Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Набойченко Техника реакторного експеримента 2008

.pdf
Скачиваний:
78
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
1.95 Mб
Скачать

установки или стенкой канала. Экраны и образец по длине настолько велики, что влиянием теплоотвода в торцы можно пренебречь.

Физические условия рассматривают образец, экраны и обечайку установки с теплопроводностью λ = const при расчете поля температуры внутри элемента, но λ = f (Т) при рассмотрении задачи в целом.

В образце, экранах и обечайке (стенке канала) действуют внутренние источники тепла qV, k, k +1 (Bт/см3).

Любой из экранов может быть нагревателем, и тогда его источники тепла можно выразить:

qV, k, k +1 = qV, k, k +1, p +qV, k, k +1, э ,

qV, k, k +1, p внутренние источники тепла при действии радиации; qV, k, k +1, э = j2R – внутренние источники тепла при действии элек-

трического тока; j – плотность электрического тока (А/см2), ρ – удельное электросопротивление (Ом/cм).

Пространство между экранами может быть:

заполнено газом с коэффициентом теплопроводности λk 1, k ,

который постоянен при рассмотрении теплопередачи между экранами и зависит от температуры при рассмотрении общей задачи;

вакуумировано. Заданы:

интегральные степени черноты экранов; температура окружающей среда Tс и α.

Источники тепла между экранами отсутствуют qV,k 1, k = 0 .

Процесс передачи тепла осуществляется:

между экранами – излучением, теплопроводностью и конвекци-

ей;

в экранах – теплопроводностью; с внешней поверхности обечайки с коэффициентом тепло-

отдачи α.

Временные условия задают установившийся режим: dT / dτ = 0 .

71

Граничные условия

 

1) Краевые:

 

а) теплоотдача с внешней поверхности

 

Qn = 2παRn (Tn Tc ) ,

(6)

где Qn – погонный тепловой поток с внешней поверхности обечай-

ки (стенки канала);

Tn – температура обечайки; Tc

– температура

внешней среды;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) поле температуры симметрично относительно образца

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dT / d r

 

r =0 =0 ;

 

 

(7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) поток тепла между экранами:

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

= 2π [ε

k 1,k

σ

R

(T 3

+T

2 T +

T 2 +T 3 )+

 

 

k 1,k

 

 

 

 

 

0 k 1

 

 

k 1

 

k 1 k

k 1 k

k

(8)

 

+ nk λk 1,k / ln(Rk / Rk 1)](Tk 1 Tk ) = hk 1,k (Tk 1 Tk ),

 

 

где ε

k 1,k

=[1/ ε

k 1

+(1/ ε

k

1

1)(R

 

/ R )]1 – приведенный коэф-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k 1

 

k

 

 

 

фициент интегральной степени черноты.

Более подробно последние соотношения рассматривается в разделе 3.1;

3) поток тепла между газом и твердой стенкой определяется соотношением

Qk = −2πλk 1,k Rk 1dT / d r

 

r =R(k 1)

(9)

 

 

Qk 1 =Qk 1,k =Qk ,

(10)

так как источники тепла между экранами отсутствуют. Ход решения задачи сводится к следующему:

1. Геометрия задачи и известное распределение внутренних источников тепла позволяют определить потоки тепла Qk для каждо-

го значения rk , в том числе и для rn Qn .

2. По значению Qn можно определить температуру поверхности обечайки и далее температуру поверхности Tn1 , решив задачу теплопроводности.

72

3. Зная условия теплообмена между экранами и поток Qn , можно найти Tn2 , а из решения задачи теплопроводности определить

Tn3 и т.д.

4. Следует, однако, помнить, что полученные значения Ti будут

первыми приближениями, так как условия теплообмена между экранами зависят от Ti , и поэтому точное решение получают мето-

дом последовательных приближений.

Для решения задачи предварительно необходимо рассмотреть поле температуры в экране и образце.

Поле температуры в экране (см. рис. 3.7).

