в следующем. Два плоскопараллельных потока жидкости движутся с одинаковой скоростью и разной температурой через стержневую сборку. Канал имеет участок смешения потоков. За пределами этого участка потоки разделены непроницаемой нетеплопроводной перегородкой. Вследствие взаимодействия потоков на участке смешения происходит передача тепла от горячего потока к холодному и температуры потоков меняются. Полученные в приближении модели пористого тела решения позволяют по измеренным значениям температур потоков на входе и выходе участка смешения, при известных длине и высоте участка смешения, скорости течения потоков и физических свойствах теплоносителя, рассчитать параметры переноса тепла в теплоносителе. Затем эти параметры теплопереноса используются для определения эффективных коэффициентов переноса импульса и массы. С целью практической реализации методики измерений проведена модернизация водяного контура, что позволяет создать два потока воды с разными температурами и одинаковыми скоростями и направлять их в рабочий участок для смешения. Определены основные геометрические параметры рабочих участков для измерения эффективной теплопроводности теплоносителя в поперечном и в параллельном к оси стержней направлениях. Это – высота, ширина, длина рабочего участка, длина смешения потоков, диаметр стержней, относительный продольный и поперечный шаг стержней в сборке. 2. Высокая скорость течения теплоносителя является особенностью работы гидравлических трактов оборудования ядерных энергетических установок. При высоких скоростях на гидравлическое сопротивление каналов может заметно влиять шероховатость их поверхности. Гидравлические тракты образуются, как правило, двумя и более конструкционными элементами с различной геометрией (плоские и кольцевые каналы, сборки твэлов, пучки труб и т.д.). Причем поверхности этих конструкционных элементов могут иметь разную шероховатость. В этом случае шероховатость противоположных стенок гидравлического тракта будет различной. В технической литературе отсутствуют какие-либо рекомендации по расчету гидравлического сопротивления каналов для подобных случаев. Поэтому была разработана инженерная методика расчета гидравлического сопротивления плоских и кольцевых каналов с различной шероховатостью стенок при однофазном турбулентном течении. Методика основана на полуэмпирической теории турбулентного пограничного слоя Прандтля. Был рассмотрен плоский канал. Поток жидкости в поперечном сечении канала условно разбивался на два, не взаимодействующих между собой слоя разной толщины и омывающих стенки с различной шероховатостью. При определении максимальной и средней скорости потоков предполагалось, что распределение скорости в направлении по нормали к стенке в каждом потоке описывается универсальным логарифмическим законом. Была получена замкнутая система уравнений относительно семи неизвестных величин. В результате решения этой системы получена формула для расчета коэффициента гидравлического сопротивления плоского канала с различной шероховатостью противоположных стенок через коэффициенты гидравлического сопротивления двух каналов. Шероховатость стенок первого канала соответствует шероховатости первой стенки исходного канала, а шероховатость стенок второго канала, соответственно, шероховатости второй стенки. Полученные расчетные соотношения для плоского канала распространяются на случай движения жидкости в узких кольцевых каналах, поскольку по литературным данным гидравлическое сопротивление этих каналов не отличается от сопротивления плоской щели. Проведена экспериментальная проверка предложенной методики применительно к кольцевым каналам, образованным гладкой трубой и вставленным в нее коаксиально шероховатым стержнем. На водяном гидродинамическом стенде были исследованы два канала с искусственной шероховатостью различных профилей. Для этого были изготовлены стержни с треугольным и трапециевидным профилем шероховатости. Параметры искусственной шероховатости выбирались, исходя из условия наличия в литературе рекомендаций по расчету гидравлического сопротивления каналов с подобной шероховатостью. Измерения гидравлических сопротивлений каналов проводились до чисел Рейнольдса 10^5. В среднем расхождение экспериментальных и расчетных значений коэффициентов гидравлического сопротивления не превышает 13%. 