Флуктуационные явления в неравновесных потоках вскипающей жидкости тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

РЕШЕТНИКОВ Александр Васильевич

ФЛУКТУАЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В НЕРАВНОВЕСНЫХ ПОТОКАХ ВСКИПАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Екатеринбург - 2003

Работа выполнена в Институте теплофизики Уральского отделения РАН, г. Екатеринбург

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук, профессор

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор

С. Ф. Борисов

A. Я. Купряжкин

B. Н. Чуканов

Ведущая организация - Институт высоких температур РАН, г. Москва.

Защита состоится 13 ноября 2003 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д 212. 286.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Уральском государственном университете им. A.M. Горького (620083, Екатеринбург, К-83, пр. Ленина, 51, комн. 248)

С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке Уральского государственного университета им. A.M. Горького.

Автореферат разослан 1 октября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, с. н. с.

Кудреватых Н. В.

£ооЗ-А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Потоки (струи) вскипающей жидкости встречаются в природных явлениях. Они находят широкое применение в технике и технологических процессах. Актуальность изучения потока вскипающей жидкости связана с запросами атомной энергетики, с проблемой безопасности энергетических установок. В современном энергетическом оборудовании используются теплоносители с рабочими параметрами (температура, давление) близкими к параметрам термодинамической критической точки. При аварийных ситуациях с образованием течи в тракте теплоносителя могут реализоваться условия взрывного парообразования на центрах флуктуационной природы [1]. Высокая интенсивность и сосредоточенность взрывного вскипания приводит к особенностям поведения интегральных и локальных характеристик потока

Интенсивные фазовые превращения в потоке часто сопровождаются сильным отклонением состояния текущей среды от термодинамического равновесия. Это обуславливает сложную гидродинамическую картину течения и трудности аналитического описания процесса, связанные, в частности, с отсутствием надежных способов определения числа центров роста новой фазы. Поэтому целесообразно исследовать некоторые предельные режимы.

Для изучения выбран термодинамически сильно неравновесный режим стационарного истечения горячей жидкости в атмосферу. Он наблюдается при истечении из сосуда высокого давления через короткие каналы, у которых отношение длины канала к его диаметру порядка единицы. Этот режим истечения характеризуется высокой скоростью снижения давления в потоке (~105 МПа/с) и, как следствие, значительными перегревами жидкости. При начальных температурах в сосуде То>0.9Тс (Тс -температура термодинамической критической точки) перегревы могут

>тся условия

интенсивного гомогенного флуктуационного зародышеобразования (взрывное вскипание). В этом случае скорость рождения пузырьков пара рассчитывается по теории гомогенной нуклеации [1] и достигает значений J=1016 см~3с-1.

При малых перегревах появление центров кипения носит нерегулярный характер и зависит от случайных факторов. Вместе с тем, опыты по кинетике нуклеации показывают, что при умеренных перегревах, что соответствует для большинства органических жидкостей интервалу температур от 0.8ТС (для воды 0.7ТС) до 0.9ТС при атмосферном давлении, имеет место лавинообразная активация центров парообразования на "слабых местах" (пузырьки газа, твердые частицы, стенки сосуда). В этом случае происходит интенсивное вскипание на гетерогенных центрах со средней объемной частотой зародышеобразования J>106 см~3с-1.

Струя вскипающей жидкости вследствие неустойчивости поверхности тангенциального разрыва и фазовой неустойчивости жидкого состояния характеризуется значительными флуктуациями. Научный и практический интерес представляет исследование не только средних значений параметров потока вскипающей жидкости (расход, реактивная отдача, угол распыла струи...), но и хаотических отклонений от средних значений этих параметров, поскольку известен класс флуктуационных процессов, характеризующийся крупномасштабными выбросами, сравнимыми со средними значениями параметров процесса [2]. Для такого рода пульсационных процессов часто спектральная мощность колебаний изменяется обратно пропорционально частоте (1 If - или фликкер-шум). Взрывное вскипание в потоке может приводить к смене режимов течения -от гидравлического к критическому (кризис потока), что в синергетике принято называть неравновесным фазовым переходом. В работе [2] впервые экспериментально обнаружены интенсивные тепловые пульсации при переходе от пузырькового режима кипения жидкого азота к пленочному (кризис кипения и типичный пример неравновесного фазового перехода) на

тепловом домене высокотемпературного сверхпроводника. Было установлено, что спектр мощности этих пульсаций изменялся обратно пропорционально частоте. Авторами была предложена модель, согласно которой генерация фликкер-шума в системе может являться результатом взаимодействия неравновесных фазовых переходов в присутствии белого шума. Наличие 1/Р-шума свидетельствует об отсутствии характерного временного масштаба процесса и об установлении состояния самоорганизованной критичности [3]. Проблема фликкер-шума имеет фундаментальный характер, и актуальными остаются вопросы, связанные с поиском новых систем с 1/Т-шумом и построением новых моделей этого явления. Важным представляется экспериментальное изучение флуктуационных процессов в кипящих системах при неравновесных фазовых переходах в специально поставленных лабораторных опытах.

Цель работы. Экспериментальное изучение интегральных характеристик потока (расход, форма и реактивная сила струи) горячей жидкости при истечении через короткий канал в условиях взрывного вскипания: выяснение термодинамической обусловленности кризисного поведения характеристик сильно неравновесного потока вскипающей жидкости.

Исследование динамики макроскопических флуктуаций в кризисных режимах тепломассообмена для выявления возможностей и условий возникновения крупномасштабных выбросов.

Научная новизна.

Экспериментально установлена связь критического режима истечения термодинамически предельно неравновесного потока вскипающей жидкости с условиями взрывного вскипания.

Получены систематические экспериментальные данные по расходам н-пентана (модельная жидкость) в широкой области начальных состояний, включая закритические, при истечении через короткий канал в атмосферу. Обнаружены минимумы на зависимостях объемного расхода от температуры

при постоянном закритическом давлении и на зависимостях объемного расхода от давления при постоянной закритической температуре.

На фазовой Т, р - диаграмме н-пентана выделены области, соответствующие различным режимам (квазигидравлическому, критическому, равновесному) истечения в атмосферу сильно неравновесного вскипающего потока. Использование приведенных термодинамических переменных позволяет распространить этот анализ на другие вещества. Предлагаются расчетные формулы для определения расхода в каждой области и методика пересчета расходов вскипающей жидкости с одного вещества на другие.

Установлено влияние механизма парообразования на эволюцию формы струи вскипающей жидкости, истекающей через короткий канал в атмосферу, в зависимости от степени перегрева. Обнаружен полный развал струи перегретой жидкости при интенсивном объемном вскипании, как на гетерогенных, так и гомогенных центрах. Найдено, что другим необходимым условием полного развала струи является наличие нормальной плоскости за выходом из канала и взаимодействие с ней (эффект Коанда).

Исследовано поведение реактивной отдачи струи вскипающей жидкости в термодинамически сильно неравновесном режиме истечения. Установлена связь резкого снижения величины реактивной силы струи с ее полным развалом. Предложено обобщение полученных экспериментальных данных с привлечением методов термодинамического подобия.

Показано, что в критических режимах течения горячей жидкости, вызванных взрывным вскипанием, спектр мощности пульсаций паросодержания и давления в потоке изменяется обратно пропорционально частоте (1/£или фликкер-шум).

Обнаружены интенсивные термические флуктуации с 1/^спектром в кризисных режимах кипения - при переходе пузырькового режима кипения воды к пленочному на проволочном нагревателе и испаряющихся капель на горизонтальной поверхности к сфероидальному состоянию.

На системах другой природы (горение, дуговой разряд) показано, что неравновесные фазовые переходы различной природы в присутствии белого шума определенной интенсивности могут приводить к генерации флиюсер-шума.

Практическая ценность результатов. В работе даны рекомендации для оценки максимальных расходов и реактивной силы вскипающей жидкости при стационарном адиабатном истечении через короткие каналы для заданных начальных параметров, изменяющихся в широкой области состояний. Предложен способ пересчета расходов и реактивных усилий с одного вещества на другие в термодинамически сильно неравновесном режиме истечения. Полученные в работе результаты экспериментального исследования интегральных характеристик потока при фазовой неравновесности могут быть полезны для развития теории фазовых переходов в условиях высоких пересыщений. Результаты экспериментальных исследований флуктуационных процессов с 1/Т-спектром и выявленные при этом зависимости могут быть полезны при построении методов прогноза редких катастрофических событий, как в природных явлениях, так и в технических энергонапряженных процессах. Присутствие фликкер-шума в системе с возможностью крупномасштабных выбросов указывает на необходимость проведения спектральной диагностики в процессах с развитой флуктуационной природой. Экспериментальное обнаружение фликкер-шума в исследованных процессах представляет интерес для развития теории флуктуационных процессов.

Автор защищает:

-результаты экспериментального изучения расходных характеристик при изменяемом противодавлении для предельно неравновесного режима истечения вскипающей жидкости;

-утверждение о термодинамической обусловленности (взрывное вскипание) критического режима истечения сильно неравновесного потока вскипающей жидкости;

-результаты опытов по изучению зависимостей расходов и реактивных усилий вскипающих потоков от начальных параметров при истечении через короткий канал в атмосферу;

-термодинамический подход к описанию расходов предельно неравновесных двухфазных потоков;

-методику пересчета расходов и реактивных усилий с одного вещества на другие с использованием методов термодинамического подобия;

-эффект резкого снижения величины реактивной силы, обусловленный полным развалом взрывообразно вскипающей струи перегретой жидкости;

-обнаружение интенсивных пульсаций с l/f-спектром (фликкер-шум) в кризисных режимах тепломассообмена;

-утверждение о возможности генерации фликкер-шума при неравновесных фазовых переходах различной природы в присутствии белого шума;

-результаты экспериментального исследования l/f-флуктуаций в системах различной природы в условиях неравновесных фазовых переходов (дуговой разряд, горение).

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на следующих всесоюзных, российских и международных конференциях, симпозиумах, совещаниях, форумах и т.д.: I и II Всесоюзная конференция молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Новосибирск, 1985 г. и 1987 г.; Всесоюзное совещание "Теплофизика метастабильных жидкостей в связи с явлениями кипения и кристаллизации", Свердловск, 1985 г.; VII Всесоюзная конференция "Двухфазные потоки в энергетических машинах и аппаратах", Ленинград, 1985 г.; И Всесоюзная конференция по динамике разреженных газов, Свердловск, 1987 г.; семинар секции динамики НТС по теме "Проблемы безопасности при малом недогреве теплоносителя", Иркутск, 1987 г.; техсовещание секции теплофизики и гидродинамики при НТС НИКИЭТ,

Москва, 1985 г. и 1987 г.; семинар в Институте проблем освоения Севера СО АН СССР, Тюмень, 1986 г.; II Минский международный форум по тепломассообмену, Минск, 1992 г.; Waves In Two-Phase Flows Euromech Colloquium-376, Istanbul, Turkey, 1998; отраслевая конференция Мин. РФ по атомной энергии "Теплофизика - 99" и "Теплофизика - 2001", Обнинск, 1999 г. и 2001 г.; XXXI и XXXII Международный научно-методичесий семинар "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах", Москва, 2000 г. и 2001 г.; 8-й Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, Пермь, 2001 г.; Nucleation Theory and Applications, Dubna, 2002; XXVI Сибирский теплофизический семинар, Новосибирск, 2002 г.; 1-я и 3-я Российская Национальная Конференция по Тепломассообмену, Москва, 1994 г. и 2002 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 статей, 22 тезиса докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 220 страниц машинописного текста, включая 84 рисунка и 1 таблицу. Список литературных источников содержит 183 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введения формулируется цель, актуальность, научная новизна и практическая значимости исследований, представленных в диссертации.

В первой главе изложены основные представления о метастабильных фазовых состояниях, о границе термодинамической устойчивости жидкого состояния (спинодали), об особенностях поведения свойств веществ в окрестности термодинамической критической точки. На примере перегретой жидкости сформулированы положения теории гомогенной нуклеации. Вводится понятие ударного (взрывного) режима вскипания и определяется критерий его реализации для случая истечения перегретой жидкости через

короткий канал:

1 >1, (1)

здесь У(^) - объем пузырька, растущего в пределах канала (?, - время нахождения жидкости в канале), со - скорость движения жидкости на входе в канал, Р - плотность жидкости, Рпр - давление среды, в которую происходит истечение, р, (Т, ./) - давление взрывного вскипания, О -плотность числа гетерогенных центров. Даны основные положения методологии термодинамического подобия. Рассмотрены различные модели критических двухфазных потоков, созданные в рамках механики сплошной среде. Приведены основные результаты измерений реактивной отдачи струй вскипающих жидкостей, полученные другими авторами для термодинамически сильно неравновесного режима истечения. Изложены основные модельные представления, сложившиеся к настоящему времени об 1// - или фликкер-шуме, отмечены его свойства.

Во второй главе представлены результаты прямого наблюдения наступления критического режима истечения предельно неравновесного потока вскипающей жидкости в опытах по изучению расходов при изменяемом противодавлении. Для этой цели создана экспериментальная лабораторная установка. Она представляла собой устройство кратковременного действия (время истечения 4-30 с). В установке предусмотрено изменение в широком диапазоне температуры и давления в рабочей камере, из которой происходит истечение, и давления во внешней среде (противодавления). Противодавление создавалось газообразным азотом. Расход определялся по массе собранной в холодильнике рабочей жидкости и зафиксированному времени истечения. Опыты по истечению проводились на коротком цилиндрическом канале с острой входной кромкой (диаметр канала

с1=0.5 мм, отношение длины к диаметру 1/(1=1.4, гидравлический коэффициент расхода ц= 0.59).

Приведены результаты экспериментального изучения зависимости массового расхода от противодавления рпр при фиксированных начальных параметрах в рабочей камере - температуре То и давлений р0. Опыты проведены с н-пентаном. Параметры термодинамической критической точки: давление рс=3.37 МПа, температура Гс= 469.7 К, температура кипения при атмосферном давлении Т/ра)= 309 К. На фазовой диаграмме н-пентана (рис.1) точками показаны начальные состояния (ро, То) в опытах с изменяемым противодавлением. Начальное давление р0 устанавливалось равным: 2,6; 3,6; 4,9 МПа, что соответствует приведенным значениям давления -7Г= р(/рс=0.77; 1.1; 1.5. Начальная температура Т0 принимала ряд фиксированных значений в интервале от 0.6ГС до 12ТС. Противодавление р„р изменялось от р0 до атмосферного ра.

