Численное и экспериментальное моделирование конвективного теплообмена при течении жидкого металла в кольцевой трубе

Выполнено численное моделирование характеристик процессов гидродинамики и теплообмена в изогнутой в виде кольца трубе, расположенной в горизонтальной плоскости. Однородно обогреваемый участок характеризуется отношением радиуса кольца к внутреннему диаметру трубы, равным 25. Дифференциальные уравнения сохранения движущейся в трубе сплошной среды записываются в криволинейной системе координат. За основу берутся уравнения в цилиндрических координатах, включающие добавочные слагаемые, появляющиеся при переходе к системе координат для кольцевой области. При этом геометрия задачи не изменяется, это по-прежнему прямая труба в цилиндрических координатах. При вычислениях используется структурированная расчетная сетка и учитывается влияние термогравитационной конвекции. Проведены экспериментальные исследования теплообмена при течении жидкого металла в обогреваемой трубе с внутренним диаметром 19 мм и радиусом изгиба 0.5 м. Испытания выполнены на ртутном стенде ОИВТ РАН в диапазоне чисел Рейнольдса 11000÷80000 и разных тепловых нагрузках. Применен зонд с корреляционным датчиком, состоящим из двух микротермопар. Специальный механизм позволяет непрерывно перемещать двухкоординатный измерительный зонд в сечении трубы, удаленном от входа в зону обогрева на расстояние 76 калибров. В этом сечении, находящемся в стабилизированной области неизотермического турбулентного течения, подробно измерены поля осредненной скорости и температуры. Установленные параметры, представленные в безразмерном виде, сопоставлены с аналогичными результатами численного моделирования. Обнаружено значительное влияние инерционных и гравитационных сил на распределения скорости и температуры в сечении потока, приводящее к существенной неоднородности нагрева стенки по периметру рассматриваемого сечения трубы. Результат сравнения опытных и расчетных данных получился удовлетворительным.