3. Прогнозирование переходных режимов теплообмена представляет научный и практический интерес для обеспечения безопасной работы энергонапряженного теплообменного оборудования. На основе выполненной статистической обработки экспериментальных гистограмм распределения перегрева теплоотдающей поверхности, который был дополнен амплитудно-частотным анализом флуктуаций ее температуры, была показана возможность диагностики наступления переходных тепловых процессов (закипание теплоносителя и кризис теплоотдачи). В качестве критерия, позволяющего определить границы переходных режимов, выбрано локальное достижение максимального значения среднеквадратичного отклонения колебаний температуры. Разработанная методика была апробирована для прогнозирования смены режимов теплоотдачи в различных жидкостях, включая воду и жидкий азот. Методика может быть использована в системе оперативного контроля наступления переходных режимов в теплообменном оборудовании. 4. Знание условий наступления кризиса при резком увеличении мощности тепловыделения необходимо для изучения физики кипения, а также для практических приложений, связанных с проектированием энергооборудования. В устройствах, охлаждаемых некоторыми жидкостями, кризис теплоотдачи при импульсном подводе тепла может происходить при плотностях тепловых потоков (минимальный нестационарный критический тепловой поток) существенно меньших, чем первый критический тепловой поток. В результате экспериментального исследования в насыщенном жидком азоте при различных давлениях получены данные о величине минимального нестационарного критического теплового потока. На основе разработанной физической модели предложена методика расчёта данной величины при различных скоростях нарастания мощности энерговыделения в нагревателе в зависимости от рода жидкости и геометрических параметров теплоотдающей поверхности. Экспериментально обнаружен эффект интенсификации теплоотдачи к жидкому азоту после воздействия короткого теплового импульса. Проведён теоретический анализ минимальной энергии теплового воздействия, приводящего к улучшению теплоотдачи в зависимости от начального уровня тепловыделения, геометрических характеристик и свойств теплоотдающей поверхности. Данный эффект может быть использован как способ интенсификации теплоотдачи в высоконапряжённом энергетическом оборудовании, в частности в системе тепловой стабилизации сверхпроводникового оборудования. 5. Современное энергетическое оборудование работает в условиях высоких тепловых потоков и температур. Обеспечение работоспособности элементов конструкций, особенно в среде тяжелых жидкометаллических теплоносителей, требует создания на теплонапряженных поверхностях коррозионно-стойких защитных покрытий. В результате срок эксплуатации поверхности увеличивается, а ее теплопередающие свойства снижаются, так как возрастает термическое сопротивление области контакта поверхности и расплава. Поэтому были выполнены работы по экспериментальному и расчетному изучению термического сопротивления области контакта поверхности теплообмена и расплава свинца. Для проведения экспериментальных работ изготовлены тигли из стали ЭП-823 и стали 12Х18Н10Т. Тигли подготовлены без оксидных слоев на контактных поверхностях и с оксидными защитными слоями. В тиглях из стали ЭП-823 в диапазоне температур 300 - 900 °С проведено исследование термических контактных сопротивлений между сталью ЭП-823 и сплавами свинца с магнием и цирконием. Исследованы релаксации термических сопротивлений контактов во время изотермической выдержки тиглей при температурах 600 и 900 °С и в процессе длительных измерений в диапазоне температур 300 - 900 °С. Для изучения физического и химического взаимодействия расплава свинца с поверхностями из стали ЭП-823 и стали 12Х18Н10Т изготовлены две измерительные ячейки, контактные поверхности которых по характеристикам микрорельефа идентичны поверхностям тиглей. В ячейке из стали ЭП-823 методом лежащей капли зафиксировано изменение краевого угла смачивания свинцом поверхности при температуре кристаллизации свинца с увеличением температуры и времени выдержки расплава на поверхности. Для анализа структуры контакта расплава с поверхностью стали получены изображения поверхности контакта с использованием оптического микроскопа и растрового электронного микроскопа.