ш ты VI

Рис.1. Фазовая диаграмма опытов по истечению н-пентана. 1- линия насыщения; 2 - спинодаль пара; 3 -спинодаль жидкости; 4-линия, соответствующая частоте

гомогенного зародышеобразования •У=1020м"3с"'. С - критическая термодинамическая точка.

350 400

Установленный вид зависимости удельного массового расхода от противодавления для холодного н-пентана (Т0=293 К) согласуется с результатами известных работ по изучению истечения невскипающей воды через цилиндрические каналы в среды с изменяемым противодавлением. Кривая расходов носит разрывный характер - разбивается на два монотонных

участка. Каждый из участков описывается обычной параболической зависимостью % - - (где р0 - плотность жидкости в

<7, кг/смг-с

д> Рис. 2. Зависимость удельного

массового расхода горячего н-пентана от перепада давления (Др)|/2 при начальном давлении ра=3.7МПа и температуре Та=428К.

| I

0 0$ 1,0 1,5 2,0 (Др^/ЧПа1*

начальном состоянии), но с разным коэффициентом ц. Такой вид расходной зависимости связывается с существованием кольцевой изолированной полости (каверны) в канале при противодавлениях р„р близких к рп (здесь ц = 0.82) и ее разрушением при понижении р„р (здесь /и= 0.59). Отношение Рпр/Ро, соответствующее фанице между первьш и вторым участками составляет 0.43.

При истечении вскипающего н-пентана для начальных температур То<0.9Тс, при которых возможно вскипание на гетерогенных центрах, критического режима не обнаружено. Поведение расхода при этих температурах в целом подчиняется гидравлическим закономерностям, установленным в опытах с холодным н-пентаном. Переход от течения с каверной к течению без каверны происходит также при значении рщ/р^ОАЪ. Отсутствие критического запирания при То<0.9Тс объясняется недостаточным парообразованием на гетерогенных центрах за малое время (~10'5 с) пребывания жидкости в канале (поток в канале можно считать однофазным).

Одна из расходных характеристик для начальных температур

То>0.9Тс, соответствующих области интенсивного гомогенного зародышеобразования, приведена на рис.2. Здесь при больших перепадах давления Др (правее точки с[) наблюдается постоянство расхода с изменением противодавления. Это свидетельствует о критическом режиме истечения. Параметры начала критического запирания (точка <!') - Т, р„р - соответствуют высоко перегретым состояниям н-пентана, характеризующимся частотой гомогенного зародышеобразования У~10мм'3с'1 (линия 4 на рис. 1). Высокая интенсивность, а главное чрезвычайно сильная зависимость от параметров состояния (р, Т) спонтанного зародышеобразования приводят к резкому росту локального паросодержания в потоке, крутому падению скорости распространения малых возмущений вверх по потоку до величин порядка скорости истечения - наступает критический режим истечения. Резкая граница по параметрам состояния позволяет говорить о термодинамической обусловленности критического режима истечения предельно неравновесного потока вскипающей жидкости. При этом величина критического расхода (показана горизонтальной штриховой линией на рис.2) описывается квазигидравлической формулой

? = . (2)

где Р* | * давление, при котором происходит взрывное зскип2.ккс) соответствующее частоте гомогенной нуклеации 1/=1020м"3с"', Т0-температура, отличающаяся от Т0 на величину адиабатического охлаждения.

Существенным моментом является то, что давление взрывного вскипания Р, в (2) отождествляется с критическим давлением истечения.

На основании опытов по истечению вскипающей жидкости через короткий канал в среду с изменяемым противодавлением на фазовой диаграмме н-пентана (рис.1) выделены области: гидравлического режима истечения (область И), критического режима в условиях взрывного вскипания (Ш), равновесного истечения в окрестности критической точки.

Таблица 1.

Область фазовой диаграммы на рис.1

Расчетная формула для критического расхода

1,11

III

IV

Окрестность критической точки

Ч - ~ Ра)Рй

Ч = Мл1ЧРо~РЛТ0^))Ро

2г Ро

Г-1 V,,

Г+\/

^Рспщ^/Г _ ^ РС"Я ^ /у

I Ро

Ро

Ч = ИтЖ-г)

V г+1

Г+1/

-1 Ро

50=5

/0=г +

2 2 д V

5 = - х) + ф

Л йр]

= 0

пр

Здесь р1ПЦ - давление на спинодали пара; цг - коэффициент расхода для газа, для нашего канала ц,г=0.73; у - показатель адиабаты газообразного н-пентана, у= 1.3; э - удельная энтропия; 1 - удельная энтальпия; V -удельный объем; х - массовое паросодержание; один штрих относится к жидкому состоянию, два - к газообразному; индекс 0 относится к начальному состоянию; индекс 8 относится к линии насыщения.

Аналогичное влияние на поведение расхода конденсирующегося газа в термодинамически предельно неравновесном режиме истечения могут оказать процессы ударной конденсации (скачки конденсации). В

соответствии с таким подходом к истечению конденсирующегося газа на фазовой диаграмме н-пентана (рис.1) выделены области: критического истечения газа в условиях спонтанной конденсации (область IV), газодинамического истечения переохлажденного пара при возможности его конденсации на гетерогенных центрах (V).' Области I и VI - однофазных режимов истечения жидкости и газа соответственно. Применение приведенных термодинамических переменных позволяет распространить проведенный анализ на другие вещества.

Проведенное выше обсуждение критических режимов при сильной фазовой неравновесности составляет основу термодинамического подхода к описанию предельно неравновесного парожидкостного потока. Этот подход тесно связан с представлением о взрывном режиме фазового перехода. Использование предложенного подхода значительно упрощает описание и предсказание расходов при истечении через короткий канал - расчетные формулы для определения критических (максимальных) расходов двухфазных сред сведены в таблицу 1.

Проведено экспериментальное изучение расхода вскипающей жидкости при истечении в атмосферу (р„р=ра) в зависимости от начальных параметров р0, Т0. Если термодинамически равновесное истечение вскипающей жидкости определяет нижнюю границу наблюдаемых на практике расходов для заданных начальных параметров в сосуде р0, Т0, то термодинамически предельно неравновесное истечение определяет верхнюю границу. В поиске этой верхней границы расходов вскипающей жидкости и состояла одна из задач нашей работы. Опыты проведены с н-пентаном. Начальные параметры изменялись в широком диапазоне -0.6ТС<Т0<1.2ТС. Такой диапазон позволил охватить в опытах наряду с двухфазными неравновесными течениями (вскипающей жидкости и конденсирующегося газа) однофазные режимы (гидравлический и газовый без конденсации).

Рис.3 иллюстрирует полученные экспериментальные данные (точки) по измерению расходов в при истечении через короткий канал в атмосферу.

Изотерма 1 соответствует истечению холодного (невскипающего) н-пентана; изотермы 2, 3 - истечению вскипающей жидкости с возможном парообразованием на гетерогенных центрах; изотермы 4, 5, 6 -критическому истечению вскипающей жидкости; изотермы 7, 8, 9 - истечению среды при закритических начальных температурах.

На основании полученных экспериментальных данных построены диаграммы удельных массовых я и объемных я/ро- расходов н-пентана, истекающего в аьмосферу. Полученные расходные характеристики по сглаженным изотермам, изобарам и линии насыщения показаны на рис.4.

Рис.3. Зависимость массового расхода н-пентана от начального давления рп для различных начальных температур Тп (изотермы расхода). Точки — экспериментальные данные, сплошные линии -аппроксимационные кривые: 1 -7^=293К; 2 - 398; 3 - 428; 4 - 449; 5 -457; 6-465; 7-481; 8-503; 9-532.

0 2 4 6 8 Р0-Рв,МПа

На расходных зависимостях, представленных на рис.4, отметим два характерных признака: наличие резкого снижений расхода (массового и объемного) на юмпературной зависимости его по изобарам при т~ То/Тс ~0.9 ( Тй -423К), связанного с критическим запиранием потока в условиях

Рис. 4. Диаграммы удельных массовых (а, б) и объемных (в, г) расходов н-пентана по изотермам (а, в) и изобарам (б, г) а: 1- Та=300К; 2-350; 3-400; 4-423; 5-443; 6-453; 7-470; 8-480; 9-520; 10-560. МЫЬС -удельный массовый расход жидкости с линии насыщения; М(}С -удельный массовый расход газа с линии насыщения, б: 1- р0=0.2Мпа; 2-0.5; 3-1,0; 4-1.7; 5-2.6; 6-3.7;7-5.0; 8-6.5; 9-8.2; 10-10.1. в: 1 - Т0=423К; 2-443; 3-453; 4-470; 5-480; 6520; 7-560. Сплошные линии - жидкостные изотермы; штрих пунктирные -газовые. СО - огибающая расходных изотерм; ММХ - удельный объемный расход жидкости с линии насыщения; <ЗС -удельный объемный расход газа с линии насыщения; г: 1 -ро=0.2Мпа; 2-0.5; 3-1.0; 4-1.7; 5-2.6; 6-3.7; 7-5.0; 8-6.5; 9-8.2; 10-10.1. Сплошные линии - жидкостная часть изобар; штрих пунктирные - газовая часть. СБ - огибающая расходных изобар.

взрывного вскипания; и наличие минимумов объемного расхода на зависимостях от Т0 по изобарам при Т0 > Тс и от ро по изотермам при Ро>Рс-

По полученной сетке расходов н-пентана можно определять максимальные (критические) расходы вещества для заданных начальных параметров ро, То в широкой области состояний.

Проведено обобщение данных по расходам, полученных для н-пентана, истекающего в атмосферу через короткий канал.

Поскольку истечение вскипающей жидкости в предельно неравновесном режиме определяется термодинамическими факторами (начальным состоянием и взрывным вскипанием), то обобщение можно основывать на методе термодинамического подобия. Расходы н-пентана приведены к безразмерному виду. Для начальных состояний, лежащих слева от жидкостной изоэнтропы, проходящей через точку {Т=0.90ТС, р=0} на фазовой диаграмме вещества в координатах Т, р (область гидравлических режимов истечения), в качестве масштаба приведения выбрана величина

, для начальных состояний, лежащих справа от этой

тате такого приведения получена диаграмма безразмерного расхода показанная на рис.5.

По диаграмме %(р</рс, Т</Тс) известным геометрическим и гидравлическим характеристикам (с1, ц) короткого канала можно рассчитывать расхода различных веществ в сильно неравновесном режиме истечения. Удельный расход вещества находится умножением величины

Цро/рс, Т(/Тс) на произведение ~ Р„)Ро для области гидравлических

режимов истечения (М\[2РоРо для области критических режимов истечения); составленное для этого вещества при тех же самых приведенных

изоэнтропы, (область критических режимов истечения) - р^2р0р„. В резуль-

начальных параметрах ро/рс, Т0/Тд. В работе представлена полная картина расходов воды, полученная расчетом, для термодинамически сильно неравновесного режима истечения в атмосферу в широком интервале начальных параметров (300 К < Т0 < 800 К; р0 ^ 60 МПа). Приводится сравнение рассчитанных расходов вскипающей воды с экспериментальными данными, показывающее их удовлетворительное согласие (разница между результатами расчета и опытом не превышает 10%). Это свидетельствует о

Рис. 5. Зависимость относительного расхода от приведенного давления (а) и от приведенной температуры (б) по данным для н-пентана при истечении через короткий канал в атмосферу М'М-С- приведенный расход жидкости с линии насыщения; М"0.РС- приведенный расход газа с линии насыщения; С- расход из критической точки, а: 1 - г =0.80; 2 -0.90; 3 -0.92; 4 - 0.94; 5 - 0.96; 6 - 0.98; 7 - 1.00; 8 - 1.02; 9 - 1.07; 10 — 1.13; 11 — 1.22. б: 1 =0.3; 2- 0.6; 3 - 0.8; 4 - 1.0; 5 - 1.2; 6 - 1.5; 7 - 1.9; 8 - 2.4; 9-3.0.

правомерности предложенной методики пересчета расходов с одного вещества на другое.

В третьей главе представлены результаты измерений реактивной отдачи струи вскипающей жидкости при истечении через короткий канал в атмосферу для различных геометрических условий за выходом из канала. Также была прослежена эволюция форм струи горячей жидкости с ростом температуры. Целью данных опытов являлось определение влияния различных механизмов парообразования, в том числе взрывного вскипания, на поведение динамической реакции струи и характер распада вскипающих струй.

Измерения реактивной отдачи струй были проведены на лабораторной установке кратковременного действия, обеспечивающей стационарный режим истечения в атмосферу в течение нескольких десятков секунд. Рабочая камера представляла собой маятник в поле силы тяжести. Истечение производилось в горизонтальном направлении, и величина реактивной силы определялась по отклонению камеры от положения равновесия. В наших опытах рабочими жидкостями были н-пентан и фреон-11. Они удобны для постановки экспериментов, поскольку имеют невысокие значения температуры и давления в критической термодинамической точке. В частности, у фреона-11 - Тс = 471 К, рс = 4,3 МПа. В опытах использовался

Я, г 50

Рис. 6. Временная диаграмма процесса истечения.

0

10

20

цилиндрический канал длиной I = 0,7мм и диаметром с1 - 0,5мм. Начальные параметры жидкостей в рабочей камере (давление р0, температура Т0) соошетствовали линии насыщения и изменялись вплоть до критической точки.

Рассмотрим временную диаграмму процесса истечения, полученную на самописце (рис. 6). На этом рисунке показан пример измерения реакции струи Л в условиях взрывного вскипания без развала струи. Временной интервал ВС (который мог быть увеличен) соответствует отклонению рабочей камеры, вызванному истечением жидкости, от положения покоя (линия АВ). Если исключить начальный и конечный участки интервала ВС как нестационарные из-за отпирания и запирания рабочего канала, то в средней части имеем установившийся режим истечения. Именно в этот временной промежуток измеряется величина реактивной силы струи. Однако, как видно из рисунка, и в этом режиме истечения наблюдаются нерегулярные колебания с заметной амплитудой. В интервале от Б до Е проводилась градуировка измерительного датчика гирькой весом 50Г. Нетрудно заметить, что положение покоя камеры до и после истечения отличаются. Это объясняется смещением центра тяжести камеры вследствие уменьшения массы рабочей жидкости в ней.

