Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

9 15-5/845

Ж

на правах рукописи

ИВОЧКИН ЮРИЙ ПЕТРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И МГД ПРОЦЕССОВ С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ РАБОЧИМИ

ТЕЛАМИ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2015

Работа выполнена в ФГБУН Объединенный институт высоких температур Российской Академии Наук (ОИВТ РАН)

Официальные Сапожников Сергей Захарович

оппоненты: доктор технических наук, профессор,

исполняющий обязанности заведующего кафедрой «Теплофизика, реакторы и котельные установки» ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»

Павленко Александр Николаевич,

доктор физико-математических наук, чл.-корр. РАН, заведующий лабораторией низкотемпературной теплофизики ФГБУН Институт теплофизики СО РАН.

Ячиков Игорь Михайлович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры вычислительной техники и программирования ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Ведущая Акционерное общество «Государственный научный центр

организация: Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского»

Защита состоится 18 декабря 2015 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г.Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, корп. Т, кафедра Инженерной теплофизики им. В.А. Кириллина, ауд. Т-206.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.

Автореферат разослан «_»_2015 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах) с подписями, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ».

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.04

кандидат технических наук ,

А.К. Ястребов

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Специфические свойства жидких металлов (ЖМ) - высокие значения теплопроводности, электропроводности и температуры кипения позволяют успешно использовать их в качестве теплоносителей в разных областях энергетики, например, в атомных электростанциях на быстрых нейтронах, в солнечных МГД - генераторах или в бланк етах проектируемых термоядерных электростанций. Эти же особенные свойства являются главной причиной применения ЖМ в компактных высокотемпературных теплообменниках. Естественно, горячие жидкие металлы являются основным рабочим телом в металлургии.

В 60 - 80-е годы прошлого столетия был получен обширный экспериментальный и теоретический материал по теплообмену и гидродинамике в системах с жидкометаллическими рабочими телами, отраженный и обобщенный в нескольких монографиях. Вместе с тем, в силу ряда обстоятельств и, в частности, из-за отсутствия надежных экспериментальных методов измерения мгновенной скорости в потоках жидких металлов, многие важные и сложные вопросы были исследованы недостаточно полно.

Например, на момент начала наших исследований в литературе практически отсутствовали количественные опытные данные по структуре т.н. электровихревых течений (ЭВТ). Подобные течения имеют место в сильноточных технологических процессах, связанных, в частности, с электрошлаковой .сваркой металлов, а также с их переплавом электродуговым и электрошлаковым способами. Название - электровихревые течения отражает физическую вихревую природу потока, возникающего в результате взаимодействия электрического тока, пропускаемого через расплав, со своим собственным магнитным полем. В условиях, когда электрический ток неоднородно распределен в жидкометаллическом объеме, электромагнитная сила с разной интенсивностью воздействует на различные участки жидкости, вызывая тем самым перемещение расплава.

Практический опыт свидетельствует, что электровихревые течения оказывают заметное влияние на энергозатратность и качество производимого конечного продукта. В частности, наличие ЭВТ в плавильной ванне приводит к изменению процесса формирования кристаллической структуры при затвердевании жидкого металла, его зернистости и распределению концентрации примесей. Поэтому исследования по изучению свойств возможных гидродинамических структур ЭВТ, а также способов управления подобными потоками чрезвычайно важны и актуальны.

Другое актуальное направление исследований, представленных в диссертации, связано с изучением применительно к проблеме парового взрыва (ПВ) механизмов дробления капель расплава металла в условиях резкой смены режимов кипения охлаждающей их жидкости. ПВ -многогранное, сложное и опасное теплофизическое явление, которое может

привести к тяжелым авариям в атомной энергетике и металлургии, поскольку наблюдается, например, при соприкосновении воды с горячим жидким металлом. До настоящего времени не полностью изучены практически все стадии парового взрыва, в особенности, процесс его спонтанного инициирования, связанный с фрагментацией отдельной капли расплава, окруженной паровой оболочкой охладителя. В литературе описано несколько десятков различных гипотез, посвященных механизму ее дробления, но все они не в достаточной степени подтверждены опытными данными. Поэтому для разработки достоверных теорий фрагментации необходима новая экспериментальная информация, которая, в частности, может быть получена методом физического моделирования, посредством проведения относительно простых опытов с отдельными как жидкометаллическими каплями, так и твердыми нагретыми телами.

Метод физического моделирования процессов, дополненный теоретическими оценками и численными расчетами также продуктивно использовать для исследования электровихревых течений. Основываясь на данном подходе, многие гидродинамические и тепловые закономерности процессов с горячими расплавами могут быть изучены на легкоплавких жидких металлах и сплавах, в качестве которых можно использовать ртуть, индий, галлий, свинец, олово, цинк, а также эвтектические сплавы, созданные на их основе.

Вместе с тем, даже в подобных рафинированных условиях возникают существенные технические сложности проведения экспериментов, которые обусловлены отсутствием достоверных методов измерения мгновенной скорости в жидких металлах. Следует отметить, что к моменту начала исследований (середины 70-х годов прошлого века) в отечественной литературе на уровне принципа действия были описаны оригинальные механические датчики скорости, использующие для регистрации перемещений чувствительного элемента волоконную оптику. Небезосновательно предполагалось, что данные преобразователи, помимо отсутствия зависимости показаний от внешних электромагнитных помех, могут иметь малые размеры, сочетающиеся с относительно высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном измерений. Однако для корректного применения подобных перспективных датчиков в опытах, в том числе при проведении экспериментов с жидкометаллическими рабочими телами, необходимо детально исследовать их метрологические характеристики, а также разработать достоверные методы восстановления измеряемых величин по значениям получаемых выходных сигналов.

Дель работы состоит в изучении, в том числе с помощью специально разработанных волоконно-оптических датчиков, механизмов ряда сложных термогидродинамических, а также МГД процессов, протекающих с участием жидкого металла и важных для атомной энергетики и электрометаллургии.

