Номер Проекта 16-01-00459-а
Название Проекта «Турбулентная конвекция в жидком натрии»
Руководитель: Фрик Петр Готлобович
Коды классификатора, соответствующие содержанию фактически проделанной работы 01-423, 08-201

Аннотация
В рамках проекта выполнено исследование особенностей турбулентных конвективных течений жидких металлов в замкнутых полостях, с упором на экспериментальное исследование зависимости эффективного турбулентного теплопереноса и структуры крупномасштабного потока, формирующегося на фоне турбулентной конвекции, от числа Релея и ориентации полости. Важным результатом работы стало создание уникальной экспериментальной установки для исследований турбулентной конвекции жидкого натрия в цилиндрических полостях. Отличительной чертой установки является конструкция теплообменников, которые задают граничные условия по температуре на торцах цилиндра, в котором исследуется конвективное течение натрия. Основными результатами проекта являются результаты длительной серии экспериментов по исследованию турбулентной конвекции натрия в цилиндре с единичным аспектным отношением (длина равна диаметру) при различной ориентации к направлению силы тяжести. Найдены зависимости интегральных характеристик конвективного потока (в первую очередь, числа Нуссельта как индикатора эффективности аксиального теплопотока, числа Рейнольдса, определенного по скорости крупномасштабной циркуляции и служащего индикатором интенсивности этой циркуляции), а также интенсивности пульсаций температуры как характеристики интенсивности мелкомасштабной турбулентности при заданном перепаде температуры (числе Релея Ra=1.67 10^7) от угла наклона полости, изменявшимся от 0 до 90 градусов с шагом 10 градусов. Изучена динамика крупномасштабной циркуляции, возникающей в полости на фоне развитой мелкомасштабной турбулентности. Одновременно с экспериментальными работами велись предусмотренные планом работы по численному моделированию турбулентной конвекции. Трехмерные нестационарные расчеты выполнены для различной ориентации цилиндра относительно силы тяжести, что существенно меняет структуру течения и характеристики теплопереноса. Показано, что в случае вертикального положения цилиндра крупномасштабное течение в полости не устанавливается, появляются лишь два круговых вихря – в нижней части (вблизи нагревателя) и верхней части (вблизи холодильника), но пульсации скорости и температуры достигают наибольших значений. В случае наклонного и горизонтального положений цилиндра крупномасштабная циркуляция занимает весь объем расчетной области, но пульсации скорости и температуры в этих случаях значительно ниже, чем в случае вертикального цилиндра. Результаты расчетов дали не только качественное, но и количественное согласие с результатами лабораторных экспериментов. Расчеты подтвердили экспериментальные результаты, касающиеся поведения поля температуры, и позволили получить исчерпывающую информацию о поведении поля скорости, измерения которой в конвективном потоке жидкого металла практически не возможны. Для исследования особенностей поведения конвективной турбулентности при очень больших значениях управляющих параметров, использована оригинальная каскадная модель конвективной турбулентности. С ее помощью изучены особенности каскадных процессов в развитой турбулентности, существующей на фоне градиента плотности (температуры), либо сонаправленного с вектором силы тяжести (турбулентность в устойчиво стратифицированной среде –УС), либо противонаправленного ему (конвективная турбулентность – КТ). Показано, что в режимах развитой турбулентности, признаком которой является интервал с постоянным спектральным потоком кинетической энергии, силы Архимеда не могут конкурировать с нелинейными взаимодействиями и не оказывают существенного влияния на динамику инерционного интервала. В случае КТ именно они обеспечивают каскадный процесс энергией, но только на максимальных масштабах турбулентности. При УС силы плавучести снижают энергию турбулентных пульсаций. Но ни в том, ни в другом случае режим Обухова-Болджиано не возникает, а на масштабах, попадающих в инерционный интервал, устанавливается колмогоровская турбулентность, в которой температура ведет себя как пассивная примесь.

Важнейшие результаты
Предложенный в заявке план работ выполнен полностью. Создана уникальная экспериментальная установка для исследования конвекции жидкого натрия в цилиндрической полости, ориентированной под произвольным углом к горизонту. Проведен полный цикл экспериментальных исследований турбулентной конвекции жидкого натрия в цилиндре, длина которого равна диаметру. Параллельно с экспериментальными исследованиями выполнены предусмотренные планом численные исследования турбулентной конвекции жидкого металла в цилиндрических полостях с различным аспектным отношением. Разработана оригинальная каскадная модель конвективной турбулентности и с ее помощью исследованы характеристики мелкомасштабной турбулентности в устойчиво и неустойчиво стратифицированных средах. По результатам выполненных исследований опубликовано шесть статей в профильных научных журналах (две статьи в журнале “Physical Review Fluids”, две в журнале “Вычислительная механика сплошных сред” и по одной статье в “Journal of Physics: Conference Series” и “ Journal of Applied Mechanics and Technical Physics”), сделано 20 докладов на 12 научных конференциях.

