تم انجاز رسالة الماجستير للطالب صلاح عصام حسن عباس في قسم الهندسة الميكانيكية عن بحثه الموسوم ” التحليل الحراري لمصدر حراري مغمورخلال نقصان الجريان العابر “وبأشراف أ.م.د أكرم وهبي عزت وتألفت لجنة المناقشة برئاسة د. أحسان يحيى حسينوعضوية كل من د. منال هادي صالح, د. أحمد فخري خضير
وتلخص بحثة بما يلي :
تم أجراء دراسة نظرية وعملية للحالة المستقرة والعابرة لعدد من المتغيرات الحرارية للماء والمتعلقة بالجريان نحو الاسفل داخل قناة تبريد دائرية حلقية متمركزة. قناة التبريد تعرضت الى فيض حراري جيبي الموجة وسطحها الخارجي معزول. تم مقارنة نتائج الدراسة الحالية مع نتائج دراسة اجريت مؤخرا تتعلق بالفيض الحراري الثابت عند نفس الظروف التشغيلية لتقييم أداء كل نظام من حيث الامان الحراري-الهايدروليكي. الدراسة النظرية أمتدت لتشمل مقارنة نتائج كلا الفيضين أعلاه مع النتائج المتعلقة بالفيض الحراري المثلثي ايضا. لقد وجد ان معامل امان الغليان (K) المتعلق بالفيض الحراري الجيبي والمثلثي الشكل أعلى من الفيض الحراري الثابت بمقدار 86.4% و 87.1% على التوالي عند نفس الظروف التشغيلية خلال الحالة المستقرة. الدراسة النظرية الحالية بحثت في المتغيرات الحرارية والثرمودينامكية خلال 25%, 50%, و 75% من نقصان الجريان العابر. التجارب العملية لمثل هذا النقصان في الجريان يحاكي حوادث نقصان الجريان (LOFA) في المفاعلات النووية البحثية والتي تنشأ بسبب أنقطاع التجهيز الكهربائي, فشل المضخة, أنسداد في المبادل الحراري, أنسداد في انبوب الجريان او أنغلاق صمام.
تم الحصول على نتائج الموديل الرياضي للحالة المستقرة والعابرة بأستخدام برنامج حاسوبي مكتوب بمساعدة برنامج الماتلاب (M-file-MatlabR2013a). التقريب النظري للحالة العابرة, تضمن موديلا رياضيا مبني على الحل التحليلي للمعادلات التفاضلية الاعتيادية ذي الدرجة الاولى ودعمت بالعلاقات العملية التجريبية للجريان المحوري المتناظر الآني التطور للجريان الطباقي داخل قناة تبريد حلقية متمركزة عمودية والتي أخذت بنظر الاعتبار الغليان الجزيئي, والغليان الطبقي للماء, والجريان الثنائي الطور في صياغته. الموديل الرياضي مبني على جريان احادي الاتجاه نحو الاسفل. لقد طبقت دالة الخطوة لنقصان الجريان في الموديل الرياضي الحالي لمحاكاة نقصان الجريان العابر. من الجدير بالذكر أنه على مدى البحوث السابقة المتعلقة بمجال الدراسة الحالية فأن أستخدام دالة الخطوة لنقصان الجريان لم يستخدم سابقا.
التحقيقات العملية للدراسة الحالية تضمنت مجموعة من التجارب العملية أجريت للتحقق من التصرف الحراري-الهايدروليكي وتخمين معامل امان الغليان لها. الدراسة الحالية مبنية على الشروط الحدية والأبتدائية التالية: الفيض الحراري 48.5 و 50 كيلوا واط/ م2 للحالة المستقرة والعابرة على التوالي, قيم الفيض الكتلي لجريان الماء 192.6, 128.4, و 64.2 كغم/ثا.م2 والتي تحاكي النقصان في الجريان العابر للنسب التالية 25%, 50%, و 75% في حين ان القيمة الفعلية للفيض الكتلي لجريان الماء 256.8 كغم/ثا.م2 مقترنة بالحفاظ على ضغط دخول ماء التبريد عند حوالي 1.06 بار, ودرجة حرارةدخول الماء 45 درجة مئوية و 80درجة مئوية و L/D =38.89.