На поверхность цилиндрической стенки действует погонный поток тепла, стенка имеет постоянный коэффициент теплопроводности λk, k+1, в ней действуют внутренние источники тепла qv, k, k+1 и задана температура поверхности Tk+1.

Требуется определить поток тепла Qk+1, поле температуры на стенке, температуру и разность температур (Tk Tk+1).

Задача стационарная, граничные условия:

 

 

Qk

= −2πλk,k+1Rk (dT / d r

 

r=Rk ) ,

 

 

 

 

 

(11)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

r =Rk +1 =Tk +1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

(12)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поле температуры описывается уравнением

 

 

 

 

 

 

 

d 2T / dr2 + (1/ r)(dT / dr) + q

 

 

 

/ λ

k,k +1

= 0 .

 

(13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v,k,k +1

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение уравнения имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T = −(r

2 / 4)q

 

 

 

/ λ

k,k +1

+C ln r +C

2

.

 

 

 

(14)

 

 

 

 

 

 

v,k,k +1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

Используем граничные условия для определения постоянных.

Решение можно представить в следующем виде:

 

 

 

 

 

T =T

q

 

/ 2λ

 

 

 

[(R2

 

r2 ) / 2 R

2 ln(R

 

 

/ r)] +

 

 

k +1 v,k,k +1

 

 

k,k +1 k +1

 

 

 

 

k

k +1

 

 

(15)

 

 

 

+ (Qk / 2πλk,k +1)ln(Rk +1 / r),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T T

= (q

v,k,k +1

/ 2λ

k,k +1

)[(R2

 

R2 ) / 2 R2 ln(R

 

 

/ R )] +

 

k k +1

 

 

 

 

 

k +1

 

k

 

 

 

k

 

k +1

 

 

k

(16)

 

 

+ (Qk / 2πλk,k +1)ln(Rk +1 / Rk ),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

73

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

= −2πλ

R

dT / d r

 

= πq

(R2

R2 ) +Q , (17)

 

k +1

 

k,k +1 k

+1

r=Rk +1

v,k,k +1

k +1

k

k

 

 

Tk

Tk +1 = Av,k,k +1 + Ak,k +1 .

 

 

(18)

Поле температуры в образце (см. рис. 3.7).

На поверхности цилиндра с коэффициентом теплопроводности λ0,1 задана температура T1 , внутри цилиндра действуют внут-

ренние источники тепла qv01 , в центре цилиндра температура имеет экстремум.

Граничные условия:

 

 

dT / d r

 

r=0 ,

 

(19)

 

 

 

 

T

 

r=R1 =T1 .

 

(20)

 

 

 

 

Поле температуры описывается уравнениями (13) и (14).

Из (19) C1 = 0, тогда из (20) определяем

 

С =T + q R2 / 4λ

0,1

.

2 1 v,0,1 1

 

Поле температуры в цилиндре (образце) имеет вид

 

T =T + q

(R2

r2 ) / 4λ

k,k +1

.

 

 

 

1

 

v,0,1

 

1

 

 

 

 

 

Поток тепла с поверхности цилиндра

 

 

 

 

 

Q = −2πλ

R dt / dr

 

r=R1

= πq R2

= πq

 

(R2

R2 ) ,

 

 

k

0,1 1

 

 

v,0,1 1

 

v,0,1

1

0

где R0 = 0 .

Определяем потоки тепла, пользуясь результатами задач, рассмотренных выше:

n

Q = πq + (R2+ R2 ) при R = 0.

n v,k,k 1 k 1 k 0 k =0

Используя краевое условие (6), имеем:

Еn Tc = Qn / 2παRn .

Определяем перепады температуры:

на оболочке

Tn1 Tn = Av,n1,n + An1,n ,

в газовой прослойке

Tn Tc = Qn2,n1 / hn2,n1 ,

74

на k-м экране

Tk Tk +1 = Av,k,k +1 + Ak,k +1 ,

в k – 1 прослойке

Tk 1 Tk = Qk 1,k / hk 1,k ,

в экране с радиусами R2 и R3

T2 T3 = Av,2,3 + A2,3 ,

в прослойке с радиусами R2 и R3

T1 T2 = Q1,2 / h1,2 ,

в образце

T0 T1 = qv,0,1R12 / 4λ0,1 .

