Вивчення потоку в природній циркуляції двофазного гелію в перехідному режимі
Вивчення потоку в природній циркуляції двофазного гелію в перехідному режимі
Двофазні гелієві природні циркуляційні петлі використовуються як великомасштабні надпровідні магнітні системи охолодження завдяки властивим їм перевагам щодо безпеки та обслуговування. Прикладами є детектор CMS в CERN (який уже працює) або магніти спектрометра R3B-GLAD при GSI (в установці). Однією з головних проблем, що виникають під час охолодження при кип’ятінні, є криза кипіння: раптова деградація теплопередачі стінки за межі певного значення теплового потоку, що називається критичним. В результаті підвищення температури стінки може призвести до втрати надпровідного стану магніту.
Природні цикли циркуляції гелію вже досліджені експериментально та чисельно в стаціонарному стані, особливо в докритичних режимах (ядерне кипіння). Робота з переносу маси та тепла при кипінні гелію в перехідному стані, представлена в літературі, в основному стосується невеликих систем, дуже вузьких або занадто коротких каналів або кипіння у ванні. Хоча якісно схожа поведінка очікується, екстраполяція цих результатів до природного циклу циркуляції не є очевидною, якщо це можливо. Ось чому необхідне спеціальне дослідження перехідної термогідравлічної поведінки гелієвих петель в природній циркуляції під час раптового збільшення теплового навантаження.
Частина цього дослідження складається з експериментів на природно циркулюючій двофазній гелієвій петлі висотою 2 м при 4,2 К. Випробувано дві вертикальні нагріті ділянки різного діаметру (10 і 6 мм) та довжиною приблизно 1 м. Перехідні процеси викликаються раптовим сплеском потужності. Розглядалися два типи початкових умов: статичні (без початкової потужності) та в динамічній рівновазі (ненульова початкова потужність). Вимірювали еволюцію температури стінки вздовж ділянки, масову витрату та перепад тиску.
Серед інших явищ, сильний інтерес був викликаний початком киплячої кризи. Визначено кінцеві граничні значення теплового потоку, при яких виникає криза. З одного боку, було помічено, що криза може відбуватися тимчасово або постійно при потужності, значно нижчій, ніж у постійному режимі. З іншого боку, збільшення початкової циркуляції через початковий тепловий потік може частково або повністю стримувати цю передчасну кризу кипіння. Було встановлено, що це погіршення тепловіддачі є результатом двох конкуруючих явищ, справді властивих природній циркуляції: початковий етап рівномірного накопичення пари з інверсією або зменшенням швидкості на вході, і подальше встановлення циркуляції з транзит холодного фронту від входу. Напівемпіричний аналіз дозволив нам визначити критерій, заснований на динамічній еволюції просторового профілю масового титру, для прогнозування настання кризи. Тим не менше, необхідно апріорі знати еволюцію масового потоку, щоб мати можливість застосовувати цей критерій.
Остання частина цієї роботи присвячена виробництву та валідації моделей та засобів розрахунку для моделювання термогідравлічної поведінки такої системи. Представлено два варіанти моделювання. Одне - спрощення рівнянь одновимірної однорідної моделі двофазних потоків (реалізація в COMSOL); інший використовує однорідну модель такою, якою вона є (запрограмована на С). Імітації масового потоку досить добре узгоджуються з вимірами, за винятком незначного часового зсуву фази. Це може бути пов'язано з поєднанням затримки приладів для вимірювання витрати та неточністю основних припущень однорідної моделі під час дуже бурхливих перехідних процесів.
Вивчення двофазних циклів природного циркулювання гелію в перехідному режимі
Киплячі гелієві природні циркуляційні петлі використовуються як система охолодження великих надпровідних магнітів через властиві їм переваги безпеки та обслуговування. Прикладами можуть служити системи охолодження електромагнітного магніту детектора CMS у CERN (який уже працює) або спектрометричного магніту R3B-GLAD у GSI (на стадії встановлення). Основним занепокоєнням у системах охолодження, що кипить, є криза кипіння: раптове погіршення тепловіддачі стінки має місце, коли поверхневий тепловий потік перевищує певне значення, яке називається критичним тепловим потоком (CHF). В результаті високі температури на стіні в кінцевому рахунку можуть спричинити втрату надпровідного стану магніту.
Цикли природної циркуляції гелію вже досліджені експериментально та чисельно в стаціонарному стані, особливо в докритичних режимах тепло- і масообміну (кип'ятіння ядер). Роботи з перехідного киплячого тепло- і масообміну в гелії, присутні в літературі, в основному зосереджені на невеликих системах, дуже вузьких каналах, занадто коротких трубах або кип'ятінні в басейні. Незважаючи на те, що, як очікується, буде виявлено якісну схожість із вже спостеріганою поведінкою, екстраполяція до природного циркуляційного циклу є непростою, якщо навіть можлива. Звідси необхідність проведення спеціального дослідження перехідної термогідравлічної поведінки контурів природної циркуляції гелію після раптового збільшення теплового навантаження контуру.
Частина цього дослідження складається з експериментів, проведених у двометровій двофазній циклі природної циркуляції гелію при температурі 4,2 К. Випробовували дві вертикальні нагріті секції з різним діаметром (10 і 6 мм) і довжиною близько 1 м. Перехідні процеси теплового навантаження приводились у дію з допомогою імпульсного теплового навантаження. Були вивчені перехідні процеси з двома типами початкових умов: статична петля (початкова потужність не застосовується) та петля динамічної рівноваги (ненульова початкова потужність). Вимірювали еволюцію температури стінки вздовж нагрітої ділянки, загальну масову витрату та перепад тиску.
Серед інших явищ особлива увага приділяється характеру початку кризи кипіння. Визначено значення граничних граничних теплових потоків для його виникнення. З одного боку, ми спостерігали, що криза кипіння може відбуватися тимчасово або стабільно при потужності, значно нижчій, ніж у стійкому стані. З іншого боку, збільшення початкової циркуляції, збільшуючи початковий тепловий потік, може частково або повністю стримувати цю передчасну енергетичну кризу кипіння. Ми могли б визначити, що це погіршення тепловіддачі є результатом двох конкуруючих явищ, істинно властивих особливості природної циркуляції системи: початковий етап рівномірного накопичення пари із зворотним потоком на вході або зменшенням швидкості, і зовнішній початок циркуляції з транзит холодного фронту від входу. Напівемпіричний аналіз даних дозволив визначити критерій, заснований на динамічній еволюції профілю якості у розділі, для прогнозування початку кризи кипіння. Стало очевидним, що необхідно знати, як буде розвиватися масовий потік системи, щоб застосувати згаданий критерій.
Отже, інша частина цієї роботи спрямована на виготовлення та перевірку моделей та розрахункових інструментів для моделювання термогідравлічної поведінки двофазної циркуляції природного гелію. Запропоновано два варіанти моделювання. Один з них полягає у спрощенні одновимірних однофазних однорідних рівнянь моделі (реалізований у COMSOL), а інший - у повній версії (закодований мовою С). Імітований масовий витрата представляє досить добре виміряну еволюцію, за винятком відносно невеликого часового фазового зсуву. Це може бути пов'язано з поєднанням затримки вимірювальних приладів вимірювання потоку з неточністю основних однорідних припущень моделі під час сильних перехідних процесів.