Для изучения влияния геометрических условий за выходом из канала на реактивную силу струи применялись различные прижимные фланцы. Основной массив данных получен на трех фланцах. Геометрия первого фланца имитировала условия, которые возникают при поперечном разрыве трубопровода с горячей жидкостью. Рабочий канал в этом случае был вынесен за плоскость прижимного фланца на 10 мм. Геометрические характеристики второго фланца воспроизводили условия образования течи в стенке трубы или сосуда, когда за выходом из канала имеется плоскость перпендикулярная оси канала (струи). Плоскость выходного сечения канала и внешняя плоскость фланца в данном случае не совпадали. Между этими плоскостями располагалась диффузорная часть фланца. Геометрия третьего

фланца занимала промежуточное положение между формами первых двух фланцев. Здесь внешняя плоскость фланца и плоскость выходного сечения канала совпадали.

На рисунке 7а представлены результаты экспериментального изучения реактивной отдачи н-пентана, полученные для первого фланца. Линия на рисунке - расчет реактивной силы для гидравлического режима истечения при начальных параметрах, соответствующих линии насыщения н-пентана. Можно отметить хорошее совпадение экспериментальных данных с расчетом. Полученные данные находятся в согласии с результатами опытов других авторов по изучению реактивной тяги струи вскипающей воды.

Результаты измерений реактивной силы при истечении вскипающего фреона-11 с использованием второго фланца приведены на рис. То. Большая часть экспериментальных точек располагается вблизи расчетной прямой -гидравлическое приближение. В то же время заметное количество точек выпадает из общего массива. Выпавшие точки соответствуют отрицательным значениям реактивной силы. Как показали наблюдения, отрицательная реактивная тяга соответствует полному развалу струи - струя «захватывается» твердой стенкой фланца и растекается в плоскости, перпендикулярной направлению ее движения (эффект Коанда). Для анализа столь необычного поведения реактивной тяги представим полное силовое воздействие на рабочую камеру в виде двух составляющих:

Д= ]"Др</<у, (3)

пк п

где Пк-поверхность «полусферы», ограничивающая струю; С/я -проекция скорости на направление оси струи; С]- удельный массовый расход; Ар -разность между статическими давлениями у передней (обтекаемой струей) и задней стенками камеры; С2 -полная поверхность камеры, воспринимающая изменения статического давления. Второе слагаемое в (3) имеет пренебрежимо малую величину, за исключением случаев полного развала

струи. Это подтверждается оценкой, полученной при измерении разности статического давления Ар у передней и задней стенок рабочей камеры с помощью дифференциального манометра. При полном развале струи в окрестности выходного сечения канала формируется область с пониженным давлением. Разность давлений Ар может достигать таких значений, что при выбранной геометрии рабочей камеры, второе слагаемое в (3) становится сравнимым или даже превосходит первое слагаемое (собственно реактивную отдачу). Изменение геометрии внешних поверхностей камеры приводит к изменению величины интегральной силы внешнего давления и результирующая сила на камеру может быть положительной. Однако, при любой геометрии сосуда, из которого происходит истечение горячей жидкости, в момент образования полного развала струи, обусловленного интенсивным вскипанием, происходит скачкообразное (кризисное) изменение величины реактивной силы. С повышением температуры жидкости полный развал струи сменяется схлопнутым, параболическим видом струи, напоминающим газовую струю. При этом переходе одновременно происходит резкое увеличение величины реактивной силы -экспериментальные точки вновь ложатся. вблизи расчетной прямой. Охлопывание струи, по-видимому, является результатом изменений в закономерностях накопления паровой фазы в потоке. С приближением к критической точке вещества наступает режим, при котором преимущественный рост числа центров кипения в разгоняемой при

истечении жидкости идет около входного сечения канала.

♦

Результаты измерений реактивной отдачи струи вскипающего фреона с третьим фланцем для начальных параметров, соответствующих линии насыщения, приведены на рис. 7с. Сплошная линия на рисунке - расчет реакции струи для невскипающей жидкости. Видно, что за исключением двух точек экспериментальные данные близки к расчетной прямой. Выпавшие точки соответствуют полному развалу струи. Для данной выходной геометрии полный развал наблюдается в узком температурном

интервале -«5К. Начальные температуры двух указанных точек равны 155°С и 157°С (Т0/Тс я 0.91)- С третьим фланцем проведены аналогичные

измерения для струи вскипающего пентана. Реактивная тяга пентана почти полностью повторила результаты опытов с фреоном. Отличие состояло в том, что полный развал был более устойчив и охватывал больший участок параметров состояния (дТ ~ Напомним, что критические температуры

фреона-11 и н-пентана мало отличаются, в то время как отношение их критических давлений составляет 1.3. Следует обратить внимание на тот факт, что полный развал струй фреона и пентана и, связанное с развалом, резкое снижение величины реактивной силы происходили в условиях

взрывного вскипания жидкостей.

Для обобщения экспериментальных данных по измерению реактивной отдачи струи горячих жидкостей в термодинамически сильно неравновесном режиме истечения целесообразно использовать метод термодинамического подобия. Такой прием применялся по отношению к расходу вскипающих жидкостей для аналогичного режима истечения. Поскольку на расход горячей жидкости в режиме истечения с сильной фазовой неравновесностью существенное влияние оказывает только термодинамически определенный взрывной процесс вскипания, то применение этого метода оказалось эффективным. На рис. 8 результаты опытов по измерению реактивной силы представлены в безразмерных координатах. В качестве масштаба давления выбрано давление в термодинамической критической точке рс, реактивной силы - значение Ис в приближении гидравлического режима истечения для начального давления ро=рс- Из рисунка видно, что большинство измеренных значений реактивной силы для разных веществ близки к прямой, рассчитанной для невскипающей жидкости. Данные для воды взяты из работы [4], где представлены результаты опытов с геометрией выходного фланца, подобной геометрии первого фланца. В отсутствии нормальной плоскости вблизи выходного сечения канала в этих опытах развал струи горячей воды не наблюдался. На рисунке также приведены данные, показанные на рис. 7а для первого фланца, которые хорошо согласуются с расчетной зависимостью. Для второго фланца использованы результаты опытов с н-пентаном, полученные другими авторами. В этом случае отрицательные значения реактивной отдачи находятся в интервале относительных давлений от 0. 4 до 0. 6, что соответствует температурному интервалу от 135 до 160°С (взрывное вскипание). В опытах с третьим фланцем безразмерные данные для н-пентана и фреона - 11 близки.

Опыты по измерению реактивной отдачи струи вскипающей жидкости показали, что величина реактивной силы коррелирует с формой струи. Это обстоятельство можно рассматривать как одно из оснований для

изучения эволюции форм струи горячей жидкости с ростом перегрева и сменой механизмов парообразования в потоке. Вместе с тем, исследование динамики разрушения двухфазных струй представляет интерес в связи, например, с распылением топлива, нанесением покрытий и т.д. Нами проведено экспериментальное изучение форм струи вскипающей воды. Начальные состояния (р0, Т0) воды в рабочей камере соответствовали параметрам на линии насыщения в интервале 120°С <Т0 < 350°С и изобарам ^

ро = 6 и 10 МПа. Форма струй вскипающей воды при истечении в атмосферу через короткий цилиндрический канал диаметром (1 = 0,5 мм и длиной /= 0,7 мм наблюдалась визуально и фотографировалась. Отметим основные особенности изученных струй. При Го=150°С (перегрев на выходе составляет 50 °С) струя не отличается от струи невскипающей (холодной) жидкости. При Т0 =170°С отмечено влияние на форму струи отдельных паровых пузырей и поверхностного разрушения, связанного с барокапиллярной

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2 0 -0.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 >

(Ро -РаУРс

Рис. 8. Относительная реактивная сила струй вскипающих жидкостей, ^

истекающих через короткий канал в атмосферу, для различных конфигураций выходных фланцев: 1 - фреон-11 (фланец 3); 2 - н-пентан (фланец 3); 3 - н-пентан (фланец 1); 4 - н-пентан (фланец 2); 5 - вода [4] (фланец 1); сплошная линия - расчет тяги для невскипающей жидкости.

неустойчивостью. Начиная с температуры Тц ~190°С основным фактором, влияющим на форму струи, является интенсивное объемное вскипание. Струя принимает форму полого конуса. При 7о=200°С угол при вершине конуса а»90°. Подавляющая часть парожидкостной среды сосредоточена вблизи образующей конуса. Полный развал струи (а«180°) при Т/г 230°С представлен на рис. 9. На фотографии зафиксировано, как струя растекается в радиальном направлении по поверхности прижимного фланца (веерная струя). Полное раскрытие струи вскипающей воды в данной серии опытов наблюдалось в температурном интервале Тп= 215*275 °С. При 280°С<7"« < 330°С струя вновь раскрывается не полностью и имеет вид, близкий к параболическому. При Тп >330°С течение приобретает форму газовых струй с углом раскрытия а ~ 25°.

Обращает на себя внимание тот факт, что в наших опытах с водой полное раскрытие струи произошло уже при 777*с«0,75, что связано с кинетикой вскипания воды. Известно, что для воды при Т/Тс < 0,9 характерны аномально высокие частоты зародышеобразования [5] по сравнению с большинством органических жидкостей. На рис.10 представлены экспериментальные результаты частоты зародышеобразования Уем V воды в зависимости от температуры при атмосферном давлении. Данные получены разными авторами и имеют большой разброс. По-видимому, это связано с использованием различных эксперименюпьных методик. В большей степени условиям наших опытов соответствуют данные, полученные посредством быстрого изобарического вторжения в область метастабильных фазовых состояний [5].

В аэродинамических опытах было установлено, что для полного раскрытия струи воздуха необходимо, чтобы она имела форму полого конуса, - это обеспечивается предварительным закручиванием потока или помещением конического тела в струю за выходным срезом канала. Кроме того, за выходом из канала имелась плоскость, перпендикулярная оси струи.

а. То,=230°С - вид сбоку б. 1^=230°С - вид спереди

Рис. 9(а, б) Фотографии струй перегретой воды, истекающей через короткий канал в атмосферу, при начальных параметрах (Тп„ p0s) соответствующих линии насыщения.

40

А, »0

200 250

Т ° С

Рис. 10. Зависимость частоты зародышеобразования 7), см'3 с"1 от температуры при атмосферном давлении для воды. Сплошная линия 1 - расчет по теории гомогенной нуклеации, точки -

экспериментальные данные.

В опытах со вскипающими жидкостями, истекающими через короткий канал, полый конус струи наблюдался в результате интенсивного объемного вскипания, а роль плоскости, нормальной к оси струи, играл выходной

фланец. С целью изучения влияния геометрических факторов на форму струи горячей воды проведено несколько серий опытов. В частности, исследовано влияние относительной длины канала (Ш ~ 1.4; 7; 12) при с1 = 0.5 мм. С увеличением длины канала уменьшается фазовая неравновесность в адиабатическом потоке в пределах канала. При достаточно большом значении Ш фазовый переход успевает завершиться, и тогда на выходе из канала имеем термодинамически равновесный двухфазный поток. Приведенные на рис. 7 результаты опытов с основным каналом (Ш = 1.4) можно охарактеризовать как полученные в режиме термодинамически сильно неравновесного потока вскипающей воды. При //У=7 наблюдающиеся формы струи совпали с полученными на основном канале, т. е. режим истечения остался прежним. Картина истечения резко изменилась в экспериментах с 1/с1 =12. Здесь форма струи на всем поле начальных термодинамических состояний оставалась почти постоянной, сходной с формой газовой струи. Это свидетельствовало об установлении практически полного термодинамически равновесного состояния пароводяного потока на выходе из канала.

В опытах по истечению воды использовались те же прижимные фланцы, что и в опытах с органическими жидкостями. Полный развал струи вскипающей воды получен со вторым фланцем. Для конфигурации первого фланца, в которой отсутствует плоскость за выходом из канала, во веем исследованном температурном интервале полный развал струи не зафиксирован. При этом конусная и параболическая формы струи сохранялись. Для третьего фланца, у которого плоскость среза канала совпадает с плоскостью фланца, затруднено эффективное взаимодействие струи и фланца. В опытах наблюдались только случайные кратковременные развалы струи при Т0~ 250+300 °С. Гораздо более устойчивым был конусообразный профиль струи.

Во время наблюдений за струями вскипающих жидкостей (фреон, вода) были установлены не только характерные формы струй при

определенных перегревах, но и отмечены значительные флуктуации в потоке. В частности, заметно флуктуировал угол раскрытия конуса струи и локальная плотность истекающей двухфазной среды.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию динамики макроскопических флуктуаций в критических режимах истечения перегретой жидкости и при кризисе теплообмена. Такого рода исследования важны в связи с проблемой устойчивости предельных режимов и возможностью возникновения катастрофических выбросов в системе (проблема фликкер-шума). Стимулирующим фактором этих исследований являлось обнаружение фликкерных флуктуаций в теплофизической системе и предложение новой математической модели возникновения фликкер-шума [2]. Согласно модели, предложенной авторами работы [2], генерация 1// -флуктуаций может являться следствием взаимодействия неравновесных фазовых переходов, протекающих в системе, в присутствии белого шума определенной интенсивности. Следует отметить существование аналогии между переходом от пузырькового режима кипения к пленочному и процессом интенсивного объемного вскипания струй перегретой жидкости. На рис.11а показана кривая кипения воды в большом объеме, а на рис.116 -расходная характеристика при стационарном истечении струи перегретой воды через короткий насадок в атмосферу для начальных параметров, соответствующих линии насыщения. Оба процесса можно рассматривать как неравновесные фазовые переходы.

Проведено экспериментальное изучение флуктуационных явлений в струе вскипающего фреона-11. Выбор рабочего вещества был обусловлен низкой температурой кипения фреона-11 (Т1(ра)=296.Ш) и невысокими критическими параметрами. Эксперименты проводили с той же рабочей камерой, на которой измерялась реактивная отдача струи. В данных опытах камера была жестко зафиксирована. Небольшой объем рабочей камеры (V »600 см3) позволял обеспечивать стационарный режим истечения в атмосферу в течение нескольких десятков секунд. Использовался основной

рабочий канал (длина /=0.7 мм; диаметр ¿/=0.5 мм), в котором создаются высокие перегревы в потоке, в том числе и предельные. Начальные параметры жидкости в рабочей камере соответствовали линии насыщения и изменялись вплоть до критической точки.

