“ Моделирование кодом FiDAP свободной поверхности плоской турбулентной струи, формируемой соплом SHIMA

______________________________________________
ЗАЧЕМ ЭТО НАДО ?
Цель расчетного исследования заключалась:
в моделировании контурной гидродинамики литиевой петли
в исследовании устойчивости свободной поверхности изотермической
плоской струи при истечении ее из сопла SHIMA в вакуум [4÷15]
в начальном этапе оптимизации геометрии кромки сопла и выяснении
причин образования аэрозолей

______________________________________________
ЧТО СДЕЛАНО ?
С помощью лицензионного кода FiDAP v.8.7.2 [1÷3] выполнено 2D расчетное моделирование части петли литиевого стенда.
Исследован стационарный изотермический, турбулентный режим в условиях полного смачивания и отсутствия шероховатости конструкций.
С помощью лицензионного пре-процессора GAMBIT cмоделированы расчетные сетки и исследованы 3 варианта угловых конфигураций кромок сопла SHIMA на четырехугольной криволинейной сетке: 22°, 62°30′ (проектное значение) и 67°30′.
Количество ячеек расчетной сетки варьировалась в пределах 108284 (для проектного варианта) до 92342(для вариантов: 22° и 67°30′). При этом количество ячеек для области струи ( по глубине) для проектного варианта составило 12 (размер ячейки 0.83 мм) и 4 (размер ячейки 2.5 мм) для остальных вариантов.

______________________________________________
ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ФРАГМЕНТ ПЕТЛИ ?
В состав фрагмента петли вошли:
камера -успокоитель (на входе) без решеток
модельное сопло SHIMA с габаритами:
70x97 мм сечение на входе в первую ступень
70x10 мм сечение на выходе второй ступени
177 мм –общая длина .
прямолинейный 90 мм участок, наклоненный под углом 67º30' к горизонту.
криволинейный участок (R=250 мм, с угловым растром в 45º)
прямолинейный 198 мм участок на сливе
приемный успокоительный бак на сливе.

______________________________________________
РАСЧЕТНАЯ ОБЛАСТЬ

______________________________________________
ЧТО ОЗНАЧАЕТ ТЕРМИН “ FIDAP ” ?

______________________________________________
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ V.O.F. для FiDAP
уравнение для турбулентной энергии
уравнение для диссипации турбулентной энергии:
уравнение метода
(Volume Of Fluid) кода FIDAP ([1] стр.13-2):
Система уравнений расчетной модели решена с помощью
штатного алгоритма кода : ‘SEGREGATED FREE-SURFACE ALGORITM’.

______________________________________________
СТРУКТУРА РЕШАТЕЛЯ FiDAP

______________________________________________
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ FiDAP С ПРЕ-ПРОЦЕССОРОМ GAMBIT

______________________________________________
ЧТО ОЗНАЧАЕТ ТЕРМИН ”GAMBIT” ?

______________________________________________
ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ

______________________________________________
РАСЧЕТНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДЛЯ
варианта кромки сопла 62°30′
(проектное значение).

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). 2D расчетная урезанная расчетная сетка в области второй ступени сопла, кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). 2D расчетная урезанная расчетная сетка в области первой и второй ступеней сопла, кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). 2D расчетная урезанная расчетная сетка в области действия пучка дейтронов. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). 2D векторное поле скорости в области второй ступени сопла, кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). 2D векторное поле скорости в области первой и второй ступеней сопла, кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). 2D поле вертикальной составляющей скорости в области второй ступени сопла, кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). 2D поле вертикальной составляющей скорости внутри сопла, кромки и прямолинейного 90 мм участка

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). 2D векторное поле в области кромки (с
наложением на расчетную сетку). УВЕЛИЧЕНИЕ. (построено с помощью пост-процессора FIELDVIEW v.8.1.f [3]).

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). 2D векторное поле в области кромки (с
наложением на расчетную сетку). УВЕЛИЧЕНИЕ. (построено с помощью пост-процессора FIELDVIEW v.8.1.f [3]).

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). 2D поле турбулентного числа Рейнольдса в области второй ступени, кромки и прямолинейного участка. УВЕЛИЧЕНИЕ.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). 2D поле сдвига в области второй ступени, кромки и прямолинейного участка. УВЕЛИЧЕНИЕ.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). 2D поле турбулентной вязкости в области второй ступени, кромки и прямолинейного участка. УВЕЛИЧЕНИЕ.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). 2D поле завихренности в области второй ступени, кромки и прямолинейного участка. УВЕЛИЧЕНИЕ.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). 2D поле турбулентной кинетической энергии в области второй ступени, кромки и прямолинейного участка. УВЕЛИЧЕНИЕ.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение).
1D распределение давления (Pa) в области сопряжения прямолинейного наклонного участка и и криволинейной части ( угол 22°30′ от оси симметрии пучка).
Отсчет от свободной поверхности.
Примечание : вследствие гидродинамического прыжка с повышением
уровня толщина струи в сечении составляет 11.0 мм