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В 2017 году в рамках годового плана работ по проекту были продолжены комплексные исследования по пяти взаимосвязанным направлениям, которые были ориентированы на изучение влияния изменения параметров тепломассообмена на эффективность и безопасность энергонапряженного теплообменного оборудования. Направление 1. Для уточнения замыкающих соотношений разрабатываемой модели анизотропного пористого тела проведены экспериментальные и расчетно-теоретические исследования. В результате проведенных экспериментов по поперечному обтеканию водой стержневых сборок с помощью метода смешения потоков с разной температурой получены значения эффективной теплопроводности сборок в направлениях вдоль и поперек стержней. Полученные результаты подтверждают линейную зависимость эффективной теплопроводности воды от скорости. Для исследованной стержневой сборки при числах Рейнольдса ~10^5 значения эффективной теплопроводности достигают 2600 Вт/м•К в параллельном оси стержней направлении и 8000 Вт/м•К в перпендикулярном. Это свидетельствует о существенной анизотропии коэффициентов переноса тепла, а, следовательно, и коэффициентов переноса импульса и массы в пучках стержней вследствие турбулентного перемешивания теплоносителя. В результате теоретических исследований влияния направления потока на компоненты тензора сопротивления стержневой структуры показано, что зависимость тензора сопротивления от угла обтекания является следствием нелинейной зависимости силы сопротивления от скорости турбулентного потока. При этом наиболее сильно от угла обтекания, под которым понимается угол между осью пучка и вектором скорости потока, зависит компонента тензора, соответствующая направлению поперек пучка. Предложен способ учета влияния азимутальной неоднородности упаковки стержней в пучке на гидравлическое сопротивление путем введения в поперечную компоненту тензора среднего значения сопротивления при обтекании пучка и безразмерного нормированного множителя, определяющего зависимость сопротивления от азимутального угла обтекания. В результате численных экспериментов по угловому обтеканию стержневых сборок потоком воды получены зависимости коэффициента пропорциональности в выражении, связывающем эффективную турбулентную вязкость потока теплоносителя с кинетической энергией турбулентности и скоростью ее диссипации от угла обтекания стержневой структуры. Данная зависимость используется в интегральной модели турбулентности, позволяющей рассчитать эффективные коэффициенты переноса тепла и импульса в стержневой структуре при любом угле ее обтекания. Направление 2. Для уточнения и обоснования разработанной в 2016 году методики для расчетов гидравлического сопротивления кольцевых каналов с различной шероховатостью противоположных стенок выполнено экспериментальное исследование. Получены экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению кольцевого канала с гладкой наружной и шероховатой внутренней стенкой, кольцевого канала с шероховатой гладкой наружной и гладкой внутренней стенкой, кольцевого канала с различной искусственной шероховатостью противоположных стенок. В результате расчетно-теоретического исследования найдены законы распределения гидравлического трения по высоте кольцевого канала и отношения максимальной и средней скоростей потока жидкости. Полученные отношения затем были использованы для уточнения расчетной методики определения гидравлического сопротивления кольцевых каналов с различной шероховатостью противоположных стенок. Разработана уточненная методика расчета гидравлического сопротивления кольцевых каналов с различной шероховатостью противоположных стенок. В основе методики лежит предположение о логарифмическом профиле осредненной скорости от стенок каналов до линий максимальных скоростей, где касательные напряжения обращаются в ноль. Работоспособность уточненной методики расчета гидравлического сопротивления кольцевых каналов с различной шероховатостью противоположных стенок обоснована сопоставлением с экспериментальными данными. Экспериментальное подтверждение расчетных оценок эффектов шероховатости с погрешностью не более 25 % можно считать свидетельством работоспособности методики. Расчетами и экспериментальным путем показано слабое изменение гидравлического сопротивления узкого кольцевого канала в случае перемены местами стенок с различной шероховатостью. Это подтверждает возможность применения более простой методики расчетов гидравлического сопротивления плоских каналов для расчета гидродинамики узких кольцевых каналов без значимой потери точности. Направление 3. Были продолжены работы по совершенствованию методов диагностики переходных режимов теплообмена в энергетическом оборудовании на основе анализа температурных флуктуаций. Разработаны методики диагностики переходных режимов теплообмена от конвективного к пузырьковому кипению и от развитого пузырькового кипения к пленочному режиму. Методики основываются на анализе температурных флуктуаций перегрева теплоотдающей поверхности при кипении жидкостей с различным видом кривой кипения. Первая методика использует анализ амплитудно-частотной характеристики флуктуаций, вторая – основана на статистическом анализе гистрограмм распределения перегревов теплоотдающей