Современное сложное оборудование и системы, применяемые в энергетике, транспорте, машиностроении требует обязательной оценки их технологичности, эффективности, а также очень важного – это их безопасности. Проведение натурных испытаний и экспериментов, особенно с габаритными установками, часто подчас невозможно, а если и возможно, то затрачивает колоссальные материальные и человеческие ресурсы. Для решения возникающих проблем в настоящее время принято повсеместно внедрять различные методы моделирования процессов протекающих в этом оборудовании.

С развитием компьютерных технологий стало возможным моделирование потоковых процессов в различных программных средах. Под потоковыми процессами понимают процессы смешения изотермических и неизотермических потоков, стратификация, естественная конвекция и другие процессы в гидродинамики.

Явления и процессы смешения жидкостей широко и постоянно встречаются в природе повсеместно при массообмене теплых или холодных потоков воздуха или воды вихревыми структурами. За последнее десятилетие накоплены обширные экспериментальные данные. Поскольку процесс смешения так часто встречается как в промышленности, так и а повседневной жизни, это создаёт иллюзию полного понимания данного процесса.

Это коснулось и энергетики, в частности ядерной, где моделирование процессов протекающих в оборудовании паро-генерирующего блока не менее важно.

С помощью программных средств, используемых вычислительной гидродинамикой, возможно, визуализировать потоковые процессы в оборудовании ЯЭУ.

Одной из центральных задач, которые должны быть решены для внедрения программ CFD расчета в практику расчетного обоснования реакторных установок, является создание экспериментальной базы. Существующая экспериментальная база, основанная на использовании традиционных систем измерения, практически непригодна для адаптации и верификации программ трехмерного расчета к описанию неизотермических потоков. Существует достаточно представительная экспериментальная база, пригодная для верификации CFD программ к описанию изотермических течений, эта база традиционно используется в автомобильной, авиационной, аэрокосмической промышленности, а высокая актуальность описания неизотермических потоков является специфической особенностью атомной энергетики. Формирование представительных для описания неизотермических потоков экспериментальных данных стало возможным в последние годы, одновременно с появлением систем измерений, позволяющих одновременно определять поля параметров (лазерные методы измерения поля температур и скоростей PIV, LDV, PLIF), тепловизионные методы измерения поля температур, сеточные датчики измерения поля концентраций [6].

Моделирование процессов турбулентного переноса основано на прямом численном решении системы дифференциальных уравнений движения и неразрывности, записанных для мгновенных (актуальных) значений параметров турбулентного потока. Так, например, движение потока несжимаемой жидкости с постоянной вязкостью описывается системой уравнений, включающих уравнение движения в форме Навье-Стокса и уравнение неразрывности.

Уравнение неразрывности:

(1)

Уравнение движения в форме Навье-Стокса:

(2)

(3)

(4)

Система уравнений является замкнутой, поскольку имеется 4 уравнения для определения 4 искомых величин u,v,w,p. Однако математическая формулировка задачи в целом остается незамкнутой из-за неопределённости начальных и граничных условий однозначности [4].

Установка для изучения смешения неизотермических потоков представляет собой кювету. Материал двух ее стенок (передняя и боковая) - прозрачное оргстекло толщиной 12 мм. Другие стенки (боковая и передняя) сделаны из стали (Сталь 3), покрытой черной матовой краской. Это необходимо для исключения влияния отражения от поверхности. Параметры и габаритные размеры показаны на рисунке. В настоящей работе изучалось температурное поле модели с подводом струи снизу в объем.

Рис.1 Габаритные размеры кюветы для моделирования процесса смешения

При измерении в качестве выходных данных были получены термограммы температурных полей на поверхности кюветы. Этими данными (в первом приближении) можно в дальнейшем оперировать в качестве граничных условий и для сравнения с компьютерным моделированием смешения неизотернических потоков в других моделях. В результате проделанной работы был накоплен большой объем экспериментальных данных.

При обработке термограмм исследовались максимальная, минимальная, средняя температуры по области смешения потоков, а также на линии, проходящей через центр ядра потока. Также были определены границы смешения (координаты вдоль осей х и у потока). Получены соответствующие графики в зависимости от времени смешения. Из графиков видно, что зависимость температур от времени смешения подчиняется экспоненциальному закону, а вот изменение области смешения имеет максимумы, что, скорее всего, связано с неустойчивостью потока. Поэтому задачей на будущее будет являться снижение этой неустойчивости и уменьшение градиентов по расчетной области смешения. Для этих целей было предложено впрыскивать в объем двухкомпонентную смесь (вода+газ (воздух)).

Рис.2 График зависимости температуры области смешения от времени

Рис.3 График зависимости длины области смешения и ширины области смешения от времени

Рис.4, 5 Одиночный кадр смешения (термограммы смешения) фронтальная проекция

На рисунках 6 и 7 изображено смешение неизотермических потоков подачей потока с добавкой газа (одиночный совмещенный кадр (съемка производится одновременно тепловизионной и фотокамерой)).

Рис.6 Передняя проекция (съемка тепловизионной камерой) Рис.7 Задняя стенка кюветы

При анализе результатов съемки впрысков неизотермического потока без добавки (газ) и с добавкой было определено, что в среднем градиент температур (разность между максимальной и минимальной температурами вдоль линии смешения) для двухкомпонентного потока меньше в среднем в 2 раза.

Рис.8 График зависимости градиента температуры для однокомпонентного и двухкомпонентного потоков от времени

Полученные граничные условия и данные потребовали сравнения и верификации в программах CFD моделирования (вычислительная гидродинамика). Полученные результаты показаны на рисунке 9. Для моделирования и верификации результатов использовался анализ впрыска однокомпонентного потока. Для этого применялась расчетная программа Solid Works Flow simulation. Картина оказалась близка к экспериментальной.

Рис.9 Моделирование процесса смешения в программе SW Flowsimulation