, Вт см'2

Рис. 11. Кривая кипения воды (а) при заданном внешнем давлении и расходная характеристика вскипающей водяной струи (б) с линии насыщения.

100 300 500 т,'С

, кг сы3с1

20 Р„,МШ

Форма струи перегретого фреона проходила те же стадии эволюции с ростом температуры, что и струя воды. На рис. 12а показан первый основной цилиндрический вид струи горячей жидкости, который наблюдается при перегревах в струе АТ = Т0х -Ть ^60К (Т0з/Тс <0.63). Цилиндрическая форма струи сохраняется на протяжении нескольких десятков сантиметров. Для наибольших значений перегревов этого интервала можно заметить лишь эпизодические акты вскипания на отдельных немногочисленных центрах, что не меняет принципиально форму и вид струи. Если перегревы превышают 60 К (умеренные перегревы), цилиндрическая форма струи нарушается. При дальнейшем увеличении АТ на несколько градусов происходит довольно

резкий переход от цилиндрической формы струи к конусообразной (рис. 12Ь). Это свидетельствует не только об увеличении скорости роста пузырьков пара, но и о значительно возросшей частоте образования паровых пузырьков. Струя принимает вид конуса с паровой полостью вдоль его оси. Подавляющая часть парожидкостной среды движется по образующим конуса. В этом режиме течения наблюдается лавинообразная активация центров кипения на «слабых местах» (пузырьки газа, твердые частицы, стенки канала)- интенсивное гетерогенное зародышеобразование. Нижняя граница этого режима вскипания при атмосферном давлении для органических жидкостей определяется приведенной температурой т=Т(/Гс«0.8. Для воды указанная граница проходит при более низких приведенных температурах т»0,7. Заметим, что при малых и умеренных перегревах вскипание происходило за выходным срезом канала.

Третья характерная форма струи вскипающей жидкости, истекающей через короткий канал - параболическая (рис. 12с). Эта форма наблюдается при приведенных начальных температурах т=Т/Тс>0.9 (АТ > 130К-предельные перегревы), когда вступает в действие более мощный механизм парообразования - гомогенное флуктуационное образование пузырьков пара. Интенсивность зародышеобразования в этом режиме течения ^«1016 см"3с-1) соответствует взрывному вскипанию жидкостей в квазистатических условиях. С увеличением интенсивности зародышеобразования начало вскипания сдвигается ближе к выходу из канала, а при гомогенном флуюуационном зародышеобразовании (т=Т/Тс >0.9) смещается внутрь канала. <

Флуктуации плотности в струе вскипающей жидкости измерялись методом фотометрии лазерного излучения, прошедшего через двухфазную струю в различных ее сечениях, а флуктуации давления измерялись тензометрическим методом. Тензодатчики наклеивались на гибкую пластину с собственной частотой колебаний /0 - 80Гц, которая устанавливалась на

33 S,

i â 10° Itf 10'°

произв. ед.

ю-

10"

10

f, Гц

Рис. 13. Спектры мощности флуктуации при вскипании струи перегретого фреона-11 : а - «холодная» струя, b -вскипание за выходом из Рис. 12. Фотографии струй канала, с - взрывное вскипание в вскипающего фреона-11. (а) - канале. 7о=353К; (Ъ) - 7Ъ=393К; (с) -7'о=433К.

пути струи. В опытах производились измерения пульсаций давления, как в

осевом направлении струи, так и в поперечном. Интенсивность пульсаций в

обоих случаях была примерно одинакова. Сигнал с датчиков оцифровывался

аналого-цифровым преобразователем и записывался в память компьютера.

По полученным временным реализациям методом Фурье преобразования

находились спектры мощности флуктуаций.

На рис. 13 представлены спектры мощности флуктуаций плотности

для всех трех основных форм вскипающей струи в той же

последовательности, в которой формы ис. 12. Для

I библиотека г

I cnewfem I

5 ОЭ К» «*т 1

первого вида струи спектр имел зависимость, показанную на рис. 13а, с равномерным распределением интенсивности флуктуаций по частотам (белый шум). Для конусообразной формы струи наблюдался рост низкочастотной составляющей спектра. В области низких частот спектральная плотность мощности флуктуаций имела обратно пропорциональную зависимость от частоты (фликкер или 1-шум). Спектр приведен на рис. 13Ь. С повышением температуры Т0 в камере сечение интенсивного вскипания (вершина конуса) приближалась к выходу из канала. При этом граница перехода от белого шума к I// поведению отодвигалась в сторону более высоких частот, т.е. частотный интервал фликкер-шума расширялся. Для параболической струи в условиях взрывного вскипания в пределах канала фликкер-шум наблюдался на протяжении более четырех десятичных порядков изменения частоты (рис. 13с). Нижний предел 11/-флуктуаций был ограничен временем стационарного истечения жидкости (размером камеры). Для пульсаций давления в струе вскипающей жидкости были установлены аналогичные зависимости в поведении спектров мощности, что и для флуктуаций плотности.

К процессам с неравновесными фазовыми переходами относится кризис теплоотдачи при переходе от пузырькового к пленочному кипению. При этом N - образную кривую кипения можно рассматривать как аналог уравнения состояния при обычных термодинамически равновесных фазовых переходах, а сам переход к пленочному кипению как неравновесный фазовый переход.

В работе были проведены эксперименты по исследованию динамики флуктуаций при кризисе кипения воды на проволочном нагревателе. В экспериментах регистрировались колебания падения напряжения на платиновом нагревателе (диаметром ЮОмкм) и транспортного тока в цепи, связанные с переходными режимами кипения.

На рис.14 дана вольтамперная характеристика нагревательного элемента. Участку АБ соответствует пузырьковый режим кипения на

нагревателе, участку СВ - пленочный режим, в котором и проводились, в основном, измерения флуктуаций. Штриховыми линиями (АВ и СО) показаны переходы от одного режима кипения к другому. На рис. 15 приведены осциллограммы, соответствующие колебаниям со спектрами мощности М/- типа (1) и 1Д2 - типа (2) при пленочном кипении. Рис. 16 а, Ь показывает соответствующие гистограммы функций распределения амплитуд флуктуаций. В случае колебаний со спектральной плотностью Щ-типа функции распределения были приблизительно симметричны с максимумом вблизи нуля и походили на гауссовские. В случае колебаний со спектром 1Д2- типа функции распределения вблизи нуля часто расщеплялись на два максимума.

На рис. 17 приведены спектры мощности флуктуаций. В широком диапазоне тепловых нагрузок спектры имели вид 1/Г* с показателем а близким к единице (график 1 на рис.17). Вблизи потери устойчивости пленочного режима наряду с флуктуациями границ горячей зоны наблюдалось нерегулярное движение очага пленочного кипения, как целого. Показатель а в этом случае был близок к 2 (график 2 на рис.17). 1/Р-поведение спектров мощности флуктуаций наблюдалось для большей части осциллограмм в области пленочного кипения на нагревателе и в широком диапазоне подводимой мощности. При этом низкочастотная граница указанного поведения наблюдалась в том случае, когда подводимая мощность не была слишком велика, и нижняя граница горячей зоны не достигала конца проволочки. Иными словами, критическое поведение, о котором свидетельствуют спектры со степенной зависимостью от частоты, поддерживается в широком интервале изменения и без подстройки управляющих параметров.

Таким образом, при переходе к пленочному режиму кипения на проволочном нагревателе, наблюдаются интенсивные тепловые пульсации со спектром мощности 1/Г* - типа.

2,0

ДЦтА

10

20

1,8

Рис. 14. Вольтамперная характеристика Рис. 15. Осциллограммы тока при кризисе

кипения воды на вертикальном

вертикальной платиновой проволочки при

нагревателе, соответствующие колебаниям

смене режимов кипения воды.

со спектрами мощности 1//- типа (1) и I//2 - типа (2).

8, АЧЬг' 10»

Д1, шА

100 Д1,тА

Рис. 16. Гистограммы распределения флуктуаций. а: со спектром мощности - 1/Г-типа, Ь: со спектром мощности Шг- типа.

Рис. 17. Спектры мощности колебаний при кризисе кипения воды на вертикальном проволочном нагревателе.

Еще одним примером кризиса кипения является поведение испаряющейся капли на горячей горизонтальной поверхности в определенном температурном интервале. Капля представляет собой потоковую систему (потоки тепла, пара), подверженную Возмущениям, вызванным центрами кипения при контакте жидкости с поверхностью. Переход к, сфероидальному состоянию капли, как проявление кризиса кипения, является неравновесным фазовым переходом.

В работе с использованием оптических и резистивных методов исследована динамика флуктуаций при переходе капель п-пентана, гексана и воды к сфероидальному состоянию. Результаты приведены на рис.18 - 20. Левые ниспадающие ветви зависимостей времени испарения капель т,(Т) на рис. 18 соответствуют температурам, при которых капля контактирует с поверхностью нагрева и в ней происходит пузырьковое кипение. Резкое увеличение времени испарения с ростом температуры стенки соответствует переходу капли к сфероидальной форме. На рис.18 видно, что для пентана и гексана положение максимума времени испарения, соответствующего формированию устойчивого сфероидального состояния, близко к температуре гомогенного зародышеобразования ГЛ=144°С (п-пентан) и Г„ = 182"С (гексан) [1].

Для капли воды переход к полностью сфероидальной форме наблюдался раньше температуры гомогенной нуклеации, рассчитанной по теории (7), = 304° С). Однако и для воды положение максимума соответствовало экспериментальным данным по предельным перегревам, полученным в чистой пузырьковой камере (Тг » 250°С) [1].

На рис. 19 приведен спектр мощности флуктуаций при развитом пузырьковом кипении пентана на горячей поверхности. В области перехода капли к сфероидальному состоянию (возрастающие участки на зависимостях т/Т)) характер спектральных зависимостей изменялся. В спектрах появлялась фликкерная составляющая. Спектр мощности флуктуаций при

100 150 Т, с

V 20

10

О

Г'

Т,

\ I • •

т..

150 100 50 0

Рис. 19 Спектр мощности флуктуаций при развитом пузырьковом кипении п-50 100 150 200Т °С пентана на горячей плите.

S, arb.un.

100 200 300 т°С

Рис. 18. Зависимости времени 10" 10" 10" 10'

полного испарения капли на Рис- 20- Спектр мощности флуктуаций при

горячей плите от температуры переходе капли п-пентана к

плиты; а - п-пенган, Ъ - гексан, с - сфероидальному состоянию. Пунктирная

вода. Диаметр капель й=Амм. линия - зависимость 8~\//.

переходном режиме испарения капли пентана приведен на рис.20. Для гексана и для воды были получены аналогичные результаты.

Пересечение и взаимодействие неравновесных фазовых переходов в присутствии белого шума, который имеется в любой физической системе -достаточно общая ситуация. По этой причине 1//-шум можно ожидать в широком классе процессов с фазовыми переходами. Если в качестве нелинейного нагревателя используется пламя, а жидкость к фронту горения подается через пористый фитиль, то, как показали проведенные в диссертационной работе исследования, и в этом случае существуют режимы горения с флуктуациями, характеризуемыми 1// спектром мощности. Такое поведение обусловлено взаимодействием двух процессов - химической реакции и взрывного вскипания.

Еще одним примером энергонапряженных процессов с неравновесными фазовыми переходами являются процессы, связанные с дуговым разрядом. По сравнению с чисто теплофизическими системами в плазменных процессах электрического разряда возможны дополнительные методы диагностики, что позволяет глубже понять природу и механизмы возникновения Ш шума. При дуговом разряде происходит одновременное протекание и взаимодействие различных переходов в плазме разряда и в приэлектродных областях. Дуговой электрический разряд сопровождается интенсивной эрозией и испарением электродов. В проведенных экспериментах измерялись флуктуации тока электрической дуги в жидкости. Одновременно измерялись флуктуации сопротивления электродов, вызванные эрозией. Спектры мощности флуктуации тока дуги (и падения напряжения на дуге) имели фликкерый вид, а флуктуации мощности, вызванные эрозией электродов, имели спектры белого шума (не зависели от частоты).

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования показывают, что 1// шум может возникнуть в открытых системах с взаимодействующими неравновесными фазовыми переходами. При этом существенным является развитая флуктуационная природа процесса, что проявляется в генерации фликкер - шума. В результате происходит

перекачка энергии от высокочастотных колебаний к низкочастотным. Увеличение высокочастотной границы фликкер - шума понижает низкочастотную границу, что свидетельствует о нарастании неустойчивости и может служить предвестником крупномасштабных выбросов.

Возможность пульсаций с фликкерным спектром мощности следует учитывать при прогнозировании энергонапряженных процессов различной природы, в частности при интенсификации процессов теплообмена; при конструировании и эксплуатации энергетического оборудования, в частности струйных устройств с использованием двухфазных потоков; при анализе возможных последствий аварийных разгерметизаций аппаратов и трубопроводов с горячей жидкостью.

Основные результаты и выводы При комплексном экспериментальном исследования стационарных адиабатных потоков вскипающей жидкости в термодинамически сильно неравновесном режиме истечения были реализованы условия интенсивного парообразования на центрах флуктуационной природы (взрывное вскипание). В результате были получены следующие основные результаты:

1. Установлена термодинамическая обусловленность (взрывное вскипание) кризисного поведения интегральных характеристик (расхода, реактивной силы и формы струи) потока вскипающей жидкости в условиях предельной метастабильности. Обнаружено критическое поведение флуктуаций плотности и давления в струе - спектральная плотность мощности флуктуаций изменялась обратно пропорционально частоте (1// - или фликкер-шум).

2. Показано, что параметры наступления критического режима истечения горячей жидкости на экспериментальных зависимостях расхода от противодавления соответствуют высоко перегретым состояниям на фазовой диаграмме вещества, при которых реализуется взрывное вскипание.

3. Получены диаграммы удельных массовых и объемных расходов вещества в широком диапазоне изменения начальных параметров (температура и давление) на основании измерений расходов модельной жидкости (н-пентан) при истечении через короткий канал в атмосферу. Найдено, что вскипание на гетерогенных центрах не приводит к заметному отступлению от гидравлического режима истечения горячей жидкости.

4. Термодинамическая определенность взрывного вскипания дала возможность приведения расходов н-пентана к безразмерному виду с использованием методов термодинамического подобия. Проведен пересчет расходов на другие вещества, в частности, на воду. Показан общий характер влияния термодинамической неравновесности потока в коротком канале на поведение расхода двухфазной среды.

