Влияние эффектов вихреобразования и закрутки потока на теплогидравлическую эффективность и безопасность работы транспортных ядерных энергетических установок

Актуальность темы проекта, посвященного совершенствованию транспортых (судовых) ядерных энергетических установок (ЯЭУ), непосредственно связана с проблемой освоения Арктики. Целью проводимых фундаментальных теплофизических исследований является разработка методов расчетного моделирования и диагностики состояния потоков теплоносителя и рабочих сред для научного обоснования оптимальных проектных решений, обеспечивающих повышенный ресурс эксплуатации ледокольных ЯЭУ нового поколения с реакторными установками интегрального типа.Проектом предусмотрено проведение комплексных экспериментально-теоретических исследований по выявлению влияния эффектов вихреобразования и закрутки потока на гидродинамику и теплообмен в элементах теплогидравлического тракта судовой реакторной установки интегрального типа. В качестве объектов расчетно-теоретического моделирования выбраны участки циркуляции теплоносителя в напорном коллекторе и системе компенсации давления первого контура, а также в трубной парогенерирующей системе второго контура, геометрия которых может приводить к генерации устойчивых крупномасштабных вихреобразований, обуславливающих появление звукового спектра частот акустических колебаний теплоносителя и рабочего тела. Проводимый анализ необходим для выработки рекомендаций по повышению теплогидравлической эффективности и обеспечению безопасности работы судовых ЯЭУ нового поколения.Уровень значимости предлагаемых исследований связан с необходимостью обеспечения широкого диапазона оперативного изменения мощностных режимов безопасной работы транспортных ЯЭУ, что существенно отличает этот вид ядерных энергетических установок от стационарных ЯЭУ, действующих на наземных атомных стациях (АЭС). Для решения проблемы устойчивой работоспособности транспортной ЯЭУ в переходных и динамических режимах в проекте обосновывается применение нового метода он-лайн диагностики – метода акустических резонансов. Данный диагностический метод позволяет осуществлять контроль состояния потоков теплоносителя и рабочих сред в режиме реального времени для предотвращения развития вибрационных и резонансных эффектов. Научная новизна предлагаемых исследований заключается в исследовании механизмов генерации устойчивых вихреобразований с учетом фазовых переходов (кавитации, испарения) в каналах сложной геометрии, приводящих к генерации частот акустических колебаний в области звукового диапазона, близких к собственным частотам элементов ЯЭУ, что влечет за собой опасность возникновения вибрационных процессов, приводящих к снижению прочностных характеристик теплообменных поверхностей, межконтурным течам и другим негативным последствиям.В результате выполнения проекта будут решены задачи по выявлению критериев и определению геометрических и режимных параметров, приводящих к устойчивой вихревой структуризации и крупномасштабной закрутке потока в коллекторной системе реакторной установки, в трубопроводной системе компенсации давления, в элементах парогенерирующих блоков транспортных ЯЭУ интегрального типа.На основе использования теории кризиса термодинамической устойчивость в проекте получат объяснение эффекты снижения теплогидравлической эффективности ЯЭУ при достижении критического расхода закрученного потока в каналах парогенерирующих систем, а также будут указаны способы интенсификации теплообмена в целях повышения термического КПД цикла энергопреобразования ЯЭУ.Одним из важных результатов выполнения проекта должно быть обоснование принципов расчетного моделирования, основанных на привлечении анализа термодинамической устойчивости для описания сложных вихревых потоков и выявления общих закономерностей, обуславливающих структурную устойчивость спирально-вихревого движения.Развитие нового подхода в физико-математическом моделировании сложных вихревых процессов необходимо для прогнозирования кризисных явлений, связанных со структурной перестройкой и фазовыми превращениями в текучих средах, и решения практических задач в области ядерной транспортной энергетики.Результаты работы предназначены для создания нового поколения более эффективных, надежных и малошумных транспортных ядерных энергетических установок, а также разработки энергетического и теплообменного оборудования, применяемого в авиационной и ракетно-космической технике, энергетике, химической и других отраслях промышленности.