Published 2023 | Version v1
Journal article

Experimental studies into the non-isothermal mixing of incompressible liquid counterflows in a Y-junction

  • 1. Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev, (Russian Federation)

Description

The processes involved in non-isothermal mixing of coolant flows in the power equipment components at water-cooled reactor plants are accompanied by thermal pulsations, the intensity of which can reach values leading to fatigue failure. Using numerical methods allows one to obtain the thermal pulsation characteristics required to assess the equipment life. The calculation results, however, need to be validated based on the experimentally obtained fields of the fluid's thermal and hydrodynamic parameters. The flow structure during non-isothermal mixing in a Y-junction was studied experimentally to get an idea about the thermal pulsation occurrence mechanism and characteristics. The experimental facility is a hydraulically closed circuit with water used as the coolant. The experimental model is geometrically similar to the section that forms part of a high-temperature test bench for investigation of the thermal cyclic load effects on the lifetime of the power equipment structural materials. The model is a Y-junction composed of the main pipe and an angled peripheral pipe with the "counter injection" of coolant flows. The geometrical similarity coefficient is 4/3. The model material is transparent organic glass. The flow structure was visualized through the injection into the flow of ink with the density similar to that of the coolant flow. The tracer was injected sequentially at four points with video records made of the mixing process with a frequency of 30 Hz. Thermocouples were used to measure the temperature. The mixing process video records were synchronized with the experimental temperature field recording. The formation of the vortexes in the mixing zone was tracked. The vortex scales, the time-averaged flow temperature profiles, and the thermal pulsation intensity profiles were determined. A combined analysis of the flow structure and temperature fields made it possible to explain the nature of thermal pulsations in the frontal region relative to the peripheral pipe.

Abstract (Russian)

Процессы неизотермического смешения потоков теплоносителя в элементах энергетического оборудования водоохлаждаемых реакторных установок сопровождаются термопульсациями, интенсивность которых может достигать значений, приводящих к усталостному разрушению. Получение необходимых для оценки ресурса оборудования характеристик термопульсаций возможно с применением численных методов. Однако результаты расчетов нуждаются в валидации на основе экспериментально полученных полей тепловых и гидродинамических параметров среды. Для получения представления о механизме возникновения и характеристиках термопульсаций проведено экспериментальное исследование структуры потока при неизотермическом смешении в тройниковом узле. Экспериментальный стенд представляет собой гидравлически замкнутый контур. В качестве теплоносителя применена вода. Экспериментальная модель выполнена геометрически подобной участку, входящему в состав высокотемпературного стенда для исследования влияния термоциклических нагрузок на ресурсные характеристики конструкционных материалов энергетического оборудования. Модель представляет собой тройниковый узел типа «встречный впрыск», состоящий из основной и расположенной под углом периферийной труб. Коэффициент геометрического подобия K = 4/3. Материал модели – прозрачное органическое стекло. Визуализация структуры потока осуществлялась путем инжекции в поток контрастного трассера, обладающего схожей со смешиваемыми средами плотностью. Введение трассера проводилось последовательно в четырех точках с видеофиксацией процесса смешения с частотой 30 Гц. Для измерения температуры применены термопары. Получены фрагменты видеозаписи процесса смешения, а также синхронные с ними экспериментальные реализации температуры. Отслежено образование вихревых потоков в зоне смешения, определены масштабы вихрей, осредненные по времени профили температуры потока, профили интенсивности термопульсаций. Совместный анализ структуры и температурного состояния потока позволил объяснить характер термопульсаций во фронтальной относительно периферийной трубы области.

Additional details

Additional titles

Original title (Russian)
Экспериментальное исследование процессов неизотермического смешения встречных потоков несжимаемой жидкости в тройниковом узле

Publishing Information

Journal Title
Izvestiya Wysshikh Uchebnykh Zawedeniy, Yadernaya Energetika
Journal Issue
no.1
Journal Page Range
p. 57-69
ISSN
0204-3327

INIS

Country of Publication
Russian Federation
Country of Input or Organization
Russian Federation
INIS RN
55106131
Subject category
S21: SPECIFIC NUCLEAR REACTORS AND ASSOCIATED PLANTS;
Descriptors DEI
BENCH-SCALE EXPERIMENTS; CONNECTORS; COOLANTS; COUNTER CURRENT; LABORATORY EQUIPMENT; LIQUID FLOW; MIXING; PULSATIONS; TEST FACILITIES; WATER COOLED REACTORS
Descriptors DEC
CONDUCTOR DEVICES; ELECTRICAL EQUIPMENT; EQUIPMENT; FLUID FLOW; REACTORS

Optional Information

Notes
15 refs., 5 fig.