5. Обнаружено резкое снижение величины реактивной силы струи в интервале начальных температур, соответствующих области взрывного вскипания, в опытах с органическими жидкостями по изучению зависимости реакции струи от перепада давления на коротком канале при изменении начальных состояний вдоль линии насыщения Установлена связь скачкообразного падения реактивной силы с полным развалом струи. Предложено обобщение экспериментальных данных по реактивной отдаче струи.

6. Изучена эволюция форм струи вскипающей воды, истекающей в атмосферу, с ростом начальных параметров (температуры и давления) в рабочей камере. Обнаружен полный развал струи. Показано, что полное раскрытие струи обусловлено как интенсивным объемным вскипанием, так и взаимодействием струи с нормальной плоскостью за выходным срезом канала (эффект Коанда).

7. Проведено экспериментальное изучение спектральных характеристик локальных пульсаций плотности и давления в струе перегретой жидкости в критических режимах течения и тепловых флуктуаций в кризисных режимах теплообмена (пленочное кипение на проволочном нагревателе,

капля на горячей поверхности при переходе к сфероидальному состоянию). Установлено, что в исследованных процессах присутствуют высокоэнергетичные низкочастотные пульсации с 1// - спектром, что означает возможность крупномасштабных выбросов в системе.

8. Обнаруженные интенсивные пульсации с фликкерным спектром в кризисных режимах тепломассообмена связываются с протеканием неравновесных фазовых переходов в исследованных процессах.

9. Проведено экспериментальное исследование динамики флуктуаций при неравновесных фазовых переходах, связанных с горением и электрическим разрядом. Изученные спектральные характеристики колебаний фронта горения и тока в электрической дуге показали присутствие 1/f флуктуаций в исследованных процессах.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Решетников A.B., Исаев O.A., Неволин М.В. Экспериментальная установка по изучению истечения вскипающей жидкости через короткие каналы при изменяемом противодавлении // В сб.: Термодинамические исследования метаетабильных жидкостей. Свердловск, 1986. С.49-53.

2. Исаев O.A., Решетников A.B., Скрипов В.П., Неволин М.В. Изучение критического запирания потока высокотемпературной вскипающей жидкости в коротком канале при снижении противодавления // ТВТ. 1987. Т.25, № 1.С.98-103.

3. Исаев O.A., Решетников A.B., Скрипов В.П. Изучение критического запирания стационарных неравновесных потоков вскипающей жидкости // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1988. № 6. С. 114-121.

4. Решетников A.B., Исаев O.A., Скрипов В.П. Критические расходы вскипающей жидкости и конденсирующегося газа при неравновесном режиме истечения//ТВТ. 1988. Т. 26, № 3. С. 544-548.

5. Решетников А. В., Исаев О. А., Скрипов В. П. Расход вскипающей жидкости при истечении в атмосферу. Переход от модельного вещества к

воде // ТВТ. 1988. Т. 26, №4. С. 774-777.

6. Решетников A.B., Исаев O.A., Мажейко H.A., Буланов Н.В. Развал струи вскипающей воды // Тепломассообмен: Материалы Международного форума по тепломассообмену Минск, 18 -22 мая 1992. Минск: Ин-т тепломассообмена им. A.B. Лыкова АН Беларуси. 1992. Т. 4, ч. 1. С. 115117.

7. Решетников A.B., Женихов A.A., Скрипов В.П. Влияние условий входа и выхода на развал струи вскипающей воды // Тр. Первой Рос. нац. конф. по теплообмену, Москва, 1994 г. 21-25 ноября: МЭИ Т. 6. С. 200-204.

8. Решетников A.B., Мажейко H.A., Скрипов В.П. Струи вскипающих жидкостей // ПМТФ. 2000. Т.41. №3. С. 125-132

9. Мажейко H.A., Решетников A.B., Скрипов В.П. Форма и реактивная отдача струи вскипающей жидкости // В сб.: Метастабильные состояния и фазовые переходы. Екатеринбург, 2001. С. 18-26.

Ю.Решетников А. В., Скрипов В. П., Мажейко Н. А., Скоков В.Н., Коверда В.П. l/f-флуктуации в кризисных режимах течения перегретой жидкости. //ТВТ. 2002.Т.40. №3 С.481-484. П.Решетников А. В., Мажейко Н. А., Коверда В. П., Скоков В.Н. Скрипов В. П., Уймин А. А. Фликкер-шум в струе перегретой жидкости. // ДАН. 2001. Т. 380, №2. С. 176-178.

12. Решетников A.B., Скоков В.Н., Коверда В.П., Скрипов В.П., Мажейко H.A., Виноградов A.B. Фликкер-шум и самоорганизованная критичность в кризисных режимах кипения. //ПМТФ. 2002.Т. 41. №1. С. 131-136.

13. Решетников А. В., Мажейко Н. А., Скрипов В. П., Скоков В.Н., Коверда В. П. Реактивная отдача и пульсации давления с Mf спектром мощности в условиях взрывного вскипания струй перегретой жидкости // ТВТ. 2002. Т.40. С. 756-760.

14. Решетников А. В., Скрипов В. П., Коверда В. П., Скоков В.Н. Термодинамический кризис во вскипающих потоках. Обнаружение фликкер-шума.// Изв. Академии Наук. Энергетика. 2003. №1. С. 118-125.

15. Skokov V. N., Koverda V. P., Reshetnikov A. V., SkripovV. P., Mazheiko N. A., and Vinogradov A. V. 1 If noise and self-organized criticality in crisis regimes of heat and mass transfer // International J ournal of Heat and Mass Transfer. May 2003.V. 46.N.10.P.1879-1883.

16. Решетников А. В., Скрипов В. П., Коверда В. П., Скоков В.Н., Мажейко Н. А., Виноградов А.В. Фликкер-шум в струях перегретой жидкости // Труды третьей российской национальной конференции по теплообмену. 21-25 октября 2002. Москва. Изд-во МЭИ. Т. 4. С.158-161.

17. Скоков В.Н., Коверда В.П., Решетников А.В. Флуктуации с Mf спектром при пленочном кипении // Письма в ЖЭТФ. 1999. Т.69. Вып.8. С.590 -593.

18. Skokov V.N., Koverda V.P. and Reshetnikov A.V. Self -organization of a critical state and 1 If fluctuations at film boiling // Phys. Lett. A. 1999. V. 263. P. 430 - 433.

19. Скоков B.H., Решетников A.B., Коверда В.П. Самоорганизация критических флуктуаций и \/f - спектры в кризисных режимах кипения // ТВТ. 2000. Т.38. Вып.5. С.786-791.

20.Решетников А. В., Скоков В.Н., Коверда В. П., Малыгин А. П. Фликкер-шум при кризисных режимах кипения. // В сб.: Метастабильные состояния и фазовые переходы. Вып.З. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. С. 40-48.

21. Скоков В.Н., Решетников А.В., Коверда В.П., Виноградов А. В. Фликкер-шум при кризисе кипения воды // Труды третьей российской национальной конференции по теплообмену. 21-25 октября 2002. Москва. Изд-во МЭИ. Т. 4. С.169-172.

22. Решетников А.В., Виноградов А.В., Коверда В.П., Скоков В.Н. 1/f шум в колебательных режимах горения // ДАН. 2000. Т. 374. Вып.4. С. 481 - 483.

23. Skokov V.N., Reshetnikov A.V., Koverda V.P., Vinogradov A.V. Self-Organized criticality and 1 If - noise at interacting nonequilibrium phase transitions // Physica A. 2001. V. 293. P. 1 - 12.

24. Скоков В.Н., Решетников А.В., Коверда В.П., Виноградов А.В. 1 If шум при взаимодействии фазовых переходов // ТВТ. 2001. Т. 39. Вып.2. С. 316 -321.

25. Решетников А.В., Коверда В.П., Скоков В.Н., Виноградов А.В. Фликкер

- шум при осцилляциях фронта горения // В сб.: Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. М.: МЭИ.

2001, с.93-97.

26. Решетников А.В., Коверда В.П., Скоков В.Н., Виноградов А.В. Фликкер

- шум при осцилляциях фронта горения // Труды третьей российской национальной конференции по теплообмену. 21-25 октября 2002. Москва. Изд-во МЭИ. Т. 3. С.225-226.

27. Коверда В.П., Решетников А.В., Скоков В.Н., Виноградов А.В. Фликкер -шум при дуговом разряде // В сб.: Метастабильные состояния и фазовые переходы. Вьш.4. Екатеринбург: УрО РАН, 2000. С. 42-45.

28. Скоков В.Н., Коверда В.П., Решетников А.В. Самоорганизованная критичность и 1 If флуктуации при неравновесных фазовых переходах // ЖЭТФ. 2001.Т. 119. Вып.З. С. 613-620.

29.Koverda V.P., Skokov V.N., Reshetnikov A.V. 1//"-noise at non-equilibrium phase transitions // In: Nucleation Theory and Applications/ Dubna: JINR,

2002. P.259-272.

30. Скрипов В. П., Виноградов А.В., Скоков В.Н., Решетников А. В., Коверда В. П. Капля на горячей плите: появление 1 If - шума при переходе к сфероидальной форме // ЖТФ. 2003. Т.73. Вып.6. с.21-23.

Цитированная литература

1. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М.: Наука, 1972.312 с.

2. Коверда В. П., Скоков В. Н., Скрипов В. П., 1/f - при неравновесном фазовом переходе. Эксперимент и математическая модель. И ЖЭТФ. 1998. Т. 113, вып. 5. С. 1748 -1757.

3. Bak P., Tang Ch., Wiesenfeld К. Self - organized criticality // Phys. Rev. A.

1988. V.38. Nol. P.364-374.

4. Виноградов В. E., Синицын E. H. , Скрипов В.П. Расходные и тяговые характеристики потока вскипающей воды, истекающей через короткие сопла Лаваля // Теплоэнергетика. 1987. №6. С. 56-57.

5. Павлов П.А. Динамика вскипания сильно перегретых жидкостей. -Свердловск: УрО АН СССР, 1988. -244с.

6. Коган Ш.М. Низкочастотный токовый шум со спектром типа 1/f в твердых телах // УФН. 1985. Т.145. В.2. С.285-328.

Подписано в печать ¿9,09.2003г. Формат 60x84/16. Бумага ВХИ. Усл. печ. л. Щ. Заказ 273.. Тираж 100 экз. Отпечатано в ИПЦ «Изд-во УрГУ» г. Екатеринбург, ул. Тургенева, 4.

р 1 5 3 О 7

Введение

1. Интегральные и локальные характеристики критического режима течения вскипающей жидкости. Аналитический обзор

1.1.Метастабильные фазовые состояния

1.1.1. Кинетика гомогенной нуклеации. Ударный режим вскипания

1.1.2. Термодинамическое подобие. Расширенная фазовая диаграмма в приведенных координатах

1.2. Критический расход двухфазных потоков

1.3. Экспериментальные исследования реактивной отдачи струи вскипающей жидкости

1.3.1. Реактивная сила

1.3.2. Состояние исследований

1.4. Критические флуктуации в неравновесных потоках.

Основные модели фликкер-шума.

1.4.1. Экспериментальное обнаружение 1/f шума при неравновесных фазовых переходах

1.4.2. Свойства 1/f шума46.

1.4.3. Суперпозиция релаксационных процессов

1.4.4. Теплопроводная модель

1.4.5. 1/f шум как последовательность случайных импульсов

1.4.6. Дробное интегрирование белого шума

1.4.7. 1/f шум как аномальное броуновское движение

1.4.8. Самоорганизованная критичность^58.

2. Расход вскипающей жидкости в термодинамически неравновесном режиме истечения

2.1. Экспериментальная установка по изучению расходов вскипающей жидкости при стационарном истечении

2.1.1. Схема установки и устройство

2.1.2. Методика проведения опытов'

2.1.3. Поправка и погрешности измерений

2.2. Гидродинамический кризис истечения предельно неравновесного парожидкостного потока. Термодинамический подход

2.2.1. Условия проведения опытов с изменяемым противодавлением

2.2.2. Опыты с холодным н-пентаном

2.2.3. Расходы вскипающего н-пентана при изменении противодавления

2.2.3.1. Истечение горячего н-пентана при температурах Т<0.9ТС

2.2.3.2. Истечение горячего н-пентана при температурах Т>0.9ТС

2.2.3.3. Опыты по истечению закритического флюида

2.2.4. Термодинамический подход к описанию предельно неравновесных двухфазных потоков

2.3. Расход вскипающей жидкости при истечении в атмосферу

2.3.1. Условия проведения опытов по истечению двухфазных сред в атмосферу. Результаты измерений расходов

2.3.2. Диаграммы удельных массовых и объемных расходов н-пентана неравновесного режима истечения

2.4. Обобщение данных по расходам при истечении через короткий канал

2.4.1. Приведение расходов к безразмерному виду. Диаграмма безразмерных расходов

2.4.2. Пересчет расходов н-пентана на воду. Сравнение с экспериментом

3. Струи вскипающих жидкостей. Реактивная отдача и формы струи при истечении через короткий канал

3.1. Экспериментальное изучение реактивной отдачи струи вскипающей жидкости в неравновесном режиме истечения

3.1.1. Условия проведения опытов

3.1.2. Результаты опытов и обсуждение

3.2. Формы струй вскипающей воды

3.2.1. Условия проведения опытов

3.2.2. Результаты и обсуждение

4. Фликкер-шум в кипящих системах

4.1. Фликкер — шум в системе двух нелинейных стохастических уравнений

4.1.1. Сосредоточенные системы

4.1.2. Возможный сценарий перехода к неустойчивому состоянию

4.1.3. Пространственно распределенные системы

4.2. Экспериментальное исследование критического поведения и 1/f шума при неравновесных фазовых переходах в присутствии внешнего шумового воздействия

4.2.1. Пульсации в струе вскипающей жидкости

4.2.2. Кризис кипения воды на проволочном нагревателе

4.2.3. Смена режимов кипения при джоулевом разогреве водных растворов электролитов

4.2.4. Флуктуации при испарении капель на горячей поверхности

4.2.5. 1/f шум в колебательных режимах горения

4.2.6. Флуктуации тока при дуговом электрическом разряде

Актуальность темы

Потоки (струи) вскипающей жидкости встречаются в природных явлениях. Они находят широкое применение в технике и технологических процессах. Актуальность изучения потока вскипающей жидкости связана с запросами атомной энергетики, с проблемой безопасности энергетических установок. В современном энергетическом оборудовании используются теплоносители с рабочими параметрами (температура, давление) близкими к параметрам термодинамической критической точки. При аварийных ситуациях с образованием течи в тракте теплоносителя могут реализоваться условия взрывного парообразования на центрах флуктуационной природы [1]. Высокая интенсивность и сосредоточенность взрывного вскипания приводит к особенностям поведения интегральных и локальных характеристик потока

Интенсивные фазовые превращения в потоке часто сопровождаются сильным отклонением состояния текущей среды от термодинамического равновесия. Это обуславливает сложную гидродинамическую картину течения и трудности аналитического описания процесса, связанные, в частности, с отсутствием надежных способов определения числа центров роста новой фазы. Поэтому целесообразно исследовать некоторые предельные режимы.

