Особенности режимов течения и теплопередачи жидкостей при сверхкритических давлениях

Общая характеристика гидродинамических и теплообменных процессов.

В настоящее время общее признание получила точка зрения, что обнаруженные в опытах специфические особенности процесса теплообмена и гидравлического сопротивления при сверхкритических давлениях связаны с весьма сильной и своеобразной зависимостью свойств вещества от температуры в состояниях, находящихся близко к критической точке или линии псевдофазового перехода.

При нагреве воды в каналах активной зоны ядерного реактора даже небольшие градиенты температуры в среде околокритических параметров будут вызывать значительные изменения свойств теплоносителя по поперечному сечению и длине канала. В этих условиях закономерности теплопередачи и гидравлического сопротивления в движущемся потоке могут иметь очень существенные отличия по сравнению с изотермическим течением.

Сильное уменьшение плотности среды при ее нагреве и переходе от пссвдожидкости к пссвдогазу приводит к термическому ускорению потока и возникновению в нем существенных по величине архимедовых сил. Следствием изменения соотношения сил (вязкости, инерции, гравитации), действующих на частицы движущейся жидкости, может быть коренная перестройка структуры потока и изменение всей динамики течения. Происходит существенная деформация профиля скорости и распределения касательных напряжений [4].

Ускорение потока в случае подъемного течения вызывает эффект «ламинаризации» (профиль скорости становится более вытянутым, похожим на профиль в ламинарном потоке).

Наличие термического ускорения и архимедовых сил нарушает линейный закон распределения касательных напряжений по радиусу трубы, характерный для стабилизированного течения жидкости с постоянными свойствами. При значительном влиянии указанных факторов касательные напряжения в потоке резко уменьшаются вплоть до образования области околонулевых, а затем и отрицательных значений, профиль скорости приобретает М-образную форму вследствие значительного ускорения потока вблизи стенки (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Профиль скорости (о) и распределение касательных напряжений (б) в трубе радиусом г₀ при подъемном течении жидкости сверхкритических параметров в режиме ухудшенной теплоотдачи (пунктиром показаны кривые в случае жидкости с постоянными свойствами) Архимедовы силы и термическое ускорение воздействуют как на осредненные параметры турбулентного потока, так и на его пульсационные характеристики, а следовательно, и на турбулентный перенос импульса и тепла. В результате снижения турбулентного переноса при околонулевых значениях касательных напряжений вблизи теплоотдающей стенки образуется зона повышенного термического сопротивления, или своего рода «запирающий слой», теплоотдача при этом ухудшается.

В случае развитого М-образного профиля скорости генерация турбулентности во внутренней области трубы усиливается, толщина «запирающего слоя» сокращается и теплообмен улучшается.