Разработка расчетных моделей и численный анализ неоднородных режимов течения в каналах индукционных МГД-машин

Актульность проблемы. Магнитогидродинамические (МГД) машины различного типа с жидкометаллическим рабочим телом нашли широкое применение в таких областях техники как ядерная энергетика, металлургия и химическая промышленность [1,2,3,4]- Перспективы развития ядерной энергетики во многом связаны с реакторами на быстрых нейтронах, обладающими возможностью воспроизводить ядерное топливо и позволяющими более полно использовать природный уран [5]. Теплоноситель в реакторе на быстрых нейтронах должен быть слабым замедлителем и обеспечивать отвод тепла при высокой плотности энерговыделения. Жидкие металлы отвечают этим требованиям. Наибольшее применение в качестве жидкометаллического теплоносителя в экспериментальных и промышленных реакторах нашел натрий, имеются попытки использовать также сплав натрий-калий, ртуть, свинец.

В настоящее время индукционные МГД-насосы или электромагнитные насосы (ЭМН) используются во вспомогательных системах реакторов на быстрых нейтронах и сопутствующих им экспериментальных и о технологических установках. ЭМН с расходом натрия до 500 м /ч будут применены в системах расхолаживания основных контуров строящегося реактора БН-800 и проектируемого БН-1800. Кроме того, рассматривается возможность применения электромагнитных насосов с расходом 25 000 м /ч в качестве главных циркуляционных насосов реактора БН-1800.

Электромагнитные насосы обладают рядом неоспоримых достоинств, среди которых отсутствие движущихся механических частей, уплотнителей, сложных подшипниковых узлов, и, как следствие, высокая надежность, легкость управления и простота обслуживания.

Среди ЭМН большой мощности наибольшее распространение получили трехфазные цилиндрические линейные индукционные насосы (ЦЛИН). В нашей стране в НИИЭФА им. Д. В. Ефремова были разработаны и успешно испытаны насосы ЦЛИН-5/700, ЦЛИН-5/850, ЦЛИН-8/1200, ЦЛИН-3/3500 с расходами 700, 850, 1200, 3600 м /ч и развиваемыми давлениями 0.5, 0.5, 0.8 и 0.3 МПа соответственно. Насос ЦЛИН-5/700 был в 1977 г, установлен во второй контур реактора БОР-бО, где безаварийно проработал 34 000 ч. Самым мощным ЭМН, разработанным в нашей стране, является ЦЛИН-3/3500, предназначенный для одной из петель второго контура реактора БН-350 [6]. Насос развивает давление 0.3 МПа, расход натрия 3600 м /ч при его температуре 300 °C, потребляемая мощность 980 кВт, напряжение 650 В при частоте тока в сети 50 Гц, КПД 30%, масса 17 000 кг. Самым мощным в мире на сегодняшний день ЭМН является индукционный насос с каналом цилиндрического типа с расходом натрия 9600 м3/ч и давлением 0.25 МПа [7], разработанный и испытанный в США.

Для мощных ЭМН характерны большие значения расхода, развиваемого давления и крупные размеры, следствием чего является увеличение характерных параметров — магнитного числа Рейнольдса Rm, числа Гартмана На, параметра МГД-взаимодействия N. Увеличение магнитного числа Рейнольдса свидетельствует об усилении индуцированного магнитного поля, что приводит к существенной зависимости характеристик ЭМН от характера распределения токов. При превышении некоторого критического значения (Rm)crit возникает так называемая МГД-неустойчивость течения рабочего тела, связанная с образованием сильно неоднородного профиля скорости. Это отражается на рабочей характеристике — развиваемое насосом давление при наличии МГД-неустойчивости имеет характерный провал. Следствием МГД-неустойчивости являются низкочастотные колебания давления, расхода и других параметров насоса и сопутствующие им вибрации насоса и контура, недопустимые на практике. Кроме того, для индукционных ЭМН при любых Rm характерны колебания параметров с удвоенной частотой питающего обмотку тока. Все перечисленные факторы отрицательно влияют на эффективность ЭМН большой мощности.

Электромагнитные насосы малой и средней мощности, работающие при малых магнитных числах Рейнольдса, достаточно хорошо исследованы экспериментально и теоретически. Поле индуцированных в металле токов в этом случае мало в сравнении с приложенным полем, что позволяет решать отдельно электромагнитную и гидродинамическую задачи (так называемое безындукционное приближение). Значительное упрощение исходной задачи способствовало разработке достаточно простых инженерных методов расчета параметров ЭМН малой и средней мощности. Для мощных электромагнитных насосов индуцированным полем в общем случае пренебречь нельзя, и его учет при наличии жидкого проводника приводит к новым явлениям, не встречающимся в классических электрических машинах.