Последовательное суммирование вышеприведенных разностей дает возможность определить поле температуры по радиусу облучательного устройства.

3.5.Расчет поля температуры облучаемого образца методом конечных элементов

Исследование свойств материалов в реакторном эксперименте осложняется наличием интенсивных тепловыделений в испытуемом образце. Следствием этого являются градиенты температуры по объему образца и появление термонапряжений, которые в ряде случаев могут приводить к растрескиванию образца. Существенными могут оказаться явления, обусловленные наличием градиента плотности тепловыделения в материале.

В целом, требования к оценке поведения образца в реакторном эксперименте должны быть более строгими, расчеты температурных полей более подробными и точными.

Для расчета температурных полей в образце реакторной установки целесообразно воспользоваться методом конечных элементов.

75

3.5.1. Постановка задачи

1.Геометрические условия задают цилиндрической осе симметричный образец.

2.Физические условия задают распределение источников тепловыделения в образце и коэффициент теплопроводности, зависящий от температуры.

3.Временные условия рассматривают стационарную задачу:

dT / dτ = 0 .

(21)

4. Граничные условия.

На торцевых поверхностях образца предлагается использовать два варианта граничных условий:

условия первого рода

 

 

 

 

T

 

z=0, 0≤rR =T (0,r) ,

(22)

 

 

 

 

T

 

z=H , 0≤rR =T (H ,r) ,

(23)

 

 

условия третьего рода

 

−λdT / d r

 

z=0, 0≤rR = α(0,r)[T (0,r) Tc0 ] ,

(24)

 

 

−λdT / d r

 

z=H , 0≤rR = α(H ,r)[T (H ,r) TcH ] .

(25)

 

 

На внешней боковой поверхности цилиндрического образца задаются граничные условия третьего рода:

Q = 2πRα(z,r)[T (z,r) Tcr ] .

(26)

3.5.2. Решение задачи методом конечных элементов

Определение стационарных двумерных полей температуры основано на простейшем варианте метода конечных элементов. Ищется решение стационарного уравнения теплопроводности

div[λ(T )grad T (r)] + qv (r) = 0 ,

(27)

где T (r) – температура образца; λ(T ) – коэффициент теплопроводности в общем случае, зависящий от температуры; qv (r) –

плотность внутренних источников тепла может быть функцией координат.

76

Граничные условия, как уже отмечалось, задают либо температуру, либо тепловой поток. В соответствии с методом конечных элементов и с учетом симметрии задачи цилиндрический образец разбивается на N кольцевых элементов и М элементов по высоте.

Возьмем толщину кольцевых элементов постоянной. Затем для каждого элемента составляется уравнение теплового баланса, при этом предполагается, что величины λ и qv постоянны для данного

элемента.

В рассматриваемом случае уравнения теплового баланса элементов принимают вид

N (i)

 

γ(i, j)[T (i) T ( j)]+qv (i)S(i) +QL (i) = 0 ,

(28)

j=1

где S(i) – площадь получаемого при таком разбиении элемента; Т(i) – температура элемента; qv(i) – плотность внутренних источников тепла; QL(i) – поток тепла в элемент из внешней среды; γ(i, j) – коэффициент, характеризующий перенос тепла между соседними i-м и j-м элементами; N(i) – число элементов, обменивающихся теплом с элементом, равны четырем во внутренней области и трем для элементов, лежащих на границе области.

При составлении системы уравнений (28) предполагалось, что потоки тепла Q между соседними элементами пропорциональны разности температур в этих элементах:

Q = γ(i, j)[T (i) T ( j)].

(29)

Выражение, определяющее γ(i, j), может быть получено при рассмотрении соотношения для потока тепла между i-м и j-м элементами в радиальном направлении:

Q = λLoj grad T

 

ij ,

(30)

 

 

где λ – коэффициент теплопроводности материала; L – протяженность границы между элементами; grad T|ij – градиент температуры на границе между i-м и j-м элементами.