поверхности. Обе методики позволяют не только диагностировать смену режима, но и предсказывать переход от одного режима теплообмена к другому (от конвекции к кипению, от кипения к пленочному режиму). Разработанные методики были апробированы на воде при атмосферном давлении и жидком азоте при давлениях от 1 до 4 атм., а также при различных (положительных и отрицательных) обратных связях между генерируемым тепловым потоком и температурой рабочего участка. На основании разработанных методик возможно создание системы диагностирования переходных и аварийных режимов в теплообменном оборудовании. Направление 4. В рамках продолжения исследования процесса кипения при нестационарных тепловых воздействиях разработана физическая модель для расчёта минимального нестационарного критического теплового потока, учитывающая влияния геометрии и размеров нагревателя. Полученное выражение для минимального нестационарного критического теплового потока зависит не только от теплофизических свойств жидкости, но и от величины критического числа Рэлея. Для модельной жидкости (жидкого азота) получены новые экспериментальные данные по влиянию темпа нарастания w отводимого в жидкость теплового потока на минимальный нестационарный критический тепловой поток. В результате выполненного экспериментального исследования, а также теоретических расчетов показано, что значение минимального нестационарного критического теплового потока не зависит от характера изменения во времени теплового потока, отводимого в жидкость. Получены оценки граничных значений темпа нарастания тепловыделения, при которых нестационарный критический тепловой поток будет совпадать с первым критическим. Разработанные расчетные модели применимы для различных криогенных сред. Направление 5. Обеспечение работоспособности элементов конструкций энергонапряженного теплообменного оборудования, особенно в среде тяжелых жидкометаллических теплоносителей, требует учета в теплофизических расчетах температурных режимов конструкций контактных термических сопротивлений на границе поверхности теплообмена и теплоносителя. С этой целью выполнены работы по экспериментальному и расчетному изучению зависимости термического сопротивления контакта сталей 12Х18Н10Т и ЭП-823 и расплава свинца С1 в диапазоне температур 350÷850 °С от времени контакта при последовательном увеличении количества циклов плавления-кристаллизации свинца. Полученные результаты показывают возрастание термического сопротивления контакта стали и расплава свинца с увеличением числа плавлений, так после проведения пяти плавлений термическое сопротивление контакта возросло от 2•10^-6 (м^2•К)/Вт до 1•10^-5 (м^2•К)/Вт. Методом лежащей капли исследовано уменьшение краевого угла смачивания α свинцом поверхности стали 12Х18Н10Т с увеличением времени изотермической выдержки при температуре 650 °С. Процесс уменьшения α имел затухающий характер и даже после 7,5 часов выдержки при температуре 650 ºС условия смачивания (α < 90º) достигнуты не были. По изображениям поверхности контакта, полученным с помощью оптического и растрового электронного микроскопов, установлено, что контакт состоит из отдельных пятен локального смачивания поверхности стали свинцом, окруженных большими по площади областями контакта через газовую прослойку. Для исследованной структуры контакта теплоотдающей поверхности и свинца предложена простая модель для расчета контактных термических сопротивлений, учитывающая относительную площадь контакта по газовым прослойкам, а также термические сопротивления контактов свинца со сталью через пятна локального смачивания и газовые прослойки.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В 2018 году в рамках годового плана работ по проекту были выполнены комплексные исследования по пяти взаимосвязанным направлениям, которые были ориентированы на изучение влияния изменения параметров тепломассообмена на эффективность и безопасность энергонапряженного теплообменного оборудования. Направление 1. Были проведены экспериментальные и расчетно-теоретические исследования для уточнения замыкающих соотношений разрабатываемой модели анизотропного пористого тела. В результате выполненного экспериментального исследования обтекания сборок с треугольной упаковкой стержней методом смешения потоков с разной температурой получены данные по эффективной теплопроводности воды в направлениях вдоль и поперек стержней в сборке в диапазоне чисел Рейнольдса от 7000 до 100000. Полученные результаты подтверждают линейную зависимость эффективной теплопроводности воды от скорости. В исследованных стержневых сборках при числах Рейнольдса около 100000 значения эффективной