Существует ряд работ по экспериментальному исследованию ЭМН, работающих при больших параметрах электромагнитного взаимодействия. Так в НИИЭФА им. Д. В. Ефремова были проведены экспериментальные исследования нескольких мощных цилиндрических линейных индукционных насосов, работающих при расходах металла до 3600 м /ч, в том числе в условиях существования МГД-неустойчивости течения [6,8,9,10,11]. Эти эксперименты включали в себя исследование структуры магнитного поля в зоне индуктора, интегральных характеристик насоса, влияния конструктивных особенностей ЦЛИН на проявление МГД-неустойчивости, взаимосвязь между явлением МГД-неустойчивости и низкочастотными колебаниями параметров насоса.

Специфический характер напор-расходных характеристик ЭМН с плоским каналом при конечных магнитных числах Рейнольдса также обнаружен в ряде работ, например в [12,13].

Однако, теоретические аспекты явления МГД-неустойчивости были исследованы недостаточно. Существует ряд теоретических работ на основе одномерной струйной модели течения [14,15,16,17,18]. Одномерные модели позволяют получать интегральные и часть локальных характеристик ЭМН, но ввиду заложенных в них ограничений не позволяют в полном объеме описать явление МГД-неустойчивости. Для получения более полной картины неоднородного течения металла в канале ЭМН необходимо совместное решение двумерной электромагнитной и гидродинамической задач. Из-за наличия конвективных слагаемых задача является нелинейной и ее аналитическое решение в общем случае невозможно. Таким образом, построение более совершенных расчетных моделей, основанных на совместном численном решении двумерных электромагнитной и гидродинамической задач, и анализ с их помощью режимов течения в каналах мощных ЭМН является актуальной задачей. Целью работы являлось:

1. Построение расчетных моделей, способных описывать неоднородные течения жидкого металла в каналах индукционных ЭМН с учетом индуцированных в металле токов;

2. Анализ возникновения и развития неоднородного режима течения металла по длине и ширине канала ЭМН;

3. Оценка влияния на режим течения металла конструктивных особенностей насоса, таких как неоднородность приложенного поля по азимутальной координате;

4. Оценка критических значений параметров МГД-взаимодействия, определяющих границу области устойчивой работы насоса;

5. Расчет с использованием построенных моделей локальных и интегральных характеристик ЭМН, таких как распределение результирующего магнитного поля в канале, поля скоростей, развиваемого насосом давления, амплитуд пульсаций давления для большого набора рабочих режимов, сравнение полученных результатов с экспериментом.

Научная новизна и результаты, выносимые на защиту.

1) Разработаны и реализованы в виде вычислительных программ (EMP2D-JET и EMP-MHD2D) квази-двумерная и полностью двумерная модели течения металла в канале электромагнитного насоса.

2) С использованием разработанных моделей проанализирован процесс потери устойчивости однородного течения в канале ЭМНполучены критические значения характерных параметров процесса, позволяющие определять границы перехода к неоднородному режиму течения.

3) Показано, что при работе насоса в области МГД-неустойчивости течение в канале имеет вихревой характер.

4) Установлено, что существенный рост амплитуд низкочастотных пульсаций давления в области неустойчивой работы насоса в значительной степени обусловлен вихревым характером течения металла.

Практическая ценность Разработанные модели используются для расчетов характеристик мощных индукционных ЭМН, в частности для реакторов БН-800 и БН-1800. Они позволяют:

— рассчитывать основные локальные и интегральные характеристики индукционных ЭМН с учетом развития МГД-неустойчивости течения;

— определять границу области устойчивой работы насоса;

— оценивать эффективность методов стабилизации течения, подавления пульсаций низкой частоты и удвоенной частоты источника питания. Апробация результатов и публикаций.

Результаты диссертации опубликованы в 4 работах [19,20,21,22], докладывались на международной конференции по «Фундаментальной и прикладной магнитной гидродинамике» (Рига, 2005 г.).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Диссертация изложена на 100 машинописных листах, содержит 34 рисунка, 6 таблиц и список литературы из 40 наименований.

Основные результаты работы сформулировать следующим образом.

1. Решена новая научно-техническая задача, имеющая важное практическое значение для создания электромагнитных насосов для ядерных энергетических установок. Разработанные модели используются при расчете характеристик индукционных ЭМН для нового поколения реакторов на быстрых нейтронах.

2. Проведенный анализ показал, что превышение критических значений характерных параметров исследуемых процессов — магнитного числа Рейнольдса Rms и параметра МГД-взаимодействия N, приводит к формированию вихревого течения в канале ЭМН.

3. Следствием вихревого течения металла является наблюдаемый в экспериментах значительный рост амплитуд низкочастотных пульсаций характеристик насоса.

4. Результаты расчета границ области устойчивой работы насосов типа ЦЛИН, распределения результирующего магнитного поля, поля скоростей, развиваемого давления удовлетворительно согласуются с экспериментом.

5. Разработанные модели позволяют качественно описать пульсации давления с удвоенной частотой источника питания и низкой частоты, что также является существенным достижением, так как пульсации давления низкой частоты впервые охарактеризованы количественно при помощи расчетных моделей, а исследуемое явление МГД-неустойчивости достаточно сложно для анализа.

Заключение

.