Для достижения цели решались следующие основные задачи:

1. Разработка на основе волоконной оптики нового метода измерения мгновенной скорости, предназначенного для исследования жидкометаллических потоков в условиях воздействия сильных электромагнитных полей при умеренных (комнатных) температурах. Апробация метода на задаче об МГД - обтекании цилиндра. Разработка новых и усовершенствование существующих способов измерения давления, параметров паровых оболочек и контакта жидкость - твердое тело.

2. Исследование (применительно к проблемам электрошлаковой и электродуговой переплавки металлов, а также электросварке под шлаком) механизмов развития элеюровихревых течений в цилиндрических и полусферических жидкометаллических ваннах с осесимметричным подводом постоянного электрического тока; изучение влияния внешних, в том числе слабых, магнитных полей на гидродинамическую структуру ЭВТ, процессы тепломассообмена и характеристики плавки металлов.

3. Анализ возможных механизмов фрагментации и разработка способов изучения спонтанного дробления жидкометаллических капель при разрушении окружающих их паровых оболочек. Исследование (применительно к проблемам инициирования самопроизвольного парового взрыва) особенностей кипения недогретой воды на жидких и твердых перегретых металлических поверхностях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые систематически исследованы метрологические характеристики оригинальных волоконно-оптических преобразователей скорости и обосновано их применение для изучения турбулентных потоков жидких металлов при комнатных температурах.

2. Экспериментально, на примере решения задачи о поперечном обтекании цилиндра с образующей, параллельной магнитному полю (МП), подтверждена работоспособность созданной методики. С помощью волоконно-оптических датчиков выявлен ряд новых термогидродинамических и МГД эффектов, свидетельствующих об увеличении генерации скоростных возмущений под действием МП и его разнонаправленном влиянии на теплоотдачу от нагретого цилиндра.

3. Впервые с помощью волоконно-оптических датчиков скорости получены количественные опытные данные по тонкой гидродинамической структуре электровихревых течений в объеме токонесущей жидкости. Эксперименты, проведенные в условиях воздействия слабых и значительных внешних магнитных полей, направлены на изучение закономерностей ЭВТ при электрошлаковой сварке, а также электрошлаковом и электродуговом переплавах металлов. Предложены новые обобщающие зависимости.

4. Впервые с помощью экспериментальных и расчетных методов доказано, что малые внешние магнитные поля (включая МП Земли), имеющие компоненту параллельную оси установки, являются причиной парадоксальной азимутальной закрутки электровихревых течений с осевой

симметрией. Подобная закрутка способствует возникновению вторичных вихрей в меридиональной плоскости и кардинальной перестройки гидродинамической структуры ЭВТ. Впервые продемонстрирована практическая важность учета воздействия слабых магнитных полей на процессы электрошлаковой сварки и переплава металлов.

5. С помощью экспериментальных и расчетных методов получен новый оригинальный материал по деформации свободной поверхности электровихревых течений, а также влиянию электровихревых течений, управляемых внешним продольным магнитным полем на процессы плавления и перемешивания металла.

6. Получены новые экспериментальные данные по дроблению металлических капель и разрушению паровых оболочек около нагретых тел, погруженных в недогретую воду.

7. Впервые проведены эксперименты и получены опытные данные по синхронным измерениям параметров контакта охладитель (вода, имеющая температуру ниже температуры кипения) - перегретая поверхность, импульсов давления в охладителе, а также температур воды и горячего тела.

8. Впервые предложено и экспериментально обосновано предположение, что отсутствие фрагментации капель расплава при малых недогревах воды (>20 °С) обусловлено интенсификацией процесса испарения, приводящей к увеличению толщины паровой оболочки и затруднению соприкосновения охладителя с нагретым телом.

9. На основании проведенных систематических исследований впервые показано, что импульсы давления, сопровождающие взрывной сход (разрушение) паровых оболочек, могут достигать ~ 1 МПа, что достаточно для инициирования спонтанного парового взрыва.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

• соблюдением выполнения балансных энергетических соотношений;

• детальной проработкой методических вопросов и тщательным анализом погрешностей измерений;

• согласованностью результатов экспериментальных и расчетных исследований;

• соответствием между результатами, полученными в диссертации, и данными других авторов;

• применением в исследованиях высокоточных датчиков и прецизионной измерительной вторичной аппаратуры, а также апробированных методов численных исследований.

Научная ценность

Расширенные экспериментальные возможности разработанных методов измерения различных физических величин с помощью волоконной оптики определяют научно-методическую значимость работы. Созданные приборы и оригинальные методики измерений позволили решить ряд крупных задач, связанных с исследованием электровихревых течений и кипением недогретой воды на сильно перегретых жидкометаллических и твердых поверхностях.

Полученные опытные данные дали возможность развить существующие и предложить новые теоретические подходы к изучению процессов пленочного кипения недогретой воды и жидкометаллических течений, инициированных электрическим током.

Практическая значимость

Результаты исследований особенностей формирования и развития электровихревых течений позволяют верифицировать программы расчета ЭВТ, а также научно обосновать и оптимизировать современные МГД -методы управления тепломассообменными процессами, имеющими место при электрошлаковом и электродуговом переплавах металлов. Практическая ценность результатов по фрагментации металлических капель и взрывному разрушению паровых оболочек обусловлена необходимостью решения важной для атомной энергетики, металлургии и химической промышленности задачи - определению условий возникновения и методов противодействия спонтанному паровому взрыву. Полученные опытные данные способствуют более глубокому пониманию исследуемых явлений и создают основу для разработки экспериментально обоснованной теории фрагментации жидкометаллического теплоносителя, позволяющей, помимо прочего, оптимизировать параметры нового технологического процесса получения аморфных металлов. Развитые в диссертации оригинальные измерительные методики легли в основу разработок различных волоконо-оптических датчиков, как отечественных, так и зарубежных исследователей.