теплопроводности достигали 500 Вт/(м•К) в параллельном оси стержней направлении и 400 Вт/(м•К) в перпендикулярном, что свидетельствует о наличии анизотропии коэффициентов переноса тепла, а, следовательно, и коэффициентов переноса импульса и массы в пучках стержней вследствие турбулентного перемешивания теплоносителя. Аналогичный результат был получен в 2017 году при исследовании стержневой сборки с коридорной упаковкой стержней. Выполненное сравнение полученных экспериментальных данных по эффективной теплопроводности воды с результатами расчетов по интегральной модели турбулентности подтверждает возможность использования последней для расчета параметров модели анизотропного пористого тела в программном комплексе, моделирующем нестационарные трехмерные процессы тепломассопереноса в стержневых структурах активных зон и теплообменных устройств ЯЭУ. В результате численных экспериментов по поперечному обтеканию сборок стержней с треугольной и квадратной упаковкой получены зависимости коэффициента гидравлического сопротивления сборки от азимутального угла обтекания при изменении относительного шага стержней в сборке от 1,2 до 1,5 в интервале чисел Рейнольдса от 3000 до 100000. Показано, что влияние скорости потока на изменение коэффициента сопротивления от азимутального угла обтекания в исследованном диапазоне чисел Рейнольдса незначительно. В тоже время характер этой зависимости при изменении шага стержней для случаев треугольной и квадратной упаковки стержней существенно отличается. В сборках с треугольной упаковкой изменение шага стержней не влияет на зависимость гидравлического сопротивления от азимутального угла обтекания, которая является достаточно слабой (отношение максимального значения сопротивления к среднему значению по азимутальному углу обтекания составляет 1,12). В сборках с квадратной упаковкой стержней наблюдается сильное влияние шага стержней на азимутальную зависимость гидравлического сопротивления. При относительном шаге стержней 1,5 азимутальная зависимость сопротивления практически отсутствует, а при шаге 1,2 отношение максимального при изменении азимутального угла сопротивления к среднему достигает 1,62. Полученные результаты использованы для корректировки расчетных зависимостей для поперечных компонент тензора сопротивления в модели анизотропного пористого тела. Скорректированный вариант модели анизотропного пористого тела с уточненными соотношениями для главных компонент тензора сопротивления использован при модернизации программного комплекса для описания нестационарных трехмерных процессов тепломассопереноса в теплообменных устройствах перспективных ЯЭУ. Направление 2. Разработана трехпараметрическая модель взаимодействия турбулентного потока с шероховатой стенкой, использующая основные, наиболее достоверно установленные экспериментальные факты, касающиеся описания поля скорости в слое развитой пристенной турбулентности, контактирующей с зоной шероховатости стенки. Модель позволяет получить описание распределения скорости в пристенной области потока, включающее два параметра – высотный размер шероховатости и фактор формы шероховатости Фш – скалярный параметр, определяемый только размерами и формой шероховатости. Дано определения фактора формы шероховатости Фш и предложены способы его экспериментального измерения. Модель реализована для случая однородной и изотропной шероховатости для описания технической и естественной шероховатости, а также для искусственной шероховатости в виде резьб, навивок, вставок и т.п. Установлены определяемые ГОСТом и доступные для измерения с помощью существующих технических средств параметры, от которых зависят факторы формы для данных типов шероховатостей. То есть, согласно модели, константа логарифмического профиля скорости зависит от трех геометрических параметров: высоты и ширины выступов шероховатости, и изменения пористости по высоте выступов. Примером однородной изотропной шероховатости является песочная шероховатость. С использованием разработанной модели выполнены расчеты гидравлической характеристики (зависимости гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса) круглых труб с песочной шероховатостью стенок различного размера и типа, включая случай переменной по периметру трубы шероховатости. Результаты расчета сопротивления для труб с песочной шероховатостью с высокой точностью согласуется с известными экспериментальными данными Никурадзе. Направление 3. В отчетный период была усовершенствована разработанная на предыдущих этапах работы по проекту методика диагностики переходных режимов теплообмена от конвекции к пузырьковому кипению и от пузырькового