Current thermophysical research in order to improve shipboard nuclear power installations
Authors: Митрофанова О.В. , Ивлев О.А. 
Published: December 2023

Рассмотрены физические факторы и условия, приводящие к формированию устойчивых вихревых структур во внутренних турбулентных закрученных течениях, имеющих место в сложных каналах судовых ядерных энергетических установок. Целью проводимых исследований является научное обоснование способов повышения теплогидравлической эффективности и надежности работы судовых ядерных энергетических установок нового поколения, обеспечивающих повышенный ресурс безопасной эксплуатации ЯЭУ в течение срока, приближенного к сроку службы судна. Привлечение анализа термодинамической устойчивости для описания закрученных потоков дало возможность объяснить механизм генерации крупномасштабных вихреобразований и определить критические условия возникновения детерминированной вихревой структуры турбулентных течений в каналах сложной геометрии. Представлены результаты расчетно-теоретического моделирования процессов вихреобразования при течении высокоскоростных потоков в каналах переменного сечения, являющихся элементами коллекторных и трубопроводных систем судовых ЯЭУ. Проявление кризиса закрученного потока рассмотрено на примерах моделирования процессов гидродинамики и теплообмена в каналах парогенераторов и системы компенсации давления судовых ЯЭУ. Показано, что генерация устойчивых вихреобразований в элементах оборудования ЯЭУ интегрального типа может быть непосредственно связана с механизмом возбуждения опасных вибро-резонансных эффектов. Предложен способ интенсификации теплообмена в парогенерирующих каналах за счет применения витых труб овального профиля. Полученные результаты вычислительных экспериментов показали, что реализация режима, соответствующего кризису закрученного течения, приводит не только к резкому повышению гидравлических потерь, что снижает теплогидравлическую эффективность работы установки, но и к генерации акустических колебаний, что может быть связано с появлением опасных резонансных эффектов, ведущих к развитию прочностных дефектов и аварийным ситуациям.

Physical factors and conditions leading to the formation of stable vortex structures in internal turbulent swirling currents occurring in complex channels of shipboard nuclear power plants are considered. The purpose of the research is the scientific substantiation of ways to increase the thermal-hydraulic efficiency and reliability of the ship's nuclear power plants of a new generation, providing an increased resource for the safe operation of nuclear power plants for a period close to the service life of the vessel. The use of thermodynamic stability analysis to describe swirling flows made it possible to explain the mechanism of generation of large-scale vortex formations and to determine the critical conditions for the emergence of a deterministic vortex structure of turbulent flows in channels of complex geometry. The results of computational and theoretical modeling of vortex formation processes during the flow of high-speed flows in channels of variable cross-section, which are elements of collector and pipeline systems of marine nuclear power plants, are presented. The manifestation of the swirling flow crisis is considered on the examples of modeling the processes of hydrodynamics and heat transfer in the channels of steam generators and the pressure compensation system of marine nuclear power plants. It is shown that the generation of stable vortex formations in the elements of the integrated type nuclear power plant equipment can be directly related to the mechanism of excitation of dangerous vibro-resonance effects. A method for intensifying heat exchange in steam generating channels through the use of oval-shaped twisted tubes is proposed. The obtained results of computational experiments have shown that the implementation of the regime corresponding to the crisis of the swirling flow leads not only to a sharp increase in hydraulic losses, which reduces the thermal-hydraulic efficiency of the installation, but also to the generation of acoustic vibrations, which may be associated with the appearance of dangerous resonant effects leading to the development of strength defects and emergency situations.