На защиту выносятся следующие обладающие научной новизной результаты:

1. Результаты разработки волоконно-оптического метода измерения мгновенной скорости жидкометаллических потоков при умеренных температурах.

2. Результаты разработки волоконно-оптических датчиков давления.

3. Результаты экспериментальных исследований по влиянию магнитного поля на теплопередачу и поперечное обтекание нагретого цилиндра потоком ртути.

4. Результаты исследований и обобщений по гидродинамической и тепловой структуре электровихревых течений в ваннах цилиндрической и полусферической формы с двух- и многоэлектродным токоподводом.

5. Результаты исследований влияния внешних, в том числе слабых, магнитных полей на структуру и характеристики элеетровихревых течений.

6. Результаты исследований воздействия электровихревых течений на характеристики тепломассопереноса и плавки металлов.

7. Результаты исследований МГД эффектов на свободной поверхности электровихревых течений.

8. Результаты экспериментальных исследований фрагментации горячих жидкометаллических капель в недогретой воде при смене режимов кипения -переходе от пленочного режима кипения к пузырьковому.

9. Результаты исследований поведения паровых оболочек и импульсов давления, генерируемых в процессе их разрушения, в зависимости от температур нагретого тела и охладителя, а также физического состояния поверхности нагрева.

10. Результаты исследований характеристик контакта охладителя с перегретой поверхностью.

Конкретный личный вклад автора в получение результатов, изложенных в диссертации

При активном участии автора диссертации и частично или полностью под его руководством выполнены все работы, представленные в диссертации. В том числе, автор:

• Разработал лабораторные технологии и изготовил волоконно-оптические датчики для зондовых измерений различных физических величин, включая преобразователи скорости и давления; провел исследование их метрологических характеристик.

• Выполнил кардинальную реконструкцию ртутного стенда. Сконструировал и создал: стенд для исследования элекгровихревых течений; экспериментальные установки для калибровки волоконно-оптических датчиков и изучения особенностей кипения недогретой воды на твердых и жидкометаллических поверхностях.

• Руководил работами по проведению численных экспериментов (постановка задач, анализ полученных результатов).

• Разработал программу экспериментальных исследований, лично участвовал в проведении экспериментальных исследований, получении, обработке и анализе опытных данных.

Благодарности. Автор глубоко признателен своим научным учителям В.Г. Жилину, A.A. Оксману, Ю.А. Зейгарнику за постоянную, неоценимую и разностороннюю помощь в ходе подготовки диссертации.

Также автор благодарит коллег и друзей за помощь в работе над диссертацией на разных этапах ее выполнения: В.В. Осипова, В.П. Огородникова, B.C. Григорьева, В.Г. Свиридова, B.C. Игумнова, К.В. Звягина, И.О. Теплякова, К.Г. Кубрикова, В Л. Цветкова, К.И. Белова, В.Р. Цоя, С.Н. Вавилова, Е.Ю. Лозину, A.A. Гусеву, Д.А. Виноградова.

Автор благодарен сотрудникам МЭИ O.A. Синкевичу, В.В. Глазкову, Ю.Ю. Пузиной за постоянное внимание к работе и полезное обсуждение полученных результатов.

Автор выражает признательность коллегам из республик бывшего СССР: Э.В. Щербинину, А.Ю. Чудновскому, С.Б. Дементьеву и И.В. Протоковилову за содействие в проведении исследований элекгровихревых течений.

Значительная часть работы выполнена при под держке Российского фонда фундаментальных исследований, проекты №№: 99-02-17965-а, 02-02-16630-а, 03-02-20009-6, 04-02-17145-а, 04-02-16819-а, 05-02-17679-а, 05-08-

01217-а, 06-08-01486-а, 06-08-08080-офи, 07-08-00464-а, 08-08-00792-а, 11-08-01262-а, 13-08-90444 Укр-ф-а.

Публикапии и апробация работы

Диссертационная работа является итогом научных исследований и разработок автора за период с 1975 года по настоящее время. Содержание диссертации отражено в 111 печатных работах, включая 29 статей из списка ВАК и одном авторском свидетельстве СССР. Материалы работы были апробированы на более чем 45 российских и международных конференциях, включая такие крупные научные мероприятия, как: Международная конференция по теплообмену (ШТС12, Гренобль, 2002 г; ШТС14, Вашингтон 2012 г); Минский форум по тепломассообмену (1996 - 2012 гг.); Российская национальная конференция по теплообмену (1998 - 2014 гг.); Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001 г, Нижний Новгород 2007 г); PAMIR - международная конференция по фундаментальным и прикладным проблемам МГД (Корсика 2011 г, Рига 2014 г).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, трех основных разделов, состоящих из отдельных глав и подразделов, общих выводов, а также списка цитируемой литературы, включающего 392 наименования. Материал работы изложен на 407 страницах компьютерной верстки в формате 14 pt, Times New Roman, содержит 244 рисунка и 6 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы ее цели и задачи, научная новизна и практическая значимость. Указывается, что жидкие металлы в качестве теплоносителей и рабочих тел имеют широкое распространение в металлургии, энергетике и машиностроении. Подчеркивается, что хотя в 50 - 80-х годах прошлого века получен обширный материал по характеристикам различных термогидродинамических процессов с участием жидкого металла, однако многие вопросы, связанные, в частности, с исследованиями структуры т.н. электровихревых течений и механизмами тонкой фрагментации капель расплава при спонтанном паровом взрыве остались изученными недостаточно полно. Показано, что в подобных задачах целесообразно использовать взаимно дополняющие друг друга методы физического и математического моделирования, а их решение невозможно без усовершенствования существующих и развития новых методов измерений в жидких металлах скорости, давления и других физических параметров.

Раздел I «Экспериментальные методы исследований и измерительная аппаратура», состоящий из введения (1.1), трех оригинальных глав (1.2 -1.4) и заключения (1.5), посвящен описанию измерительных средств и методов, применяемых в диссертации.