В случае, когда рассматриваемые элементы имеют достаточно малые размеры, температурный градиент в радиальном направле-

77

нии можно линейным образом аппроксимировать разностью температур элементов T(i) и Т(j):

Q =[T (i) T ( j)]Lij /[( ri / 2λi ) +( ri / 2λi )],

(31)

где Lij – протяженность границы между i-ым и j-ым элементами;

ri, ∆rj – линейные размеры i-ого и j-ого элементов; λi , λj – коэффициенты теплопроводности i-ого и j-ого элементов.

Сравнивая (29), (30) и (31), находим выражение для γ(i, j) в радиальном направлении:

γ

r

(i, j) = L [(

r / 2λ

) +(

r / 2λ

)]1.

(32)

 

ij

i

i

 

i

i

 

 

Аналогичным образом получим выражения для теплового потока в аксиальном направлении:

Q =[T (i) T ( j)]Lij

 

/[(

zi / 2λi ) +(

zi / 2λi )],

(33)

и соответственно для γz (i, j)

в аксиальном направлении

 

γ

z

(i, j) = L ( z

i

/ 2λ

) +(

z

i

/ 2λ

)]1,

(34)

 

ij

 

i

 

 

 

i

 

 

где zi и z j – высоты i-ого и j-ого элементов.

Необходимо отметить, что при выводе соотношения (33) и (34) использовалось условие ортогональности потоков тепла и границ между элементами. Данное условие выполняется для рассматриваемой задачи вследствие симметрии при принятом разбиении на элементы.

Для элементов на боковой поверхности при граничном условии третьего рода имеем

γ

r

(i,c) = L (

r / 2λ

) +(1/ α

c

)]1

,

(35)

 

ic

i

i

 

 

 

 

 

a при граничном условии первого рода

 

 

 

 

 

 

 

γr (i,c) = Lic 2λi /

ri ,

 

 

 

(36)

где αc коэффициент теплоотдачи; Lic

протяженность границы

элемента cо средой.

Система уравнений (28) может быть представлена в матричной форме:

78

Рис. 3.8. Блок-схема программы для определения поля температуры в образце

79

[B]{T} = {Qv}+{QL} ,

где [В] – пятидиагональная симметричная матрица, определяющая взаимодействие элементов между собой; {T} – вектор температуры элементов; {Qv} вектор источников тепла; {QL} вектор пото-

ков тепла c границ цилиндрического образца.

Матрица [В] является квадратной пятидиагональной матрицей размера (М*N).

В соответствии с переходом от (28) к (37) элементы матрицы [B] определяются следующим образом. Элементы, лежащие на неглавных диагоналях, определяются согласно (32) и (34). Элементы, лежащие на главной диагонали, определяются как сумма элементов неглавных диагоналей, взятых с обратным знаком и лежащих на одной cтроке, минус член, определяющий тепловое взаимодействие c внешней средой, в случае, когда элемент лежит на внешней поверхности.

Для определения вектора температуры элементов получим решение в виде

{T} = ({Qv}+{QL})[B]1.

3.5.3. Основные этапы проведения расчетов на ЭВМ

Пpoгpaмма определения двухмерных полей температуры реализует следующую последовательность действий (рис. 3.8).

В вводной части программы задается зависимость коэффициента теплопроводности от температуры, начальное приближение для λ , рассчитываются матрица [В], {Qv} и {QL}. Далее для реализа-

ции треугольного разложения cимметричной матрицы [В] применяется подпрограмма "CHODET". Подпрограмма "SHOSOL" по известному вектору правой части уравнения (37) определяет вектор температуры.

После получения поля температуры происходит его дальнейшее уточнение итерациями с учетом зависимости коэффициента теплопроводности образца от температуры. Укрупненная блоксхема программы определения вектора температуры для цилиндрических образцов представлена на рис. 3.8.

80