V dvofaznem navzgor usmerjenem raztrganem toku plin-kapljevina v navpični cevi kapljevina omoča steno cevi, medtem ko plin teče v osrednjem delu. Za raztrgan tok so značilni veliki poplavni valovi kapljevine, ki periodično potujejo navzgor v smeri toka plina. Raztrgan tok je tesno povezan z mehanizmi pojava poplavljanja oziroma omejitve protitoka. Pri izlivni nezgodi v tlačnovodnem jedrskem reaktorju, kjer pride do izgube tlaka v primarnem sistemu in se del hladila upari, je poplavljanje ali omejitev protitoka kapljevine eden od pomembnih pojavov z vidika varnosti. V navpični cevi lahko tok vodne pare, ki teče v osrednjem delu cevi, omejuje tok filma kapljevine, ki teče navzdol ob steni cevi in jo hladi. Do omejitve protitoka kapljevine pride v primeru zelo visoke hitrosti pare, ki povzroči vzbujanje in prekinjanje kapljevinskega filma ob steni: para lahko potiska kapljevino nazaj – se pravi, navzgor po cevi - in tako onemogoča hlajenje sten. Lokalna napoved pojava v poljubni geometriji in pri poljubnih pogojih zahteva razumevanje in poznavanje začetnih mehanizmov poplavljanja.
Za analitičen popis oblike valov kapljevine v navpičnem raztrganem toku vode in zraka smo predlagali novi model, izpeljan na podlagi funkcije hiperboličnega sekansa. V primerjavi z enostavnejšimi polkrožnimi in sinusnimi modeli oblike, predlagani model bolje opiše izmerjeno obliko valov. Pri tem je novi model še vedno dovolj enostaven, saj je njegova zahtevnost primerljiva z obstoječim Gaussovim modelom oblike, in je primeren za uporabo v mehanističnih modelih gibanja valov v raztrganem toku.
Opravili smo trirazsežne simulacije kapljevinskih valov v nestacionarnem izotermnem raztrganem režimu toka vode in zraka v navpični cevi. Turbulentni tok smo modelirali z metodo nestacionarnih Reynoldsovo povprečenih Navier-Stokesovih enačb in k-$\omega$ SST (ang. Shear Stress Transport) turbulentnim modelom. Za popis dvofaznega sistema zraka in vode smo uporabili model homogene mešanice z metodo ostrenja medfazne površine. Veljavnost predlaganega modeliranja smo potrdili s primerjavo izračunanih rezultatov z eksperimentalnimi rezultati iz literature.
Ukvarjali smo se predvsem z vplivom modela kapljevinskega vstopa v cev in njegovim vplivom na simulirane frekvence valov. V tipičnem eksperimentu kapljevina vstopa v cev skozi porozno steno, ki jo v simulacijah obravnavamo poenostavljeno kot vstopni robni pogoj za kapljevino na kratkem odseku stene cevi. Pri podanem masnem pretoku kapljevine nam površina vstopne ploskve določa velikost komponente hitrosti kapljevine, ki je pravokotna na steno. Pokazali smo, da je frekvenca valov, določena na podlagi simulacij, sorazmerna s pravokotno komponento hitrosti kapljevine na vstopu.
V doktorski tezi smo ugotovili, da lastnosti poplavnih valov kapljevine v navpičnem raztrganem toku niso odvisne le od same geometrije cevi ter makroskopskega pretoka kapljevine in plina, temveč v precejšnji meri tudi od robnih pogojev na samem vstopu tekočine v cev.
|