Во введении к разделу обосновывается использование, в основном, экспериментальных методов для решения задач, поставленных диссертации.

9

В главе 1.2 представлены результаты разработки и апробации оригинальной волоконно-оптической методики измерения мгновенной скорости потока жидкого металла.

Проведенный анализ литературы показал, что на момент начала исследований в мире не существовало надежных количественных методов измерения мгновенных значений скорости в жидкометаллических теплоносителях, даже при относительно низких (комнатных) температурах. Применение термоанемометра в жидких металлах сильно затруднено ввиду нестабильности контактного сопротивления и сильной чувствительности теплоотдачи к изменению температуры исследуемого потока, а кондукционный анемометр практически непригоден для исследования потоков в сильноточных процессах. Среди других типов измерительных датчиков одними из наиболее перспективных для исследования потоков расплавов при комнатных температурах представляются механические преобразователи скорости с волоконно-оптической системой регистрации перемещений , однако их метрологические характеристики изучены недостаточно полно.

X/—а) б)

Рис. 1. Схема волоконно-оптического преобразователя скорости (а) и фотография его измерительной части. 1 - стеклянный конус (чувствительный элемент), 2 - указатель, 3, 7 - световод, 4 - излучатель, 5 - фотоприемник, 6 - корпус.

В диссертации подробно исследуются измерительные параметры волоконно-оптических датчиков скорости потоков жидких металлов. Чувствительный элемент преобразователя (см. рис. 1) представляет собой полый стеклянный конус 1, плавно переходящий в цилиндрическое основание диаметром -50 мкм в тонкой части и ~ 1 мм в толстой, при длине тонкой части 2 + 3 мм. В вершине конуса запаян указатель 2 (стеклянная консольная балка диаметром ~25 мкм), свободный конец которого располагается в зазоре между торцами двух пар перпендикулярно расположенных подающих и приёмных световодов 3, 7, оптически связанных с излучателем света 4 (светодиодом) и его фотоприемниками 5 -фотодиодами. Преобразователь работает следующим образом. Поток

1 АС СССР № 684448. Двухкомпонентный оптико-механический датчик скорости / В.Г. Жилин, В.П. Огородников, В.В. Осипов // Открытия. Изобретения. 1979, № 33.

10

жидкости изгибает тонкую часть конуса, что приводит к перемещению указателя в пространстве между световодами и изменяет количество света, попадающее от излучателя по световодам в фотоприёмники. Таким образом, выходной электрический сигнал с фотоприёмников (Ux, Uy) оказывается функционально связан с двумя составляющими скорости потока (wn wy), набегающего на чувствительный элемент датчика.

В диссертационной работе с помощью специально поставленных экспериментов показано, что выходные электрические сигналы с двух фотоприемников связаны с двумя составляющими скорости w соотношениями:

U = awn, U =bwn~lw , (1)

X X у X у

где a, b и п - постоянные значения, определяемые из эксперимента. На рис. 2 представлен совместный график результатов приведенных калибровок, подтверждающий справедливость соотношений (1) при п = 1.77 для нескольких испытанных датчиков.

В главе 1.2 описана специально разработанная лабораторная технология изготовления волоконно-оптических преобразователей. Изготовление одного датчика занимало 2-3 дня и состояло из нескольких этапов изготовления отдельных стеклянных частей преобразователя и их сборки. Все операции проводились с использованием оптических микроскопов и специальных микроманипуляторов. Сборка деталей датчика осуществлялась посредством сплавления его стеклянных частей и эпоксидного клея.

6 ' UJnf-r,.ycn.»«

4

2 W,'1df, и/с

- 3 -2 -1 0 1 2 3 4

-4

-6

Рис. 2. Результаты обработки Рис- 3- Фотография датчика скорости опытных данных по формуле (1). совместно с блоком формирования

На основе соотношений (1) был разработан и изготовлен аналоговый прибор, фотография которого, совместно с зондом волоконно-оптического преобразователя представлена на рис. 3.

Характеристики датчика скорости

Диапазон измерения скорости (в пересчете на поток ртути), см/с 0.5-50

Частотный диапазон, Гц <200

Измерительный объем, мм1 0.05x0.05x1

Температурный диапазон, "С 5-95

Основные параметры разработанных волоконно-оптических датчиков скорости, метрологические характеристики которых были изучены посредством специально

проведенных исследований, представлены в таблице. Было также установлено, что при значениях безразмерного параметра электромагнитного взаимодействия N = аВ2В/ рм> < 0.05 (здесь аир — коэффициент электропроводности и плотность жидкости, В - индукция магнитного поля, О - диаметр чувствительного элемента, ш- скорость набегающего потока) и при плотности электрического тока у < Ю'А/м2 (значение, характерное для электрошлаковых технологий) электрические и магнитные поля не влияют на показания подобных преобразователей.

О- ) 4-2 о-з « - 4 И - 5

\

ш В

щ

\4 % &М! « .

' 2 'б)

Рис. 4. Исследование МГД - обтекания цилиндра, (а) - схема опытного участка и основных измерений. 1 - вольтметр; 2 - осциллограф; 3 - блок обработки сигнала; 4 -источник питания; 5, б, 7 - частотомеры; 8 - волоконно-оптический преобразователь скорости; 9, 10 - координатные устройства, 11 - цилиндр; 12 - хонейкомб. (б) -относительный профиль дефекта скорости в следе за цилиндром. 1- х/<1 = 2.1; 2 - 10.5; 3 -12.5; 4 - 14.5; 5 - 24; линия 6-теория. Светлые точки .8 = 0; темные точки - 0.6 Тл.