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). 1D распределение давления (Pa) в области оси симметрии пучка ( угол 0°). Отсчет от свободной поверхности.
Примечание : вследствие гидродинамического прыжка с повышением уровня толщина
струи в сечении составляет 11.5 мм

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение)

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Векторное поле и функция FILLING для
сечения струи лития

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Векторное поле и функция FILLING для
сечения струи лития

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Векторное поле и функция FILLING для
сечения струи лития

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Векторное поле и функция FILLING для
сечения струи лития

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Векторное поле и функция FILLING для
сечения струи лития

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Векторное поле и функция FILLING для
сечения струи лития

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Векторное поле на выходе из второй ступени сопла
SHIMA

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Векторное поле на выходе из второй ступени сопла
SHIMA

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение)

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Вертикальная компонента поля скорости.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Вертикальная компонента поля скорости.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Горизонтальная компонента поля скорости.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Поле скорости.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Поле турбулентной кинетической энергии.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Распределение диссипации турбулентной энергии.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Распределение турбулентной вязкости.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение).Распределение поля сдвига.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Распределение числа Рейнольдса

______________________________________________
РАСЧЕТНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДЛЯ
варианта кромки сопла 22°
( НЕ проектное значение).

______________________________________________
Вариант кромки сопла 22° ( НЕ проектное значение). 2D расчетная сетка в области первой –второй ступеней, кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 22° ( НЕ проектное значение). 2D векторное поле скорости в области первой –второй ступеней, кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 22° ( НЕ проектное значение). 2D поле скорости в области первой –второй ступеней, кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 22° ( НЕ проектное значение). 2D поле давления в области первой –второй ступеней, кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 22° ( НЕ проектное значение). 2D поле вертикальной составляющей скорости в области первой –второй ступеней, кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 22° ( НЕ проектное значение). 2D поле горизонтальной составляющей скорости в области первой –второй ступеней, кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 22° ( НЕ проектное значение). 2D поле завихренности в области кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 22° ( НЕ проектное значение). 2D поле турбулентной вязкости в области кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 22° ( НЕ проектное значение). 2D поле в области кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 22° ( НЕ проектное значение). 2D поле турбулентной кинетической энергии в области кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
Вариант кромки сопла 22° ( НЕ проектное значение). 2D поле диссипации турбулентной энергии в области кромки и прямолинейного 90 мм участка. УВЕЛИЧЕНИЕ

______________________________________________
МУЛЬТИПЛИКАЦИЯ . Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение).

______________________________________________
МУЛЬТИПЛИКАЦИЯ . Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение).
Грубая сетка.

______________________________________________
МУЛЬТИПЛИКАЦИЯ . Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение).
Грубая сетка.

______________________________________________
МУЛЬТИПЛИКАЦИЯ . Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение).
Грубая сетка.

______________________________________________
МУЛЬТИПЛИКАЦИЯ . Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение).
Урезанная (подробная) сетка сетка.

______________________________________________
РЕЗУЛЬТАТЫ
Выявлена причина образования аэрозолей, которые будут присутствовать в
рабочей области пучка всегда и , возможно, будут оседать на стенках конструкций
и уноситься в тракт укорителя.
1.1. Возможно лишь снизить интенсивность их возникновения (если это
позволяет технология и требования к эрозионному износу кромок).
1.2. В области краевого угла второй ступени образуется зона максимальной
турбулентности, которая образует турбулентный след линейным размером
порядка 10 мм, в котором происходит зарождений аэрозолей.
1.3. Прослеживается закономерность размера краевого угла ? максимума
турбулентной кинетической энергии? его расположения относительно угла
? интенсивности возникновения аэрозолей:
1.3.1. C уменьшением краевого угла со значения 62°30′ до 22° максимальное
значение кинетической турбулентной энергии (κ) увеличивается со значения
54.17м2/c3 до 56.04 м2/c3.
Это сопровождается смещением максимума турбулентности от краевого
угла (приблизительно с 2 мм до 8 мм) вниз по потоку и
снижением интенсивности возникновения аэрозолей!
Однако полного устранения аэрозолей, по всей видимости, достичь
невозможно из-за технологических требований к надежности конструкции
сопла.
2. Получена исчерпывающая информация гидродинамики сопла SHIMA для
штатного расположения 67°30′ к горизонту в виде двумерных распределений
полей (и компонентов) скорости, давления и турбулентности, как для
внутренней части (1 и 2 ступень), так для выхода струи в вакуум на
прямолинейный 90 мм участок.
И ЧТО ДАЛЬШЕ ?
(смотри далее…..)