Участие в научных мероприятиях по тематике Проекта за период, на который предоставлен грант (каждое мероприятие с новой строки, указать названия мероприятий и тип доклада)

1. International Conference on Rayleigh Bénard Turbulence, May 14–18, 2018, Enschede, The Netherlands – 2 устных доклада.
2. Всероссийская конференция с международным участием "Турбулентность, динамика атмосферы и климата", Москва, 16-18 Мая, 2018. (устный доклад)
3. Russian Conference on Magnetohydrodynamics, June 18 – 21, 2018, Perm, Russia. (3 устных доклада)
4. XXVII Всероссийская школа-конференция молодых ученых и студентов "Математическое моделирование в естественных науках", Пермь, 3-6 октября 2018. (устный доклад)
5. Седьмая Российская Национальная конференция по теплообмену РНКТ 7, Москва, 22-26 Октября 2018. (2 устных доклада)
6. XX Зимняя школа по механике сплошных сред, 13—16 февраля 2017 г., Пермь, (3 устных доклада).
7. 16th European Turbulence Conference (ETC16), 21-24 August 2017, Stockholm, Sweden. 1 устный доклад.
8. Всероссийская научная конференция "Теплофизика и физическая гидродинамика", Ялта, Республика Крым, 11-17 сентября 2017г. Приглашенная лекция.
9. Международная конференция «Современные проблемы теплофизики и энергетики», 1Москва, МЭИ, 9-11 октября 2017 г. Устный доклад.
10. Научно-технический семинар «Проблемы верификации и применения CFD кодов в атомной энергетике», Нижний Новгород, 13 -14 сентября 2016. (Устный доклад и стендовый доклад).
11. The 11-th European Fluid Mechanics Conference, 12-16 September 2016, Seville, Spain. Устный доклад
12. 4-я Всероссийская конференция «ПЕРМСКИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ НАУЧНЫЕ ЧТЕНИЯ», 9-10 декабря 2016 г Два устных доклада.

Всего – 20 докладов на 12 конференциях (6 международных)

Публикаций по Проекту
Статьи:
Шестаков А.В., Фрик П.Г., Степанов Р.А. О механизмах каскадного переноса в конвективной турбулентности // Вычислительная механика сплошных сред, 2016. T.9. №.2. C.125-134.

Teimurazov A., Frick P. Thermal convection of liquid metal in a long inclined cylinder // Physical Review Fluids, 2017. V.2, N.11, 113501. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevFluids.2.113501

Kolesnichenko I., Khalilov R., Teimurazov A., Frick P. On boundary conditions in liquid sodium convective experiments // Journal of Physics: Conference Series, 2017, V. 891, id. 012075. https://doi.org/10.1088/1742-6596/891/1/012075

Khalilov R., Kolesnichenko I., Pavlinov A., Mamykin A., Shestakov A., Frick P. Thermal convection of liquid sodium in inclined cylinders // Phys.Rev.Fluids, 2018. V.3. N4. 043503. DOI:10.1103/PhysRevFluids.3.043503

Мандрыкин С.Д., Теймуразов А.С., Турбулентная конвекция жидкого натрия в наклонном цилиндре единичного аспектного отношения // Вычислительная механика сплошных сред, 2018. T.11. №.4. C.418-429.

Shestakov A.V., Stepanov R.A., Frick P.G. On Cascade Energy Transfer in Convective Turbulence // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2017. V.58. N.7. P.33–42. DOI: 10.1134/S0021894417070094

Прочее
Frick P., Khalilov R., Kolesnichenko I., Mamykin A., Pavlinov A., Shestakov A. Liquid sodium convection in a short inclined cylinder // International Conference on Rayleigh Bénard Turbulence, May 14–18, 2018, Enschede, The Netherlands. Book of Abstracts. P.39.

Kolesnichenko I., Pavlinov A., Khalilov R., Mamykin A., Frick P. Heat exchangers for experimental study of liquid metal convection // International Conference on Rayleigh Bénard Turbulence, May 14–18, 2018, Enschede, The Netherlands. Book of Abstracts. P.70.