لقد تبين أن معامل غليان الامان يصل الى حوالي قيمة (1) عند 25% و 50% من قيمة نقصان الجريان العابرعند زمن 3 و 5 ثانية على التوالي من ابتداء الحالة العابرة, وحالة جفاف السطح تحصل عند 75% و 100% من قيمة نقصان الجريان العابر عند موقع لا بعدي من مدخل قناة التبريد قيمته 0.65 من طول القناة اعتمادا على المشاهدات العملية. لقد وجد ان الوقت اللازم لوصول درجة حرارة سطح المصدر الحراري الى حالة الاستقرار بعد أبتداء كل حالة عابرة أقل من الوقت اللازم لوصول درجة حرارة ماء التبريد لحالة الاستقرار ما دام درجة حرارة ماء التبريد اقل من درجة حرارة اشباعه.
تم تقييم الفيض الحراري الحرج (CHF) عند ثبوت درجة حرارة تحت الاشباع (20 درجة مئوية) عند مدخل القناة مع تعدد قيم الفيض الكتلي (79.6, 106.1, 132.3, و 165.8) كغم/ثا.م2 لكلا الجريانين العمودي نحو الاسف والاعلى. لقد تم الأستنتاج ان الجريان العمودي بأتجاه الاعلى مفضل على الجريان العمودي بأتجاه الاسفل بسبب ظاهرة بدء عدم استقرارية الجريان (OFI) التي تواجه الجريان نحو الاسفل عند ظروف الضغط الواطئ والسرعة الواطئة. لقد تم تطوير علاقات تجريبية عملية (q_CHF=q_CHF^* [gσ ((ρ_f-ρ_g ))/(ρ_g^2 )]^0.25 ρ_g h_fg) للفيض الحراري الجيبي الحرج لكلا الجريانين العمودي نحو الاعلى والاسفل بناء على درجة حرارة الدخول لماء التبريد, الفيض الكتلي لجريان الماء وعدد أخر من المتغيرات وكانت اعظم نسبة خطأ مطلقة (1.36% و 3.38%) على التوالي.
وتلخص بحثة بما يلي :
تم أجراء دراسة نظرية وعملية للحالة المستقرة والعابرة لعدد من المتغيرات الحرارية للماء والمتعلقة بالجريان نحو الاسفل داخل قناة تبريد دائرية حلقية متمركزة. قناة التبريد تعرضت الى فيض حراري جيبي الموجة وسطحها الخارجي معزول. تم مقارنة نتائج الدراسة الحالية مع نتائج دراسة اجريت مؤخرا تتعلق بالفيض الحراري الثابت عند نفس الظروف التشغيلية لتقييم أداء كل نظام من حيث الامان الحراري-الهايدروليكي. الدراسة النظرية أمتدت لتشمل مقارنة نتائج كلا الفيضين أعلاه مع النتائج المتعلقة بالفيض الحراري المثلثي ايضا. لقد وجد ان معامل امان الغليان (K) المتعلق بالفيض الحراري الجيبي والمثلثي الشكل أعلى من الفيض الحراري الثابت بمقدار 86.4% و 87.1% على التوالي عند نفس الظروف التشغيلية خلال الحالة المستقرة. الدراسة النظرية الحالية بحثت في المتغيرات الحرارية والثرمودينامكية خلال 25%, 50%, و 75% من نقصان الجريان العابر. التجارب العملية لمثل هذا النقصان في الجريان يحاكي حوادث نقصان الجريان (LOFA) في المفاعلات النووية البحثية والتي تنشأ بسبب أنقطاع التجهيز الكهربائي, فشل المضخة, أنسداد في المبادل الحراري, أنسداد في انبوب الجريان او أنغلاق صمام.