Для изучения выбран термодинамически сильно неравновесный режим стационарного истечения горячей жидкости в атмосферу. Он наблюдается при истечении из сосуда высокого давления через короткие каналы, у которых отношение длины канала к его диаметру порядка единицы. Этот режим истечения характеризуется высокой скоростью снижения давления в потоке (~105 Мпа/с) и, как следствие, значительными перегревами жидкости. При начальных температурах в сосуде То>0.9Тс (Тс -температура термодинамической критической точки) перегревы могут достигать предельных (околоспинодальных) значений и реализуются условия интенсивного гомогенного флуктуационного зародышеобразования (взрывное вскипание). В этом случае скорость рождения пузырьков пара рассчитывается по теории гомогенной нуклеации [1] и достигает значений J=10,6cm"3C~1.

При малых перегревах появление центров кипения носит нерегулярный характер, и зависит от случайных факторов. Вместе с тем, опыты по кинетике нуклеации показывают, что при умеренных перегревах, что соответствует для большинства органических жидкостей интервалу температур от 0.8ТС (для воды 0.7ТС) до 0.9ТС при атмосферном давлении, имеет место лавинообразная активация центров парообразования на "слабых местах" (пузырьки газа, твердые частицы, стенки сосуда). В этом случае происходит интенсивное объемное вскипание на гетерогенных центрах со средней объемной частотой зародышеобразования -J>106 см~3с-1.

Струя вскипающей жидкости вследствие неустойчивости поверхности тангенциального разрыва и фазовой неустойчивости жидкого состояния характеризуется значительными флуктуациями. Взрывное вскипание в потоке может приводить к смене режимов течения - от гидравлического к критическому (кризис потока), что в синергетике принято называть неравновесным фазовым переходом. В работах [2-4] впервые экспериментально обнаружены интенсивные тепловые пульсации при переходе от пузырькового режима кипения жидкого азота к пленочному (кризис кипения и типичный пример неравновесного фазового перехода) на тепловом домене высокотемпературного сверхпроводника. Было установлено, что спектр мощности этих пульсаций изменялся обратно пропорционально частоте (1/f - или фликкер-шум). Авторами была предложена модель, согласно которой генерация фликкер-шума в системе может являться результатом взаимодействия неравновесных фазовых переходов в присутствии белого шума. Наличие l/f-шума свидетельствует об отсутствии характерного временного масштаба процесса и об установлении состояния самоорганизованной критичности [5]. Проблема фликкер-шума имеет фундаментальный характер и актуальными остаются вопросы, связанные с поиском новых систем с l/f-шумом и построением новых моделей этого явления. Важным представляется экспериментальное изучение флуктуационных процессов в кипящих системах при неравновесных фазовых переходах в специально поставленных лабораторных опытах.

Цель работы

Экспериментальное изучение интегральных характеристик потока (расход, форма и реактивная сила струи) горячей жидкости при истечении через короткий канал в условиях взрывного вскипания: выяснение термодинамической обусловленности кризисного поведения характеристик сильно неравновесного потока вскипающей жидкости.

Исследование динамики макроскопических флуктуаций в кризисных режимах тепломассообмена для выявления возможностей и условий возникновения крупномасштабных выбросов.

Научная новизна

-экспериментально установлена связь критического режима истечения термодинамически предельно неравновесного потока вскипающей жидкости с условиями взрывного вскипания;

-получены систематические экспериментальные данные по расходам н-пентана ( модельная жидкость ) в широкой области начальных состояний , включая закритические, при истечении через короткий канал в атмосферу. Обнаружены минимумы на зависимостях объемного расхода от температуры при постоянном закритическом давлении и на зависимостях объемного расхода от давления при постоянной закритической температуре;

-на фазовой Т, р - диаграмме н-пентана выделены области, соответствующие различным режимам (квазигидравлическому, критическому, равновесному) истечения в атмосферу сильно неравновесного вскипающего потока. Использование приведенных термодинамических переменных позволяет распространить этот анализ на другие вещества. Предлагаются расчетные формулы для определения расхода в каждой области и методика пересчета расходов вскипающей жидкости с одного вещества на другие;

-установлено влияние механизма парообразования на эволюцию формы струи вскипающей жидкости, истекающей через короткий канал в атмосферу, в зависимости от степени перегрева. Обнаружен полный развал струи перегретой жидкости при интенсивном объемном вскипании, как на гетерогенных, так и гомогенных центрах. Найдено, что другим необходимым условием полного развала струи является наличие нормальной плоскости за выходом из канала и взаимодействие с ней (эффект Коанда)

-исследовано поведение реактивной отдачи струи вскипающей жидкости в термодинамически сильно неравновесном режиме истечения. Установлена связь резкого снижения величины реактивной силы струи с ее полным развалом. Предложено обобщение полученных экспериментальных данных с привлечением методов термодинамического подобия;

-показано, что в критических режимах течения горячей жидкости, вызванных взрывным вскипанием, спектр мощности пульсаций паросодержания и давления в потоке изменяется обратно пропорционально частоте (l/f-или фликкер-шум).

-обнаружены интенсивные термические флуктуации с l/f-спектром в кризисных режимах кипения - при переходе пузырькового режима кипения воды к пленочному на проволочном нагревателе и испаряющихся капель на горизонтальной поверхности к сфероидальному состоянию.

-на системах другой природы (горение, дуговой разряд) показано, что неравновесные фазовые переходы различной природы в присутствии белого шума определенной интенсивности могут приводить к генерации фликкер-шума.

Практическая ценность результатов

В работе даны рекомендации для оценки максимальных расходов и реактивной силы вскипающей жидкости при стационарном адиабатном истечении через короткие каналы для заданных начальных параметров, изменяющихся в широкой области состояний. Предложен способ пересчета расходов и реактивных усилий с одного вещества на другие в термодинамически сильно неравновесном режиме истечения. Полученные в работе результаты экспериментального исследования интегральных характеристик потока при фазовой неравновесности могут быть полезны для развития теории фазовых переходов в условиях высоких пересыщений. Результаты экспериментальных исследований флуктуационных процессов с l/f-спектром и выявленные при этом зависимости могут быть полезны при построении методов прогноза редких катастрофических событий, как в природных явлениях, так и в технических энергонапряженных процессах. Присутствие фликкер-шума в системе с возможностью крупномасштабных выбросов указывает на необходимость проведения спектральной диагностики в процессах с развитой флуктуационной природой. Изучение динамики флуктуационных процессов в кризисных режимах тепломассообмена (обнаружение фликкер-шума) представляет интерес для статистической теории открытых систем, в частности теории фликкер-шума и самоорганизованной критичности.

Автор защищает:

-результаты экспериментального изучения расходных характеристик при изменяемом противодавлении для предельно неравновесного режима истечения вскипающей жидкости;

-утверждение о термодинамической обусловленности (взрывное вскипание) критического режима истечения сильно неравновесного потока вскипающей жидкости;

-результаты опытов по изучению зависимостей расходов и реактивных усилий вскипающих потоков от начальных параметров при истечении через короткий канал в атмосферу;

-термодинамический подход к описанию расходов предельно неравновесных двухфазных потоков;

-методику пересчета расходов и реактивных усилий с одного вещества на другие с использованием методов термодинамического подобия;

-эффект резкого снижения величины реактивной силы, обусловленный полным развалом взрывообразно вскипающей струи перегретой жидкости;

-обнаружение интенсивных пульсаций с l/f-спектром (фликкер-шум) в кризисных режимах тепломассообмена;

-утверждение о возможности генерации фликкер-шума при неравновесных фазовых переходах различной природы в присутствии белого шума;

-результаты экспериментального исследования l/f-флуктуаций в системах различной природы в условиях неравновесных фазовых переходов (дуговой разряд, горение).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

При комплексном экспериментальном исследования стационарных адиабатных потоков вскипающей жидкости в термодинамически сильно неравновесном режиме истечения были реализованы условия интенсивного парообразования на центрах флуктуационной природы (взрывное вскипание). В результате были получены следующие основные результаты:

1. Установлена термодинамическая обусловленность (взрывное вскипание) кризисного поведения интегральных характеристик (расхода, реактивной силы и формы струи) потока вскипающей жидкости в условиях предельной метастабильности. Обнаружено критическое поведение флуктуаций плотности и давления в струе — спектральная плотность мощности флуктуаций изменялась обратно пропорционально частоте (1//- или фликкер-шум).

2. Показано, что параметры наступления критического режима истечения горячей жидкости на экспериментальных зависимостях расхода от противодавления соответствуют высоко перегретым состояниям на фазовой диаграмме вещества, при которых реализуется взрывное вскипание.

3. Получены диаграммы удельных массовых и объемных расходов вещества в широком диапазоне изменения начальных параметров (температура и давление) на основании измерений расходов модельной жидкости (н-пентан) при истечении через короткий канал в атмосферу. Найдено, что вскипание на гетерогенных центрах не приводит к заметному отступлению от гидравлического режима истечения горячей жидкости.

4. Термодинамическая определенность взрывного вскипания дала возможность приведения расходов н-пентана к безразмерному виду с использованием методов термодинамического подобия. Проведен пересчет расходов на другие вещества, в частности, на воду. Показан общий характер влияния термодинамической неравновесности потока в коротком канале на поведение расхода двухфазной среды.

5. Обнаружено резкое снижение величины реактивной силы струи в интервале начальных температур, соответствующих области взрывного вскипания, в опытах с органическими жидкостями по изучению зависимости реакции струи от перепада давления на коротком канале при изменении начальных состояний вдоль линии насыщения Установлена связь скачкообразного падения реактивной силы с полным развалом струи. Предложено обобщение экспериментальных данных по реактивной отдаче струи.

6. Изучена эволюция форм струи вскипающей воды, истекающей в атмосферу, с ростом начальных параметров (температуры и давления) в рабочей камере. Обнаружен полный развал струи. Показано, что полное раскрытие струи обусловлено как интенсивным объемным вскипанием, так и взаимодействием струи с нормальной плоскостью за выходным срезом канала (эффект Коанда).

7. Проведено экспериментальное изучение спектральных характеристик локальных пульсаций плотности и давления в струе перегретой жидкости в критических режимах течения и тепловых флуктуаций в кризисных режимах теплообмена (пленочное кипение на проволочном нагревателе, капля на горячей поверхности при переходе к сфероидальному состоянию). Установлено, что в исследованных процессах присутствуют высокоэнергетичные низкочастотные пульсации с 1//- спектром, что означает возможность крупномасштабных выбросов в системе.

8. Обнаруженные интенсивные пульсации с фликкерным спектром в кризисных режимах тепломассообмена связываются с протеканием неравновесных фазовых переходов в исследованных процессах.

9. Проведено экспериментальное исследование динамики флуктуаций при неравновесных фазовых переходах, связанных с горением и электрическим разрядом. Изученные спектральные характеристики колебаний фронта горения и тока в электрической .дуге показали присутствие 1//флуктуаций в исследованных процессах.

Автор выражает благодарность академику В.П. Скрипову, чл.-корреспонденту РАН В. П. Коверде и д.ф.-м.н. В. Н. Скокову за постоянное внимание, поддержку работы и обсуждение результатов, а также аспиранту А. В. Виноградову за помощь в выполнении работы.

1. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М.: Наука, 1972.312 с.

2. Коверда В.П., Скоков В.Н., Скрипов В.П. 1/f шум в критическом неравновесном фазовом переходе // Письма в ЖЭТФ. 1996. Т.63.Вып.9. С.739.

3. Коверда В. П., Скоков В. Н., Скрипов В. П., 1/f при неравновесном фазовом переходе. Эксперимент и математическая модель. // ЖЭТФ. 1998. Т. 113, вып. 5. С. 1748 -1757.

4. Koverda V.P., Skokov V.N. An origin of 1/f fluctuations at a nonequilibrium phase transition // Physica A. 1999. V.262. P.376 386.

5. Bak P., Tang Ch., Wiesenfeld K. Self organized criticality // Phys. Rev. A. 1988. V.38. Nol. P.364-374.

6. НигматулинP.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978. 336 с.

7. Павлов П.А., Скрипов В.П. Вскипание жидкости при импульсном нагреве. 1. Методика эксперимента с тонкими проволочками // ТВТ. 1965. Т.З, №1. СЛ 09-114.

8. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии // Скрипов В.П., Синицын Е.Н., Павлов И.А. и др. М.: Атомиздат, 1980. 208 с.

9. Павлов П.А. Динамика вскипания сильно перегретых жидкостей. — Свердловск: УрО АН СССР, 1988. -244с.

10. Скрипов В.П., Чуканов В.Н. Гранила термодинамической устойчивости перегретой воды и пересыщенного пара // Теплоэнергетика. 1969. №9. С.66-69

11. Ривкин СЛ., Александров А.А., Кременевская Е.А. Термодинамические производные для воды и водяного пара. М.: Энергия, 1977. 264с.

12. Ривкин СЛ., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1980. 424с.

13. Павлов П.А., Никитин Е.Д. Кинетика зародышеобразования в перегретой воде //ТВТ. 1980. Т.18. № 2. С.354-357.

14. Никитин Е.Д., Павлов П.А. Плотность центров парообразования в воде на платиновом нагревателе //ТВТ. 1980. Т.18, № 6. С. 1237-1241.

15. Павлов П.А., Никитин Е.Д. Плотность центров кипения при высоком перегреве жидкости // Перегретые жидкости и фазовые переходы. Свердловск, 1979. С.22-27.

16. Павлов П.А., Попель П.С. Плотность центров парообразования в объеме перегретой воды // Теплофизические свойства жидкостей и взрывное вскипание. Свердловск, 1976. С.59-64.