Возможность применения волоконно-оптических преобразователей скорости и разработанной вторичной аппаратуры для изучения потоков жидких металлов была проверена экспериментально. В опытах исследовалось поперечное МГД - обтекание потоком ртути цилиндра, ось которого параллельна направлению магнитного поля. Схема, поясняющая проведение эксперимента, представлена на рис. 4а. Выбор подобной задачи обусловлен необходимостью сопоставления результатов, полученных с помощью волоконно-оптического преобразователя скорости, с достоверными данньми известных экспериментов и теоретических зависимостей, а также ее научно-практической важностью для исследователей двумерной турбулентности и разработчиков бланкетов термоядерных реакторов.

Полученные результаты по обтеканию цилиндра, согласующиеся с теоретической зависимостью (см. рис. 46), подтвердили работоспособность разработанной методики измерений скорости. Также был обнаружен ряд новых физических эффектов, свидетельствующих, в частности, об изменении генерации вихрей за поперечно-обтекаемым цилиндром под действием магнитного поля, совпадающего по направлению с осью цилиндра, и его разнонаправленном влиянии на процесс теплообмена. Ранее предполагалось, что подобное воздействие отсутствует.

В заключительной части главы отмечается, что, разработанная в диссертации волоконно-оптическая методика определения скорости использовалась в ряде работ европейских исследователей для измерения осредненных характеристик потоков низкотемпературных расплавов. Однако применяемые в них измерительные преобразователи скорости имели значительные размеры чувствительных элементов (несколько миллиметров), что ограничивало их применение для изучения тонкой турбулентной структуры жидкометаллических течений. Схожими недостатками обладают ультразвуковые методы исследования полей скорости, которые в настоящее время преобладают в экспериментальных исследованиях. Разработанная и применяемая в датчиках скорости волоконно-оптическая система преобразования измерения малых перемещений была также использована для решения важной прикладной задачи - создания прибора для постоянного мониторинга диаметра и эллипсности тонких проволок в непрерывном процессе их промышленного производства.

Глава 1.3 посвящена, в основном, описанию применяемых в диссертационной работе измерителей давления. Проведенный анализ литературы по датчикам давления свидетельствует о многообразии способов измерения данной величины. Отмечается, что пьезоэлектрические датчики являются наиболее приспособленными для решения задач, связанных с изучением взрывных процессов при фрагментации расплава и смене режимов кипения охладителя. Эти преобразователи обладают достаточной чувствительностью, имеют малые габаритные размеры и позволяют измерять высокочастотные (~ 1 МГц) пульсации давления. Вместе с тем пьезоэлектрическим датчикам присущ ряд недостатков, связанных с трудностями при исследовании низкочастотных сигналов и измерениях в условиях воздействия электромагнитных помех и тепловых возмущений.

Наиболее пригодными для измерения давления при воздействии внешних электромагнитных полей, представляются датчики, основанные на волоконной оптике. В диссертации описаны конструкции оригинальных волоконно-оптических мембранных датчиков давления, изготовленных из металла (нержавеющая сталь, тантал), а также результаты экспериментальных и теоретических исследований их основных метрологических характеристик. Показано, что по своим геометрическим размерам, чувствительности и динамическому диапазону разработанные преобразователи не уступают мембранным датчикам других типов, а слабая зависимость показаний от электромагнитных полей и возможность их изготовления самостоятельно с требуемыми характеристиками в лабораторных условиях значительно упрощает проведение исследований.

Основными элементами конструкции преобразователя являются (см. рис. 5): танталовая мембрана, приваренная к корпусу из нержавеющей стали, а также волоконно-оптический жгут, составленный из хаотично уложенных осветительных и приемных светопроводов. Диаметр отдельного светопровода 25 мкм. Два раздельных жгута, состоящие из осветительных и

приемных светопроводов, своими торцевыми концами оптически связаны, соответственно, со светодиодом и фотодиодом. Другой общий торцевой конец жгута, включающий совместно перемешанные осветительные и приемные светопроводы, расположен и закреплен вблизи мембраны внутри корпуса датчика. Датчик работает следующим образом. От светодиода излучение по осветительным световодам попадает на мембрану и, отражаясь от нее, поступает в приемные светопроводы, а далее на фотодиод. Количество света, попадающее в приемные светопроводы, зависит от расстояния между световодами и мембраной. Эта зависимость имеет немонотонный характер с максимумом на расстоянии, близком к диаметру световодов из которых состоит жгут. В датчиках использовалась восходящая ветвь этой зависимости, обеспечивая тем самым однозначность калибровочной зависимости и более высокую чувствительность преобразователя.

Рис. 5. Фотография волоконно-оптического датчика давления - (а) и схема, поясняющая принцип его действия - (б). 1 - излучатель; 2 - волоконно-оптический жгут; 3 - мембрана; 4 - фотоприемник.

Разработанные волоконно-оптические датчики давления пригодны, в частности, для инвазивного измерения давления крови и пульсаций давления в потоках жидкостей (в том числе, в жидких металлах) и газов. Основные характеристики преобразователей определяются, главным образом, задачами исследований, и для датчиков из нержавеющей стали, применяемых в диссертационной работе, изменялись в следующихпределах: избыточное давление - до 1 МПа; частота 0 - 104 кГц; температура 10 - 330 °С; диаметр мембраны 2-6 мм. В диссертационной работе подобные волоконно-оптические датчики применялись для подтверждения достоверности результатов измерений пульсаций давления, полученных с помощью пьезоэлектрических преобразователей при исследовании взрывных процессов в условиях возможного влияния электромагнитного поля. Кроме того, волоконно-оптическая система измерения малых перемещений, применяемая в датчиках давления, использовалась в конструкциях различных преобразователей, предназначенных для исследования характеристик паровых оболочек в режимах пленочного кипения недогретой жидкости (дистиллированной воды).

Глава 1.4 посвящена описанию особенностей применения традиционных измерительных средств, используемых в диссертационной работе.

