Хміль Д. П. Теплообмін і просторова структура розподілу теплофізичних властивостей надкритичної води в трубах за умов змішаної конвекції

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і завдання досліджень, наведено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів, визначено особистий внесок здобувача, представлено інформацію щодо апробації, структури і обсягу дисертації. Перший розділ дисертації присвячено аналізу фахових джерел, що стосуються дослідження закономірностей теплообміну в каналах при надкритичних тисках. Розглянуто особливості CFD моделювання досліджуваної фізичної ситуації. Наведено результати аналізу стану досліджень течії і теплообміну надкритичної води за умов змішаної конвекції. Певну увагу приділено розгляду робіт, пов’язаних з дослідженням розподілів у потоках теплофізичних властивостей надкритичних теплоносіїв. На основі виконаного аналізу стану розглянутої проблеми сформульовано мету та основні завдання, що вирішуються у дисертаційній роботі. У другому розділі висвітлюються особливості методики математичного і комп’ютерного моделювання відповідно до завдань роботи. Наводиться математична модель досліджуваного процесу, що відповідає осесиметричній нелінійній задачі течії і теплопереносу надкритичної води у вертикальних гладких нагріваних трубах. Представлено дані щодо верифікації моделі турбулентного переносу для досліджуваної фізичної ситуації. Наведено також результати аналізу стосовно застосування вибраної моделі турбулентності для різних режимів теплообміну за умов висхідної течії надкритичної води в трубах. Третій розділ присвячено дослідженню змішаної конвекції надкритичної води при висхідній течії у вертикальних нагріваних трубах за умов середніх значень масових швидкостей води і різних величин підведених до стінки теплових потоків. Наводяться результати CFD моделювання закономірностей течії надкритичної води для досліджуваної фізичної ситуації. Зокрема показано, що режим змішаної конвекції спостерігається лише на певній центральній по довжині ділянці труби. При цьому в межах локалізації зони змішаної конвекції її прояв по довжині каналу зростає, досягає максимуму і далі спадає. Представлено дані досліджень щодо особливостей течії надкритичної води при варіюванні величини густини теплового потоку q на стінці труби від 239 до 310 кВт/м2. Показано, що протяжність по довжині каналу зони змішаної конвекції в його центральній ділянці суттєво зростає з підвищенням теплового потоку q. При цьому чим більше значення q, тим ближче до вхідного перерізу труби починається дана зона і тим далі від нього закінчується. Більш яскраво виражений локальний максимум на М-подібних профілях швидкості надкритичної води відповідає більшим значенням підведеного до стінки каналу теплового потоку q. У четвертому розділі висвітлюються результати виконаних досліджень з визначення просторових розподілів теплофізичних властивостей надкритичної води в каналах при різних значеннях підведеного до стінки теплового потоку за умов змішаної конвекції. На основі розв’язку осесиметричної нелінійної задачі теплопереносу при течії надкритичної води в каналах встановлено особливості її температурних полів, за якими здійснюється побудова цих розподілів. Виконано аналіз закономірностей руху фронтів псевдофазового переходу, які значною мірою визначають характер розподілу теплофізичних властивостей надкритичної води в каналах. Наводяться дані CFD моделювання щодо закономірностей структури просторового розподілу коефіцієнта теплопровідності надкритичної води в каналах. Показано, що має місце немонотонний характер полів теплопровідності вниз за потоком спостерігається локальне підвищення коефіцієнта теплопровідності, зона якого тим більша і тим далі розташована від вхідного перерізу, чим менше значення підведеного до стінки теплового потоку. Наукова новизна отриманих результатів: • За результатами порівняльного аналізу моделювання конвективного теплообміну з врахуванням і без врахування архімедових сил для висхідних потоків надкритичної води у вертикальних гладких трубах виявлено ефект локального по довжині труби прояву помітного впливу архімедових сил на картину течії та встановлено його залежність від визначальних факторів. • Встановлено наявність кореляції радіальних профілів осьової швидкості надкритичної води зі зміною по довжині каналу локального числа Річардсона. • Виявлено закономірності впливу величини густини теплового потоку на стінці труби на протяжність по довжині каналу зони змішаної конвекції, швидкість руху фронту псевдофазового переходу тощо. • Виявлено особливості структури просторових розподілів фізичних властивостей надкритичної води (коефіцієнта теплопровідності, питомої теплоємності, в’язкості та густини) при її висхідній течії в вертикальних каналах та встановлено закономірності впливу на вказані розподіли архімедових сил і густини теплового потоку, що підводиться до стінок каналу.