17. Фольмер М. Кинетика образования новой фазы. М.: Наука, 1986. 208с.

18. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. JI.: Наука, 1975. 592 с.

19. Зельдович Я.Б. К теории образования новой фазы. Гомогенная нуклеация. Кавитация//ЖЭТФ. 1942. Т. 12, № 11-12. С.525-538.

20. Скрипов В.П., Павлов П.А., Синицын В.И. Вскипание жидкости при импульсном нагреве. 2. Опыты с водой, спиртами, н-гексаном и нонаном // ТВТ. 1965. Т.З, №5. С.722-726.

21. Павлов П.А., Скрипов В.П. Парообразование при импульсном нагреве жидкости // ИЖФ. 1967. Т. 12, №4. С.503-507.

22. Павлов П.А., Скрипов В.Н. Ударный режим вскипания // Атомная и молекулярная физика. Свердловск, 1971. С.55-58.

23. Павлов П.А. Ударный режим вскипания // Фазовые превращения в метастабильных системах. Свердловск, 1983. С.3-10.

24. Павлов П.А. Метод исследования высоких частот спонтанного рождения пузырьков в перегретой жидкости // Термодинамические исследования метастабильных жидкостей. Свердловск, 1986. С. 39-48.

25. Skripov V.P., Pavlov Р.А., Sinitain E.N., Shuravenko N.A., Isaev O.A. Shock boiling-up in flowing liquids // Proceeding of 1978 International seminar.

26. Momentum, heat and mass transfer in two-phase energy and chemical . systems. Dubrovnik, Yugoslavia.

27. Линхард, Аламгир, Трела. Начальная стадия снижения давления горячей воды при внезапном сбросе высокого давления // Теплопередача. 1978. Т.100, №3.C.93-106.

28. Кутателадзе С. С. Анализ подобия и физические модели. Новосибирск: Наука, 1986.296с.

29. Филиппов Л.Н. Подобие свойств веществ. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1978. 256с.

30. Levy S. Steem slip theoretical prediction from momentum model // Journal of Heat Transfer. 1960. V.82. P. 113-121.

31. Леви. Расчет двухфазного критического расхода//Теплопередача. 1965. №1. С. 34-69.

32. Муди. Максимальный расход однокомпонентной двухфазной смеси // Теплопередача. 1965. №1. С. 160-170.

33. Fauske Н.К. Contribution to the theory of two-phase, one component critical flow // ANI-6633. USAEC Research and Development Report. TiD-4500. Oct. 1962.

34. Фисенко B.B. Критические двухфазные потоки. M.: Атомиздат, 1978. 160с.

35. Ogasawara Н. A theoretical approach to two-phase critical flow // Bull, of JSME. 1969. v.12.N52. P.848-856.

36. Zaloudek F.R. The low presseure critical discharge of Stream-Water mixtures from pipes //HW-68936. Hanford Atomic Prodacts Operation. 1961.

37. Henry R.E., Fauske H.K. McComas S.T. Two-phase critical flow at low qualities. Part 1. Experimental //Nucl. Sci. and Engng. 1970. V.41. N1. P.79-91.

38. Cruver J.E. Metastable critical flow of stream-water mixtures // Ph. D. Thesis. Washington. 1963.

39. Алешин B.C., Калайда Ю.А., Фисенко В.В. Исследование адиабатного истечения воды через цилиндрические каналы // Атомная энергия. 1975. Т.38, № 6. С.375-378.

40. Алешин B.C. Некоторые особенности структуры потока при критическом режиме истечения вскипающей воды через цилиндрические каналы // Атомная энергия. 1979. Т.47, №1. С. 12-15.

41. Мальцев Б.К., Хлесткин Д.А., Келлер В.Д. Экспериментальное исследование истечения насыщенной и недогретой воды при высоких давлениях // Теплоэнергетика. 1972. № 6. С.61-63.

42. Хлесткин Д.А., КанишевВ.Н. Характерные режимы истечения горячей воды // Теплоэнергетика. 1977. № 8. С. 69-71.

43. Хлесткин Д.А. Канишев В.П., Келлер В.Д. Расходные характеристики истечения горячей воды с начальным давлением до 22,8 МПа в атмосферу //Атомная энергия. 1977. Т.42. № 3. С. 216.

44. Линхард, Стефенсон. Влияние температуры и геометрических размеров и мгновенное парообразование в свободных струях и струях при истечении в жидкую среду // Теоретические основы инженерных расчетов. 1966. №2. С. 178-182.

45. Зысин В.А., Баранов Г.А. Барилович В.А. Парфенова Т.Н. Вскипавшие адиабатные потоки. // М.: Атомиздат, 1976. 152 с.

46. Henry R.E. Fauske Н.К. McComas S.T. Two-phase critical flow at low qualities. Part 2. Analysis // Nucl. Sci. and Engng. 1970. V.41. N1. P.92-98.

47. Фоске Г., Генри P. Критический режим течения двухфазных однокомпонентных смесей в соплах, диафрагмах и коротких трубах // Теплопередача. 1971. №2. С.47-51.

48. Henry R. A study of one- and two-component two-phase critical flow at low qualities//ANL-7430. 1968.

49. Henry R. The two-phase critical Discharge of initially saturated or subcooled liquid // Nucl. Sci. and Engng. 1970. V.41. N3. P.336-342.

50. Истечение теплоносителя при потере герметичности реакторного контура // Под ред. Калайды Ю.А., Арсентьева В. В., Фисенко В.В., Низина Б.М. М.: Атомиздат, 1977. 129 с.

51. Скрипов В.П. Метастабильные и закритические состояния в системе жидкость-пар: Дис. . докт. физ.-мат. наук. Свердловск, 1967. 362с.

52. Шуравенко Н.А., Скрипов В.П., Каверин A.M. Об истечении перегретой жидкости из насадки // Гидродинамика и теплообмен. Свердловск, 1974. С.92-98.

53. Шуравенко Н.А., Исаев О.А., Скрипов В.П. Взрывное вскипание перегретой жидкости при течении через короткие насадки // ТВТ. 1975. Т. 15, № 4. С.896-398.

54. Скрипов В.П., Шуравенко Н.А., Исаев О.А. Запирание потока в коротких каналах при ударном вскипании жидкости // ТВТ. 1978. Т. 16. № 3. С.563-568.

55. Скрипов В.П., Исаев О.А., Шуравенко Н.А., Хмыльнин В.А. Истечение вскипавшей жидкости через короткие насадки при закритическом начальном давлении // ТВТ. 1984. Т.22, № 1. С. 118-122.

56. Виноградов В. Е., Синицын Е. Н. , Скрипов В.П. Расходные и тяговые характеристики потока вскипающей воды, истекающей через короткие сопла Лаваля // Теплоэнергетика. 1987. №6. С. 56-57.

57. Виноградов В. Е., Кусков Г. В., Синицын Е.Н. Экспериментальное исследование истечения перегретой воды через сопла малого размера. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: физика ядерных реакторов. 1990.№5. С. 43-48.

58. Исаев О.А., Шуравенко Н.А. Исследование формы распыла струи с ростом перегрева жидкости на выходе из насадка// Теплофизические свойства жидкостей и взрывное вскипание. Свердловск. 1976.С. 85-97.

59. Исаев О.А., Неволин М.В., Уткин С. А. Форма распада свободной струи вскипающей жидкости// Термодинамика метастабильных систем. Свердловск. 1989.С. 33-39.

60. Исаев О.А., Неволин М. В., Скрипов В.П. Форма струй вскипающей жидкости при истечении в атмосферу// Ин-т теплофизики УрО АН СССР. Свердловск, 1988. Деп. в ВИНИТИ 06.07.88, № 5434-В88.

61. Павлов П. А., Исаев О.А. Барокапиллярная неустойчивость поверхности струи перегретой жидкости//ТВТ. 1984. Т.22. №4.С.745-752.

62. Линхард, Дэй. Распад струй перегретой жидкости// Тр. Амер. о-ва инж.-мех. Сер.Д. Теоретические основы инженерных расчетов. 1970.Т.92. №З.С. 111-120.

63. Хлесткин Д. А., Канищев В. П., Леонтьев А. И., Усанов В. В., Виноградов А.В. Реактивное усилие при истечении метастабильной жидкости в режимах с гетерогенным парообразованием // Изв. АН СССР. Энергетика. 2000. №5. С. 148-152.

64. Хлесткин Д. А., Канищев В. П., Леонтьев А. И., Усанов В. В., Реакция струи в режимах истечения воды с гомогенной нуклеацией// Изв. АН СССР. Энергетика. 2000. №5. С. 153-157

65. Исаев О.А., Неволин М. В., Скрипов В.П., Уткин С. А. Реакция струи вскипающей жидкости//ТВТ. 1988. Т. 26.№5.С.1028-1030.

66. Исаев О.А., Неволин М. В., Баранчиков Д. В., Скрипов В.П.,. Реакция струи вскипающей жидкости при истечении в атмосферу// Ин-т теплофизики УрО АН СССР. Свердловск, 1988. Деп. в ВИНИТИ 30.11.88, №8446-В88.

67. Дейч М. Е., Филиппов Г. А. Двухфазные течения в элементах теплоэнергетического оборудования. М.: Энергоатомиздат, 1987. 328с.

68. Скрипов В.П. Гомогенная нуклеация и фликкер шум // Доклады АН. 1993. Т.331. No2. С. 167-169.

69. Скрипов В.П., Мансуров В.В. Амплитудно частотное представление фликкер-шума//Доклады АН. 1994. Т.334. No2. С.159-160.

70. Коверда В.П., Скоков В.Н., Скрипов В.П. Возникновение 1/f шума при неравновесном фазовом переходе // Доклады АН. 1997. Т.356. Вып.5. С.614-616.

71. Skokov V. N., Koverda V. P., Skripov V.P. A critical nonequilibrium phase transition and 1/f-noise in a current carrying thin HTSC film-boiling nitrogen system// Cryogenics. 1997. V. 37, N5. P 263 265.

72. Скоков B.H., Коверда В.П. Фликкер шум при переходе к кризисному режиму кипения на нелинейном нагревателе // ТВТ. 2000. Т.38.Вып.2. С. 268-273.

73. Коверда В.П., Скоков В.Н. Самоподстройка критического состояния испектры при фазовых переходах в сосредоточенных системах // Доклады АН. 1999. Т.366. Вып.56. С.752-754.

74. Скоков В.Н., Коверда В.П. 1/f шум в модели пересекающихся фазовых переходов // Письма в ЖТФ. 1999. Т.25. Вып.9. С.9-14.

75. Коверда В.П., Скоков В.Н. Критическое поведение и 1/f шум в сосредоточенных системах при взаимодействии двух фазовых переходов //ЖТФ. 2000. Т.70. В. 10. С. 1-7.

76. Скоков В.Н., Коверда В.П. Самоорганизация критического состояния и 1/f флуктуации при взаимодействии фазовых переходах в распределенных системах // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26. Вып.20. С. 13 -19.

77. Климонтович Ю.Л. Статистическая теория открытых систем. М.: ТОО "Янус", 1995. 624 с.

78. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах, пер. с англ. М.: Мир, 1985. 399с.

79. Коган Ш.М. Низкочастотный токовый шум со спектром типа 1/f в твердыхтелах//УФН. 1985. Т.145. В.2. С.285-328.

80. Weissman М.В. 1/f noise and other slow, nonexponential kinetics in condesed matter // Rev. Mod. Phys. 1988. V.60. No2. P.537-571.

81. Dutta P., Horn P.M. Low frequency fluctuations in solids: 1/f noise // Rev. Mod. Phys. 1981. V.53. No3. P.497-516.

82. Жигальский Г.П. Шум вида 1/f и нелинейные эффекты в тонких металлических пленках // УФН. 1997. Т. 167. №6. С.623-647.

83. Бочков Г.Н., Кузовлев Ю. Е. Новое в исследованиях l/f-шума // УФН. 1983. Т.141. С. 151.

84. Лукьянчикова Н.Б. Флуктуационные явления в полупроводниках и полупроводниковых приборах. М.: Радио и связь, 1990.295с.

85. Mandelbrot В.В., Multifractals and 1/f Noise: Wild Self-Affinity in Physics, Springer-Verlag, New York, 1999.

86. Kuzovlev Y.E. Kinetical theory beyond conventional approximations and 1/f-noise // Cond. mat / 9903350.

87. Van der Ziel A. On the noise spectra of semi-conductor noise and of flicker effect//Physica. 1950. V.16. P.359-372.

88. Коган Ш.М., Нагаев К.Э. Низкочастотный токовый шум в твердых телах и внутреннее трение//ФТТ. 1982. Т.24. В.11. С.3381-3388.

89. Voss R.F., Clarke J. Flicker (1/f) noise: equilibrium temperature and resistance fluctuations//Phys. Rev. B. 1976. V.13.No2. P.556-573.

90. Ландау Л.Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736с.

91. Левитан Ю.С., Панченко Н.Н., Синкевич О.А. К природе фликкер -шума//Доклады АН СССР. 1988. Т.302. В.6. С.1359-1363.

92. Левитан Ю.С., Синкевич О.А. О температурной зависимости "константы" Хоуге для фликкер шума в системах с джоулевым тепловыделением//ТВТ. 1992. Т.30. В.5. С.939-946.

93. Скрипов В.П., Коверда В.П. Спонтанная кристаллизация переохлажденных жидкостей. М.: Наука. 1984. 232с.

94. Бак П., Чен К. Самоорганизованная критичность // В мире науки. 1991. No3. С.16-24.

95. Малинецкий Г.Г., Митин Н.А. Самоорганизованная критичность // ЖФХ. 1995. Т.69. No8. С.1513-1518.

96. Jensen H.J. Self-organized criticality, Cambridge UP, New York, 1998.

97. Cross M.C. and Hohenberg P.C. Pattern formation outside of equilibrium // Rev. Mod. Phys. 1993. V. 65. P. 851-1112.

98. Paczuski M., Maslov S. and Bak P. Avalanche dynamics in evolution, growth, and depinning models 11 Phys. Rev. E .1996 .V.53. P. 414-443.

99. Кутателадзе C.C. Теплопередача при конденсации и кипении. M.-J1.: Машгиз, 1952. 231с.

100. Решетников А. В., Исаев О. А., Скрипов В. П. Расход вскипающей жидкости при истечении в атмосферу. Переход от модельного вещества к воде // ТВТ. 1988. Т. 26, №4. С. 774-777.

