Файл: Козырев, А. П. Теория тепловых и гидродинамических процессов в атомных энергетических установках учеб. пособие.pdf

— 3 - - 5 - 3

Вихреобразование является источником пульсаций дав­ лений и переменной возыущащей силы, возникающей в ре­ зультате периодического изменения эпюры давлений на цилиндрической поверхности. Экспериментальные иссле­ дования автоколебаний цилиндров в потоке воздуха по­ казали, что амплитуда колебаний плавно росла с увели­

частотой собственных колебаний трубок.

В трубном пучке, как показали опыты, упруго закреп­ ленный цилиндр колеблется в плоскости, перпендикуляр., ной направлению набегающего потока, значительно интен­ сивней, чем одиночный. При этом амплитуда с увеличе­ нием скорости плавно растет, а четко выраженных резо-

199

■

неясных явлений не наблюдается. Это объясняется тем, что благодаря множеству беспорядочных импульсов от других цилиндров выше по потоку сильной пульсации давления нет. Условия возникновения резонансных явлений зависят от геометрии пучка, при этом число Струхаля для каждого

пучка постоянно и находится в пределах 0,17 -0,31 . С ро­ стом числа трубок в пучке при заданном продольном и по­ перечном шаге амплитуда резонансных пульсаций растет.

В практических расчетах на вибропрочность теплооб­ менных аппаратов зачастую ограничиваются в первом при­ ближении определением собственных частот колебаний тру­ бок и по частоте срыва вихрей Кармана рассчитывают запас по отстройке от резонанса. Однако природа автоколебаний трубок в пучках, характер возмущающих и демпфирующих гидродинамических сил значительно сложнее. В детальных расчетах необходимо тщательно учитывать наиболее сущест­ венные виды рассеивания энергии в конструкции, гидроди­ намическое и механическое демпфирование, величина кото­ рых зависит от типа теплоносителя и конструкции аппара­ та.

Следует отметить, что, хотя вопросы исследования

проблемы относятся к числу наименее разработанных в теоретическом и экспериментальном плане.

При продольном обтекании ТВЭЛ также существуют гид­ родинамические причины вибрации. Для примера в чисто качественном отношении проанализируем поведение пла­ стинчатого ТВЭЛ, жестко закрепленного по бокам по всей

200

где Е_ - модуль упругости;

д- толщина пластины ;

а- расстояние между пластинами; t - ширина пластины;

f - удельный вес теплоносителя.

201

Аналогичные причины гидродинамической вибрации могут иметь место в плотно упакованных стержневых сборках с малыми зазорами между стержнями при отсутствии эффек­ тивного выравнивания давления по гидравлически неравно­ ценным ячейкам.

Возникновение незатухающих колебаний (потеря устой­ чивости) может привести к пластической деформации ТВЭЛ, усталостному разрушению материала или перекрытию кана­ ла теплоносителя с последующим пережогом ТВЭЛ. Дистанционирование ТВЭЛ уменьшает стрелку прогиба, повышает жесткость конструкции и значительно усиливает сопро­ тивление потере устойчивости.

2 0 2

Глава б

КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

§33. Теплоотдача при свободной конвекции Теплоотдача в неограниченном объеме

Вэнергетике широко используются процессы передачи тепла, обусловленные разностью плотностей неодинаково нагретых частиц жидкой среды. При отсутствии внешнего побудителя движения среды такой процесс называется сво­ бодной или естественной конвекцией. Следует отличать естественную конвекцию от естественной циркуляции.

Хотя в обоих случаях движение среды вызвано разностью плотностей, но специфика свободной конвекции состоит

ввозникновении беспорядочных, неорганизованных токов между поверхностью нагрева и ядром жидкой среды, в то время как при естественной циркуляции движение вполне организованно, происходит под воздействием движущего напора контура и носит характер напорного движения.

Если на движение жидкости в районе поверхности на­ грева не оказывает влияние охлаждение ее в других час­ тях пространства, т .е . размеры тела, нарушащего теп­ ловое равновесие, малы по сравнению с объемом окружа­ ющей его жидкости, то имеет место естественная конвек­ ция в неограниченном объеме. В энергетических установ­ ках с такими случаями приходится сталкиваться при рас­ чете теплообмена от нагретых паропроводов, переборок, механизмов, электрических кабелей, ГТЗА и т .д . У на­ гретой поверхности слой среды нагревается, плотность уменьшается, нагретые слои устремляются вверх, а на их место поступают холодные объемы. Возникает конвекция.

203

Фотографирование движения воздуха около нагретой верти­ кальной поверхности показывает, что в нижней части об­ разуется ламинарный пограничный слой, затем ламинарная структура течения нарушается, и после переходной облас­ ти наблюдается типичный турбулентный пограничный слой. В соответствии с этим изменяется и коэффициент теплоот­ дачи по высоте (рис. 6 .1 ). Типичное распределение ско-

Рис. 6 .1 . Изменение коэффициента теплоотдачи при

свободном движении вдоль вертикальной стенки

рости и температуры по сечению пограничного слоя пока­ зано на рис. 6 . 2 .

М.А.Михеев в результате обработки опытных данных, полученных с разными жидкостями и газами при Рг ^ =-1

и с телами различной геометрической формы (плиты, про­ волоки, трубы, шары и т .д .), показал, что все данные

обобщаются зависимостями типа

205