кипения к пленочному, которая основана на амплитудно-частотном анализе флуктуаций перегрева теплоотдающей поверхности. Показана возможность ее применения при вынужденном движении насыщенной и недогретой до температуры насыщения воды. Была создана новая экспериментальная установка, позволяющая измерять флуктуации перегрева рабочего участка (платиновой проволоки) во времени при вынужденном движении недогретой жидкости. Установка также обеспечивала стабилизацию температуры теплоносителя на входе в рабочий участок и позволяла измерять флуктуации расхода теплоносителя. На основе результатов, проведенных экспериментальных исследований флуктуаций перегрева теплоотдающей поверхности в различных средах, при различных давлениях, недогревах, а также при различных условиях течения жидкости (в условиях естественной конвекции в большом объеме и при вынужденном движении) была разработана универсальная методика диагностирования переходных режимов (закипание теплоносителя и кризис теплоотдачи). Созданы и апробированы модули программного комплекса для диагностирующей системы переходных режимов теплообмена. Направление 4. Проведено исследование нестационарного кризиса теплоотдачи при кипении жидкого азота в большом объеме при атмосферном и повышенных давлениях в зависимости от темпа нарастания тепловыделения. Показано, что при малых темпах нарастания (меньше определенного граничного значения) величина критического нестационарного теплового потока близка к величине первого критического. При темпах нарастания близких к граничному значению нестационарный критический тепловой поток достигает минимального значения, а при больших темпах наблюдается монотонный рост нестационарного критического теплового потока с увеличением темпа нарастания. Предложена теоретическая модель, основанная на предположении равенства времени развития конвекции и интервала времени до момента закипания жидкости в случае наступления кризиса при минимальном нестационарном критическом тепловом потоке в жидкость. Результаты расчетов по разработанной модели хорошо согласуются с полученными экспериментальными данными. При повышенных давлениях жидкого азота обнаружены области неустойчивого пленочного кипения при нестационарном подводе тепла. Такие области метастабильного пленочного кипения наблюдаются в случае, когда величина отводимого теплового потока превышает значение минимального нестационарного критического теплового потока, но меньше чем значение второго критического (достижение которого является критерием для существования устойчивого пленочного режима кипения). Если критический тепловой поток больше второго критического, то пленочное кипение всегда является устойчивым. Направление 5. Обеспечение работоспособности элементов конструкций энергонапряженного теплообменного оборудования в среде тяжелых жидкометаллических теплоносителей требует учета в теплофизических расчетах температурных режимов конструкций контактных термических сопротивлений на границе поверхности теплообмена и теплоносителя. С этой целью были выполнены работы по экспериментальному исследованию изменения термических сопротивлений контакта свинца, предварительно расплавленного в вакууме, и конструкционных сталей в течение длительных изотермических выдержек в атмосфере аргона при температурах 600 и 650 °С. Установлено, что в таких условиях термическое сопротивление контакта свинца со сталью практически не изменяется при изотермических выдержках длительностью до 48 часов. Выполнены исследования изменения термических сопротивлений контакта свинца и конструкционных сталей при температурах 650 и 850 °С при множественных последовательных плавлениях в атмосфере аргона. Установлено, что с увеличением количества повторных плавлений наблюдается затухающий рост термического сопротивления контакта, который стабилизируется на уровне 1,3 10^-5 (м2•К)/Вт. Проведено исследование зависимости краевого угла смачивания свинцом окисленных и неокисленных поверхностей конструкционных сталей от времени изотермической выдержки. Установлено, что свинец не смачивает исследованные поверхности даже при выдержке в течение 24 часов при температуре 650 °С. Изучение структуры и элементного состава поверхности контакта свинца и стали 12Х18Н10Т, показали, что с ростом термического воздействия (T•τ) состояние контакта изменяется. При малых термических воздействиях тепловой контакт происходит через слой окислов и адсорбированных газов, разделяющие свинец и сталь, и локальные пятна непосредственного контакта свинца и стали. При больших термических воздействиях практически весь контакт осуществляется через слой окислов и адсорбированных газов.