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Пробный вариант сетки .
40 ячеек по глубине струи. Размер ячейки по высоте 0.25 мм. На область аэрозолей отведено дополнительно 14 ячеек с таким же размером по высоте.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Пробный вариант сетки .
40 ячеек по глубине струи. Размер ячейки по высоте 0.25 мм. На область аэрозолей отведено дополнительно 14 ячеек с таким же размером по высоте. ОБЛАСТЬ СОПРЯЖЕНИЯ.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Пробный вариант сетки .
40 ячеек по глубине струи. Размер ячейки по высоте 0.25 мм. На область аэрозолей отведено дополнительно 14 ячеек с таким же размером по высоте. ОБЛАСТЬ ПУЧКА. ПОВЕРНУТО.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Пробный вариант сетки .
40 ячеек по глубине струи. Размер ячейки по высоте 0.25 мм. На область аэрозолей отведено дополнительно 14 ячеек с таким же размером по высоте. ОБЛАСТЬ СЛИВА. ПОВЕРНУТО.

______________________________________________
International Association for Hydraulic Engineering and Research (IAHR) / Section on Energy Exchange and Fluid Phenomena
Group Meeting July 5 - 10 , 2004, Obninsk, Russia
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Пробный вариант сетки .
ОБЛАСТЬ ВТОРОЙ СТУПЕНИ. ПОВЕРНУТО.

______________________________________________
International Association for Hydraulic Engineering and Research (IAHR) / Section on Energy Exchange and Fluid Phenomena
Group Meeting July 5 - 10 , 2004, Obninsk, Russia
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Пробный вариант сетки .
ОБЛАСТЬ ПЕРВОЙ И ВТОРОЙ СТУПЕНЕЙ. ПОВЕРНУТО.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Пробный вариант сетки .
ОБЛАСТЬ ПЕРВОЙ , ВТОРОЙ СТУПЕНЕЙ И ПОРИСТОЙ ОБЛАСТИ. ПОВЕРНУТО.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение).
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Пробный вариант сетки .
ОБЛАСТЬ ВТОРОЙ СТУПЕНИ И ПОРИСТОЙ ОБЛАСТИ. ПОВЕРНУТО.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Пробный вариант сетки .
ОБЛАСТЬ ПЕРВОЙ , ВТОРОЙ СТУПЕНЕЙ И ПОРИСТОЙ ОБЛАСТИ. ПОВЕРНУТО.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Пробный вариант сетки .

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). Граничные условия в среде кода FIDAP.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). ROBAST- вариант сетки .
40 ячеек по глубине струи. Размер ячейки по высоте 0.25 мм. На область аэрозолей отведено дополнительно 14 ячеек с таким же размером по высоте. ОБЛАСТЬ СОПРЯЖЕНИЯ.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). ROBAST- вариант сетки .
40 ячеек по глубине струи. Размер ячейки по высоте 0.25 мм. На область аэрозолей отведено дополнительно 14 ячеек с таким же размером по высоте. ВТОРАЯ СТУПЕНЬ СОПЛА.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). ROBAST- вариант сетки .
40 ячеек по глубине струи. Размер ячейки по высоте 0.25 мм. На область аэрозолей отведено дополнительно 14 ячеек с таким же размером по высоте. 1и 2 СТУПЕНИ СОПЛА.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). ROBAST- вариант сетки .
40 ячеек по глубине струи. Размер ячейки по высоте 0.25 мм. На область аэрозолей отведено дополнительно 14 ячеек с таким же размером по высоте. 1 СТУПЕНЬ И ПОРИСТАЯ СТРУКТУРА

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). ROBAST- вариант сетки .
40 ячеек по глубине струи. Размер ячейки по высоте 0.25 мм. На область аэрозолей отведено дополнительно 14 ячеек с таким же размером по высоте.

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). ROBAST- вариант сетки .
40 ячеек по глубине струи. Размер ячейки по высоте 0.25 мм. На область аэрозолей отведено дополнительно 14 ячеек с таким же размером по высоте. ОБЛАСТЬ ПУЧКА

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). ROBAST- вариант сетки .
40 ячеек по глубине струи. Размер ячейки по высоте 0.25 мм. На область аэрозолей отведено дополнительно 14 ячеек с таким же размером по высоте. ОБЛАСТЬ СЛИВА

______________________________________________
Вариант кромки сопла 62°30′ (проектное значение). ROBAST- вариант сетки .
40 ячеек по глубине струи. Размер ячейки по высоте 0.25 мм. На область аэрозолей отведено дополнительно 14 ячеек с таким же размером по высоте. ОБЛАСТЬ СЛИВА В БАК.