Kolesnichenko I., Frick P., Khalilov R., Mamykin A., Pavlinov A., Shestakov A. Liquid sodium convection in an inclined cylinder of unit aspect ratio // Russian Conference on Magnetohydrodynamics, June 18 – 21, 2018, Perm, Russia. Book of Abstracts. P.64.

Kolesnichenko I., Pavlinov A., Khalilov R., Mamykin A., Frick P. Creation of homogeneous boundary conditions for experimental studies of sodium convection // Russian Conference on Magnetohydrodynamics, June 18 – 21, 2018, Perm, Russia. Book of Abstracts. P.65.

Mandrykin S., Teimurazov A. Numerical study of turbulent liquid metal convection in inclined cylinder of unit aspect ratio using large-eddy-simulation approach // Russian Conference on Magnetohydrodynamics, June 18 – 21, 2018, Perm, Russia. Book of Abstracts. P. 84.

А.Д. Мамыкин, С.Д. Мандрыкин, А.С. Теймуразов, П.Г. Фрик Турбулентная конвекция жидкого натрия в коротком наклонном цилиндре // Тезисы V-ой всероссийской конференции "Пермские гидродинамические научные чтения", Пермь, 26-29 сентября 2018, с. 192 – 194.

Мандрыкин С.Д., Теймуразов А.С., Колесниченко И.В. Численное исследование турбулентной конвекции жидкого натрия в наклонном цилиндре единичного аспектного отношения с использованием метода крупных вихрей // Труды Седьмой Российской национальной конференции по теплообмену: в 3 томах (22-26 октября 2018 г., Москва). Т. 1. - М.: Издательский дом МЭИ, 2018. с. 69-71

Колесниченко И.В., Мамыкин А.Д., Фрик П.Г., Халилов Р.И., Павлинов А.М. Осцилляция крупномасштабной циркуляции при конвекции жидкого натрия в наклонном цилиндре с диаметром, равным длине // Труды Седьмой Российской национальной конференции по теплообмену: в 3 томах (22-26 октября 2018 г., Москва). Т. 1. - М.: Издательский дом МЭИ, 2018. с. 331-334

Мандрыкин С.Д., Теймуразов А.С. Метод крупных вихрей для расчета конвекции жидкого металла в коротком наклонном цилиндре // Материалы XXVII Всероссийской школы-конференции молодых ученых и студентов “Математическое моделирование в естественных науках”, Пермь, 3-6 октября 2018. с. 166-169.

Колесниченко И.В., Халилов Р.И., Фрик П.Г. Конвекция жидкого натрия в цилиндрических каналах различной длины при аксиальном градиенте температуры // ХX Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-16 февраля 2017 г., Тезисы докладов. Пермь, 2017. С.169.

Степанов Р.А., Фрик П.Г. Шестаков А.В. Механизмы каскадного переноса энергии в конвективной турбулентности // ХX Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-16 февраля 2017 г., Тезисы докладов. Пермь, 2017. С.318.

Теймуразов А.С., Фрик П.Г. Численное исследование турбулентной конвекции натрия в наклонном цилиндре // ХX Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-16 февраля 2017 г., Тезисы докладов. Пермь, 2017. С.333.

Колесниченко И.В., Халилов Р.И., Фрик П.Г., Теймуразов А.С. О граничных условиях в экспериментах по конвективному теплообмену в жидком натрии // Материалы Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (Москва, 9—11 октября 2017 г.). Т.1. С.85-86.

Teimurazov A., Nikulin I., Frick P., Stefani F. Numerical simulations of liquid metal convection in a cylindrical vessel of the apparatus for titanium reduction // The 11-th European Fluid Mechanics Conference, 12-16 September 2016, Seville, Spain. Abstracts. P.0347.

Степанов Р.А., Фрик П.Г., Шестаков А.В. О реализуемости механизма Обухова-Болджиано в конвективной турбулентности // Материалы 4-ой Всероссийской конференции «ПЕРМСКИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ НАУЧНЫЕ ЧТЕНИЯ», 9-10 декабря 2016 г, Пермь. 2016. С.87-88.

Теймуразов А.С., Фрик П.Г. Численное исследование конвективного течения жидкого натрия в наклонном цилиндре // Материалы 4-ой Всероссийской конференции «ПЕРМСКИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ НАУЧНЫЕ ЧТЕНИЯ», 9-10 декабря 2016 г, Пермь. 2016. С.00-01.

• Prev