تم الحصول على نتائج الموديل الرياضي للحالة المستقرة والعابرة بأستخدام برنامج حاسوبي مكتوب بمساعدة برنامج الماتلاب (M-file-MatlabR2013a). التقريب النظري للحالة العابرة, تضمن موديلا رياضيا مبني على الحل التحليلي للمعادلات التفاضلية الاعتيادية ذي الدرجة الاولى ودعمت بالعلاقات العملية التجريبية للجريان المحوري المتناظر الآني التطور للجريان الطباقي داخل قناة تبريد حلقية متمركزة عمودية والتي أخذت بنظر الاعتبار الغليان الجزيئي, والغليان الطبقي للماء, والجريان الثنائي الطور في صياغته. الموديل الرياضي مبني على جريان احادي الاتجاه نحو الاسفل. لقد طبقت دالة الخطوة لنقصان الجريان في الموديل الرياضي الحالي لمحاكاة نقصان الجريان العابر. من الجدير بالذكر أنه على مدى البحوث السابقة المتعلقة بمجال الدراسة الحالية فأن أستخدام دالة الخطوة لنقصان الجريان لم يستخدم سابقا.
التحقيقات العملية للدراسة الحالية تضمنت مجموعة من التجارب العملية أجريت للتحقق من التصرف الحراري-الهايدروليكي وتخمين معامل امان الغليان لها. الدراسة الحالية مبنية على الشروط الحدية والأبتدائية التالية: الفيض الحراري 48.5 و 50 كيلوا واط/ م2 للحالة المستقرة والعابرة على التوالي, قيم الفيض الكتلي لجريان الماء 192.6, 128.4, و 64.2 كغم/ثا.م2 والتي تحاكي النقصان في الجريان العابر للنسب التالية 25%, 50%, و 75% في حين ان القيمة الفعلية للفيض الكتلي لجريان الماء 256.8 كغم/ثا.م2 مقترنة بالحفاظ على ضغط دخول ماء التبريد عند حوالي 1.06 بار, ودرجة حرارةدخول الماء 45 درجة مئوية و 80درجة مئوية و L/D =38.89.
لقد تبين أن معامل غليان الامان يصل الى حوالي قيمة (1) عند 25% و 50% من قيمة نقصان الجريان العابرعند زمن 3 و 5 ثانية على التوالي من ابتداء الحالة العابرة, وحالة جفاف السطح تحصل عند 75% و 100% من قيمة نقصان الجريان العابر عند موقع لا بعدي من مدخل قناة التبريد قيمته 0.65 من طول القناة اعتمادا على المشاهدات العملية. لقد وجد ان الوقت اللازم لوصول درجة حرارة سطح المصدر الحراري الى حالة الاستقرار بعد أبتداء كل حالة عابرة أقل من الوقت اللازم لوصول درجة حرارة ماء التبريد لحالة الاستقرار ما دام درجة حرارة ماء التبريد اقل من درجة حرارة اشباعه.
تم تقييم الفيض الحراري الحرج (CHF) عند ثبوت درجة حرارة تحت الاشباع (20 درجة مئوية) عند مدخل القناة مع تعدد قيم الفيض الكتلي (79.6, 106.1, 132.3, و 165.8) كغم/ثا.م2 لكلا الجريانين العمودي نحو الاسف والاعلى. لقد تم الأستنتاج ان الجريان العمودي بأتجاه الاعلى مفضل على الجريان العمودي بأتجاه الاسفل بسبب ظاهرة بدء عدم استقرارية الجريان (OFI) التي تواجه الجريان نحو الاسفل عند ظروف الضغط الواطئ والسرعة الواطئة. لقد تم تطوير علاقات تجريبية عملية (q_CHF=q_CHF^* [gσ ((ρ_f-ρ_g ))/(ρ_g^2 )]^0.25 ρ_g h_fg) للفيض الحراري الجيبي الحرج لكلا الجريانين العمودي نحو الاعلى والاسفل بناء على درجة حرارة الدخول لماء التبريد, الفيض الكتلي لجريان الماء وعدد أخر من المتغيرات وكانت اعظم نسبة خطأ مطلقة (1.36% و 3.38%) على التوالي.