101. Исаев О.А., Шуравенко Н.А. Экспериментальная установка по изучению стационарного истечения вскипавшей жидкости // Теплофизические свойства метастабильных систем. Свердловск, 1984. С.94-97

102. Решетников А.В., Исаев О.А., Неволин М.В. Экспериментальная установка по изучению истечения вскипающей жидкости через короткие каналы при изменяемом противодавлении // Термодинамические исследования метастабильных жидкостей. Свердловск, 1986. С.49-53.

103. Исаев О.А., Решетников А.В., Скрипов В.П., Неволин М.В. Изучение критического запирания потока высокотемпературной вскипающей жидкости в коротком канале при снижении противодавления // ТВТ. 1987. Т.25, № 1. С.98-103.

104. Скрипов В.П., Исаев О.А., Решетников А.В., Неволин М.В. Критический режим истечения вскипающей жидкости через короткий канал // Тез. докл. Всесоюз. совет, по теплофизике метастабильных жидкостей. Свердловск, 1985. С. 144-145.

105. Решетников А.В. .Неравновесные потоки и взрывное вскипание // Тез. докл. 2-ой Всесоюзной конференции молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики". Новосибирск, 1987. С.225-226.

106. Исаев О.А., Решетников А.В., Скрипов В.П. Изучение критического запирания стационарных неравновесных потоков вскипающей жидкости // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1988. № 6. С. 114-121.

107. Сиов Б.Н. Истечение жидкости через насадки в среды с противодавлением. М.: Машиностроение, 1968.140 с.

108. Ю.Кондратьев В.П. О механизме испарения при взаимодействии мощных потоков энергии с веществом // ПМТФ. 1972. № 5. С.49-57.

109. Ш.Лабунцов Д.А. Теплообмен при пузырьковом кипении жидкости // Теплоэнергетика. 1959. №12. С.19-26.

110. Исаев О.А., Дианов А.Е. К расчету давления в насадке при истечении перегретой жидкости // Теплофизика метастабильных систем. Свердловск, 1977. С.58-61.

111. Пожарская Г.И., Дианов А.Е. Численное исследование поля давления при истечении перегретой жидкости из насадка // Перегретые жидкости и фазовые переходы. Свердловск, 1979. С.49-54.

112. Дейч И.Е. Техническая газодинамика. // М.: Энергия, 1974. 592с.

113. Зельдович Я.Б. Теория ударных волн и введение в газодинамику. М.: Изд-во АН СССР, 1946. 186с.

114. Новиков И.И. Термодинамика. // М.: Машиностроение, 1984. 592с.

115. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергоиздат, 1981. -472 с.

116. Вайсман М.Д. Термодинамика парожидкостных потоков. // JI.: Энергия, 1967. 272с.

117. Келлер В.Д., Мальцев Б.К., Хлесткий Д.А. Критические двухфазные потоки в гидравлических трактах (Обзор) // Вопросы ракетной техники. 1971. № 12. С.35-51.

118. Фисенко В.В. Критический расход двухфазной смеси при нарушении герметичности первого контура ЯЗУ // Атомная техника зарубежом. 1975. №7. С.26-35.

119. Мальцев С.А., Байдаков В.Г. Установка для исследования вскипающих потоков криогенных жидкостей // Фазовые превращения в метастабильных системах. Свердловск, 1983. С.80-83.

120. Байдаков В.Г. Мальцев С.А., Пожарская Г.И., Скрипов В.П. Взрывное вскипание жидких азота и кислорода при истечении через короткие насадки//ТВТ. 1983.Т.21. № 5. С.959-964.

121. Мальцев С.А., Байдаков В.Г., Скрипов В.П. Истечение азота через короткие каналы при закритических начальных параметрах // ТВТ. 1986. Т.24, № 4. С.820-822.

122. Хлесткин Д.А. Определение расходов метастабильной жидкости // Теплоэнергетика. 1978. № 1.С.78-80.

123. Хлесткин Д.А., Коршунов А.С., Канищев В.П. Определение расходов воды высоких параметров при истечении в атмосферу черезцилиндрические каналы//Известия АН .СССР. Энергетика и транспорт, 1978. № 5. С.126-132.

124. Решетников А.В., Исаев О.А., Скрипов В.П. Критические расходы вскипающей жидкости и конденсирующегося газа при неравновесном режиме истечения // Теплофизика высоких температур. 1988. Т. 26, № 3. С. 544-548.

125. Лабунцов Д.А., Авдеев А.А. Теория скачка вскипания // ТВТ. 1981. Т. 19, №3. С.552-556.

126. Лабунцов Д.А., Авдеев А.А. Механизм запирании потока при ударном вскипании жидкости // ТВТ. 1982. Т.20, №1. С.88-95

127. Хлесткин ДА. Истечение метастабильной жидкости и высоко влажной пароводяной смеси: Дис. . докт. техн. наук. Москва, ВТИ, 1981. 319с. .

128. Хлесткин Д.А. Истечение метастабильной жидкости и высоковлажной пароводяной смеси: Автореферат дис. докт. техн. наук. Москва. 1981. 44с.

129. Решетников А.В., Женихов А.А., Скрипов В.П. Влияние условий входа и выхода на развал струи вскипающей воды // Тр. Первой Рос. нац.конф. по теплообмену, Москва, 1994 г. 21-25 ноября: МЭИ Т. 6. С. 200204.

130. Решетников А.В., Мажейко Н.А., Скрипов В.П. Струи вскипающих жидкостей // ПМТФ. 2000. Т.41. №3. С. 125-132

131. Мажейко H.A., Решетников A.B., Скрипов В.П. Форма и реактивная отдача струи вскипающей жидкости// Метастабильные состояния и фазовые переходы. Екатеринбург, 2001. С. 18-26.

132. Гуревич М. И. Теория струй идеальной жидкости. М.: Наука, 1979. 356с.

133. Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1960. 648с.

134. Чаплыгин С. А. О газовых струях. Собрание сочинений. Т. 2.М.: Гостехиздат, 1948.

135. Поляев В. М., Кичатов Б. В., Бойко И. В. Истечение перегретой струи жидкости в атмосферу// ТВТ. 1998. Т.36. №1.С. 102-105.

136. Apfel R. Е. Water superheated to 279.5°С at atmospheric pressure. Nature Phys.Sci. 1972.Vol.238.N.82. p.63-64.

137. Blander M., Hengstenberg D., Katz J. L. Bubble nucleation in n-pentane, n-hexane, n-pentane + hexadecane mixtures and water. J. Phys. Chem. 1971. Vol. 75. N. 82. p. 3613-3619.

138. Kenrick F. В., Gilbert C. S., Wismer K. L. The superheating of liquids. J. Phys. Chem. 1924. Vol.28, p. 1297-1307.

139. Briggs L. S. Maximum superheating of water as a measure of negative pressure. J. Appl. Phys. 1955. Vol. 26. N8. p.1001-1003.

140. Скрябин A. H., Чуканов В. H. Кинетика вскипания перегретой воды// Теплофизика метастабильных систем. Свердловск. 1977. С.77-80.

141. Reba I. Applications of the Coanda effect // Sci.Amer. 1966. V.214. N. 6. P. 84-92.

142. Ляховский Д. Н. Кинематический ультрадиффузор и перспективы его применения в топочной технике // Теплопередача и аэрогидродинамика. Л.: Машгиз, 1955. С. 3-128.

143. Малинецкий Г.Г., Курдюмов С.П. Нелинейная динамика и проблемы прогноза // Вестник Российской Академии наук. 2001. Т.71. № 3. С. 210232.

144. Johnson J.B. The Schottky effect in low frequency circuits // Phys. Rev. 1925. V.26. P.71-85.

145. Коверда В. П., Скоков В. Н. Самоорганизованная критичность в системе двух нелинейных стохастических уравнений// Метастабильные состояния и фазовые переходы. Екатеринбург, 2000. С. 45-54.

146. Коверда В. П., Скоков В. Н. Самоподстройка критического состояния иа спектры при фазовых переходах в сосредоточенных системах//

147. ДАН. 1999. Т. 366, №56. С. 752-754.

148. Решетников А. В., Скрипов В. П., Мажейко Н. А., Скоков В.Н., Коверда В.П. l/f-флуктуации в кризисных режимах течения перегретой жидкости. //Теплофизика высоких температур. 2002.Т.40. №3 С.481-484.

149. Решетников А. В., Мажейко Н. А., Коверда В. П., Скоков В.Н. Скрипов В. П., Уймин А. А. Фликкер-шум в струе перегретой жидкости. ДАН.2001. Т. 380, №2. С. 176-178.

150. Решетников А. В., Скоков В.Н., Коверда В. П., Скрипов В. П., Мажейко Н. А., Виноградов А.В. Фликкер-шум и самоорганизованная критичность в кризисных режимах кипения.// ПМТФ. 2002.Т. 41. №1. С. 131-136.

151. Решетников А. В., Мажейко Н. А., Скрипов В. П., Скоков В.Н., Коверда

152. В. П. Реактивная отдача и пульсации давления с 1 // спектром мощности в условиях взрывного вскипания струй перегретой жидкости // ТВТ.2002. Т.40. С. 756-760.

153. Решетников А. В., Скрипов В. П., Коверда В. П., Скоков В.Н. Термодинамический кризис во вскипающих потоках. Обнаружение фликкер-шума.// Известия Академии Наук. Энергетика. 2003. №1. С. 118-125.

154. Skokov V. N., Koverda V. P., Reshetnikov A. V., SkripovV. P., Mazheiko N.

155. A., and Vinogradov A. V. i// noise and self-organized criticality in crisis regimes of heat and mass transfe// International Journal of Heat and Mass Transfer. May 2003.V. 46.N.10.P.1879-1883.

156. Ковалев С.А. Устойчивость режимов кипения // Теплофизика высоких температур. 1964. Т2, №5. С.780 788.

157. Ковалев С.А., Усатиков С.В. Оценка устойчивости режимов кипения с помощью функционала Ляпунова // Теплофизика высоких температур. 1991. Т.29, №4. С.730 737.

158. Жуков С.А., Барелко В.В., Мержанов А.Г. Динамика перехода между пузырьковым и пленочным кипением в режиме бегущей волны // Доклады АН СССР. 1979. Т.245, №1. С.1064 1067.

159. Авксентюк Б.П., Кутателадзе С.С. Неустойчивость режима теплообмена на поверхностях, обедненных центрами парообразования // Теплофизика высоких температур. 1977. Т. 15, №. С. 115 120.

160. Скоков В.Н., Коверда В.П., Решетников А.В. Флуктуации с1/Гспектром при пленочном кипении // Письма в ЖЭТФ. 1999. Т.69. Вып.8. С.590 593.

161. SkokovV.N., Koverda V.P. and Reshetnikov A.V. Self -organization of acritical state and ^ fluctuations at film boiling // Phys. Lett. A. 1999. V. 263. P. 430-433.

162. Скоков В.Н., . Решетников А.В., Коверда В.П. Самрорганизация критических флуктуаций и 1/f спектры в кризисных режимах кипения // ТВТ. 2000. Т.38. Вып.5. С.786-791.

163. Решетников А. В., Скоков В.Н., Коверда В. П., Малыгин А. П. Фликкер-шум при кризисных режимах кипения.// Сб. Метастабильные состояния и фазовые переходы. Вып.З. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. С. 40-48.

164. Скоков В.Н., Решетников А.В., Коверда В.П., Виноградов А. В. Фликкер-шум при кризисе кипения воды// Труды третьей российской национальной конференции по теплообмену. 21-25 октября 2002. Москва.Изд-во МЭИ. Т. 4. С. 169-172.

165. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Теплообмен и волны в газожидкостных системах. Новосибирск: Наука, 1984.

166. Плетенева Н. А., Ребиндер П. А. Закономерности испарения капель жидкостей в сфероидальном состоянии// ЖФХ. 1946. Т. 20. №9. С. 961972.

167. Скрипов В.П., Дубровина Э. Н. О температуре кризиса кипения при высоких давлениях // ИФЖ. 1971. Т. 20. №4. С. 725 -729.

168. Скрипов В.П. Кризис кипения как термодинамичесмкий кризис // Тр. УПИ. Вып. 123.Свердловск: 1962. С. 50-57.

169. Левич В. Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: ГИФМЛ, 1959. 699с.

170. Скрипов В. П., Виноградов А.В., Скоков В.Н., Решетников А. В., Коверда В. П. Капля на горячей плите: появление 1/f шума при переходе к сфероидальной форме //ЖТФ. 2003. Т.73. Вып.6. с.21-23.

171. Мержанов А.Г., Руманов Э.Н. Нелинейные эффекты в макроскопической кинетике//УФН. 1987. Т.151.В.4. С.553 593.

172. Решетников А.В., Виноградов А.В., Коверда В.П., Скоков В.Н. 1/f шум в колебательных режимах горения // Доклады АН. 2000. Т. 374. Вып.4. С. 481 -483.

173. Skokov V.N., Reshetnikov A.V., Koverda V.P., Vinogradov A.V. Self-organized criticality and 1/f noise at interacting nonequilibrium phase transitions // Physica A. 2001. V. 293. P. 1 - 12.

174. Скоков B.H., Решетников A.B., Коверда В.П., Виноградов А.В. 1/f шум при взаимодействии фазовых переходов // ТВТ. 2001. Т. 39. Вып.2. С. 316-321.

175. Решетников А.В., Коверда В.П., Скоков В.Н., Виноградов А.В. Фликкер- шум при осцилляциях фронта горения // В сб. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. М.: МЭИ. 2001, с.93-97.

176. Решетников А.В., Коверда В.П., Скоков В.Н., Виноградов А.В. Фликкер- шум при осцилляциях фронта горения // Труды третьей российской национальной конференции по теплообмену. 21-25 октября 2002. Москва.Изд-во МЭИ. Т. 3. С.225-226.

177. Райзер Ю.П. Физика газового разряда, М.: Наука, 1987.

178. Коверда В.П., Решетников А.В., Скоков В.Н., Виноградов А.В. Фликкер- шум при дуговом разряде // Сб. Метастабильные состояния и фазовые переходы. Вып.4. Екатеринбург: УрО РАН, 2000. С. 42-45.

179. Скоков В.Н., Коверда В.П., Решетников А.В. Самоорганизованная критичность и 1/f флуктуации при неравновесных фазовых переходах // ЖЭТФ. 2001.Т.119. Вып.З. С. 613 620.