Температурные исследования были выполнены с помощью термопар и усилителей как собственного, так и промышленного изготовления. Запись и обработка сигналов с датчиков осуществлялась, главным образом, программным способом в среде LabVIEW, с использованием многоканальных управляемых аналогово-цифровых преобразователей. Для визуальных наблюдений исследуемых процессов использовались оптические микроскопы, а также цифровые видеокамеры как с обычной (24 кадр/с), так и увеличенной (103 кадр/с) скоростью съемки.

В данной главе диссертации также представлено метрологическое обоснование применения усовершенствованного электроконтактного метода оценки значений площади и времени соприкосновения холодной воды с горячей поверхностью. Указанный метод основан на использовании современной цифровой измерительной техники и позволяет отслеживать изменение параметров контакта при смене режимов кипения с характерной скоростью измерений не менее 10 изм./с.

В заключении 1.5 сформулированы основные выводы по первому разделу диссертации. Особо подчеркивается, что разработанные оригинальные приборы в сочетании с традиционными средствами измерительной техники существенным образом расширяют возможности экспериментальных исследований по изучению механизмов сложных термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами.

Раздел Д «Исследование жидкометаллических электровихревых течений, инициированных неоднородным электрическим током»

посвящен изучению так называемых электровихревых течений (ЭВТ), образующихся при осесимметричном растекании постоянного электрического тока в жидкий металл, заполняющий контейнер полусферической или цилиндрической формы. Подобные условия позволяют моделировать ЭВТ, развивающиеся в плавильных ваннах при электрошлаковой сварке, а также электродуговом и элеюрошлаковом переплаве металлов.

Раздел состоит из введения, обзора литературы, двух глав, посвященных описаниям методик и результатов исследований, а также заключения. Во введении 2.1 к разделу описан физический механизм возникновения элекгровихревых течений и обоснована научно-практическая необходимость их изучения.

Глава 2.2 посвящена обзору исследований осесимметричных элекгровихревых течений, выполненных, в основном, применительно к проблемам электрошлаковой сварки и электрошлакового переплава.

Теоретические исследования ЭВТ проводились в стоксовом приближении при значении параметра элекгровихревого течения S < 150 (Здесь S = 12 Kpv1) - аналог числа Рейнольдса для ЭВТ; ¡х0 - магнитная постоянная; р и v -удельная плотность и кинематической вязкости жидкости; I - сила

электрического тока). Применение численных методов, использующих, главным образом, систему стационарных уравнений магнитной гидродинамики, позволило расширить изучаемую область до значений 5 < 108. Было установлено, что в двухэлектродных осесимметричных ваннах, имеющих цилиндрическую или полусферическую форму, в условиях отсутствия внешних магнитных полей ЭВТ по своей структуре представляет собой осесимметричный тороидальный вихрь, в котором перемещение жидкости на оси под малым электродом направлено в объем рабочей ванны. Проведенные оценки показали, что внешнее продольное магнитное поле может приводить к азимутальной закрутке жидкости и генерации дополнительных вторичных течений уже в меридиональной плоскости. Было установлено, что уменьшение значения отношения размеров малого и большого электродов приводит к интенсификации электровихревых течений, а увеличение длины ванны - к переходу от структуры с одиночным вихрем к системе с двумя вихрями. Продемонстрировано, что электровихревое течение интенсифицирует тепломассообменные процессы внутри рабочей ванны, а внешнее продольное магнитное поле, вследствие подавления ЭВТ, приводит к ухудшению перемешивания металла.

В диссертации отмечается, что в большинстве проведенных расчетно-теоретических исследований ЭВТ нет сопоставления полученных результатов с опытными данными, поскольку экспериментальных работ в этой области относительно мало. В известных нам опытах, в основном, измерялись: давление на стенках ванны и, если это позволяла интенсивность течения, осевая скорость потока. Вследствие неудовлетворительных динамических характеристик применяемых методов измерения скорости (трубки Пито - Прандтля) в этих работах не удалось изучить тонкую структуру электровихревых течений и измерить их пульсационные характеристики. Применение современного ультразвукового доплеровского анемометра для измерения скорости также не позволяет удовлетворительно разрешить эти проблемы, поскольку этот метод обладает недостаточным пространственным разрешением.

Отдельно в обзорной главе проанализирована литература, посвященная изучению физического эффекта спонтанной азимутальной закрутки осесимметричных электровихревых течений. Механизм этого явления, которое наблюдается в жидкометаллических ваннах с полной осевой симметрией, не достаточно ясен и требует более глубокого изучения.

В заключение литературного обзора перечисляются основные задачи исследования, направленные, в основном, на получение надежной экспериментальной информации по структуре и термогидродинамическим характеристикам электровихревых течений.

Глава 2.3 посвящена описанию экспериментальных установок по изучению закономерностей ЭВТ с помощью волоконно-оптических датчиков скорости. В ней также изложены способы измерения основных величин и методики численных расчетов.

Начальный этап экспериментальных исследований по изучению скоростной структуры ЭВТ с помощью волоконно-оптических преобразователей был выполнен совместно с сотрудниками Института физики АН Латв. ССР. Схема одной из экспериментальных установок с цилиндрической рабочей ванной и двумя торцевыми электродами, к которым подводится постоянный электрический ток, показана на рис. 6а. Ванна изготавливалась из нержавеющей стали и была заполнена ртутью. Преобразователь с помощью двухкоординатного механизма имел возможность размещаться в любой точке вертикального осевого сечения ванны и измерять осевую г-компоненту скорости.

Рис. 6. Схемы экспериментальных установок ИФ АН Латв. ССР. (а) - установка на постоянном токе с двумя электродами. 1,2- малый й - 12 мм и большой О = 60 мм электроды; 3 - волоконно-оптический датчик скорости. I = Vаг. (б) - установка с трехфазным токоподводом. Диаметр х глубина ванны - 130 х 32 мм; ¿1 = 30 мм; 1 -электроды; 2 - волоконно-оптический датчик скорости.

Помимо установок, работающих на постоянном токе, в опытах также использовались ванны, предназначенные для исследования ЭВТ при трехфазном (50 Гц) токоподводе. Конструкция с тремя электродами показана на рис. 66. Медные равноудаленные друг от друга электроды были заделаны заподлицо в торцевой стенке рабочего участка - цилиндра, изготовленного из оргстекла и заполненного ртутью. Волоконно-оптический преобразователь был размещен таким образом, чтобы имелась возможность измерять г-компоненту вектора скорости в любой точке осевого вертикального сечения.

При проведении опытов на описанных выше установках использовалась аналоговая схема измерения и обработки выходного сигнала с волоконно-оптического датчика скорости. Рабочий диапазон изменения силы постоянного электрического тока составлял 100 </< 1500 А. Эксперименты с трехфазным электропитанием выполнены при 1= 490 А.

После распада СССР и прекращения нашего активного научного сотрудничества с коллегами из Латвии в ОИВТ РАН с целью продолжения изучения структуры электровихревых течений был создан специальный экспериментальный стенд, схематичное изображение которого представлено на рис. 7.

Рабочий участок, на котором были проведены основные исследования, представлял собой медный полусферический контейнер 4, заполненный

эвтектическим сплавом индий - галлий - олово 5, с содержанием по весу In -67%, Ga - 20.5%, Sn - 12.5% (температура плавления сплава составляет +10.5°С). В центре свободной поверхности жидкого металла размещался малый электрод 7, представляющий собой медный или стальной стержень с полусферическим торцом, диаметр которого варьировался в диапазоне 1 + 10 мм. Электрод погружен в расплав на глубину своего радиуса. Вторым электродом является полусферический контейнер диаметром 188 мм.

Рис. 7. Схема экспериментальной установки. 1 - соленоид; 2 - охлаждающая ванна; 3 -теплообменник; 4 - медный контейнер (большой электрод); 5 - эвтектический сплав 1п-Оа-8п\ б - термопарный зонд; 7 - малый электрод; 8 - токоподвод; 9 - термопары; 10 -волоконно-оптический датчик скорости; 11 - усилитель сигнала; 12 - аналого-цифровой преобразователь; 13 - компьютер 14; - система охлаждения источника тока; 15 - источник тока.

Для электропитания установки использовались либо генератор постоянного тока, с максимальным значением силы электрического тока / ~ 300 А, либо источник 15, разработанный на основе трехфазного выпрямителя переменного тока (/< 1000А). Стабильность работы диодов источника тока обеспечивалась с помощью водяной системы охлаждения 14. Для измерений температуры малого и большого электродов, а также температурного поля в расплаве использовались термопары (тип медь-константан) 9 и специальный температурный зонд б. Исследование полей скорости осуществлялось волоконно-оптическим преобразователем 10. Сигналы с датчиков температуры и скорости поступали последовательно в усилитель 11 и аналого-цифровой преобразователь 12, установленный в компьютере 13. Внешнее магнитное поле создавалось соленоидом 1, электрическое питание которого осуществлялось от управляемого источника постоянного тока. Заморозка расплава в опытах по его плавлению происходила при помощи специальной охлаждающей жидкости (полиметилсилоксан ПМС-5), текущей в теплообменнике 3. В большинстве экспериментов, кроме особо

оговоренных условий, изгибы токоподводящих проводов и технические узлы из магнитных материалов располагались на достаточном удалении от рабочего участка, чтобы в области его расположения внешнее магнитное поле было по возможности минимальным и однородным.

В главе 2.3 также рассмотрены методические вопросы, связанные с различными способами калибровки датчиков скорости, воздействием загрязнений на распределение электрического потенциала и влиянием «шагового» напряжения на показания термопар, размещенных в токонесущей жидкости. Отдельный подраздел главы посвящен описанию методики численных исследований.

Математическое моделирование электровихревого течения было выполнено в электродинамическом (безындукционном) приближении для несжимаемой электропроводящей жидкости и основано на решении уравнения Навье - Стокса (2), описывающего гидродинамику электровихревого течения с электромагнитной силой Ре[ =/хВ в качестве источника.

Р + = -V? + pv^W + рд + М + Ре1. (2)

Здесь, У/ - скорость, г - время, р - давление, д - ускорение свободного падения, р - плотность, V - вязкость, М - выражение для стока импульса (при решении задачи плавления), / - плотность тока, В - индукция магнитного поля (МП).

Расчетная область представляла собой полусферический контейнер, заполненный жидким металлом, эвтектическим сплавом /и - (?а - 5«. На поверхности жидкого металла задавались условия либо твердой стенки, либо свободной границы.

Магнитное поле в токонесущей жидкости определялось либо, где это возможно, по известным аналитическим выражениям, либо численным способом с помощью оригинального метода, основанного на законе Био-Савара-Лапласа (3):

т = йя/2^^- (з)

Здесь Д0 " радиус-вектор координаты, в которой определяется магнитное поле, Д - текущая точка элемента объёма, V - объем, в котором протекает ток, цю _ магнитная постоянная. Разработанный метод позволяет проводить расчет магнитного поля на нерегулярных сетках для двух- и трехмерной расчетной области произвольной формы. Распределение плотности тока при этом находится из решения уравнения Лапласа для электрического потенциала Ф: У(стУФ) = 0, / = —стУФ, при заданных значениях напряжения на электродах. Внешнее магнитное поле учитывалось посредством добавления соответствующих слагаемых в выражение для МП, генерируемого рабочим током.

В задачах теплообмена, совместно с уравнением (2) решалось уравнение энергии:

pc{%+(vN)T)=UT + qy, (4)

где qy=j2/o; а, с, X, Т-электропроводность, теплоемкость, теплопроводность и температура расплава.

Для изучения процесса плавления металла и поведения его свободной жидкой поверхности использовались, соответственно, энтальпийно-пористая и VOF (Volume of Fluid) модели расчета. Решение уравнений (2) и (3) проводилось в пакете ANSYS Fluent с использованием k-c¡> SST модели турбулентности, а расчет магнитных полей и полей электромагнитной силы при помощи самостоятельно написанных программных модулей.

В главе 2.4 представлены результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований ЭВТ на установках с осевой симметрией, моделирующих процессы электрошлаковой сварки, а также электрошлаковой и электродуговой переплавки металлов.

В подразделе 2.4.1 описаны опытные данные экспериментов, выполненных с помощью волоконно-оптических датчиков скорости в ИФ АН Латв. ССР. Проведенные измерения позволили впервые, применительно к проблемам электрошлаковой сварки и электрошлакового переплава, на ртутных моделях изучить структуру ЭВТ и выявить закономерности, связывающие значение осевой (W2) компоненты скорости с параметрами электрического тока и геометрическими характеристиками установки.

В частности, было показано, что для цилиндрической ванны радиуса R структура ЭВТ в ее объеме существенным образом зависит от длины контейнера L. В относительно коротких контейнерах, например, при L = Rui > 200 А (до 1500 А) имеет место развитое турбулентное течение, характеризующееся схожим распределением скорости по оси канала (рис. 8а). При R <L < 2R развитая турбулентность начинается с I = 400 А, а распределение осевой скорости характеризуется уже другими универсальными зависимостями. При L = 3R развитое ЭВТ имеет место в относительно небольшой области под малым электродом (z < R), вне которой развиваются нерегулярные крупномасштабные вихри. Примечательно, что во всех перечисленных случаях осевая скорость пропорциональна силе тока, а структура потока вблизи малого электрода схожа со струйным течением. Последнее обстоятельство подтверждают представленные на рис. 86 результаты обработки профилей скорости W2, произведенные по методике, которую обычно используют для затопленных турбулентных автомодельных струй с постоянной турбулентной вязкостью. Измерения z-компоненты скорости по радиусу выполнены при / = 1000 А в различных сечениях z = const. При других значениях тока характер этой зависимости аналогичен.

о[_1_-1-'-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1_1—1_10 0.1 1 г а) 0 0.5 1 г/п/2 б)

Рис. 8. Результаты измерений распределения осевой компоненты скорости по длине (а) и радиусу (б) цилиндрического контейнера. I = Я.^ 1Уго, - скорость на оси установки и ее максимальное значение, г —

Количественные данные по полям скорости ЭВТ в осесимметричной системе с несколькими (тремя) электродами при постоянном и переменном электрическом токе свидетельствуют о сложном знакопеременном характере этих течений и подтверждают предположение об ограниченности метода восстановления структуры потоков в объеме жидкости по результатам наблюдений за поверхностными течениями.

Результаты исследований, проведенных на установке ОИВТ РАН и являющихся логическим продолжением опытов, описанных выше, представлены в подразделе 2.4.2. Эксперименты были проведены в рабочей ванне полусферической формы. Данная геометрия контейнера в большей степени, чем цилиндрическая форма, приближена к условиям электрошлаковой сварки и электродугового переплава. Опыты с использованием волоконно-оптических датчиков скорости были выполнены в интервале значений силы постоянного электрического тока 50 < I < 400А (максимальная плотность тока у < 1.6х108А), что в пересчете на безразмерный параметр электровихревого течения соответствует

диапазону 2x106 5x109.В подобных режимах при интенсивном водяном

охлаждении рабочего участка и электродов в жидком металле практически отсутствуют градиенты температур, что позволяет корректно применять в опытах волоконно-оптические датчики скорости.

Рис. 9. Характерный вид осциллограмм пульсаций скорости на оси контейнера при разных токах на глубине г = 40 мм. Диаметр малого электрода 5 мм.

На рис. 9 представлены характерные осциллограммы осевой компоненты скорости при различных значениях силы электрического тока. Как видно из приведенного рисунка, в процессе своего развития ЭВТ с какого-то момента теряют устойчивость и распадаются на отдельные вихри, генерирующие интенсивные низкочастотные пульсации скорости. Полученные осциллограммы скорости свидетельствуют о существенно более сложной гидродинамической структуре ЭВТ, чем предполагалось ранее на основе результатов расчетно-теоретических исследований.

•0,05-6.02 -0.015 -0.010 0.005 0.000 0.005 0.010 0.015 0.02

Рис. 10. Профили аксиальной компоненты скорости: (а) - по радиусу г; (б) - на оси по глубине г ванны. I = 250 А. 4 - г = 5 мм; 2,5- 20 мм; 3,630 мм. Точки - эксперимент, линия -расчет.

50100

200 250 300

Рис. 11. Зависимость абсолютных (/) и относительных (2) среднеквадратичных значений пульсаций скорости от значения электрического тока.

Характерная и общепринятая структура ЭВТ - одиночный осесимметричный вихрь, имеющий форму тора, имеет место лишь на начальном этапе развития электровихревого течения. Вращение этого вихря направлено таким образом, что поверхностное течение жидкости сходится к центру полусферы. При этом профили осредненной скорости осевого потока (рис. 10), направленного вниз от малого электрода в глубину ванны, так же как в цилиндрических ваннах, обобщаются зависимостями типа: ТГ^Жа ~ 1 +0.05Л - 0.74Л2 + О.ЗЛ3 (здесь г/го.5, го.5 - радиус струи, при котором скорость равна половине максимального значения), применяемыми при обработке струйных течений. Течение имеет турбулентный характер; причем при потере устойчивости ЭВТ относительное значение интенсивности пульсаций скорости достигает ~ 20% от ее осредненной составляющей (рис. 11). Пульсации скорости сосредоточены в области низких частот; их амплитудный спектр ограничен «сверху» частотой несколько десятков Гц.

С целью выяснения возможных причин перестройки гидродинамической структуры ЭВТ и расширения диапазона исследований в диссертационной работе применялись, как было указано выше, численные методы. Для их верификации использовались опытные данные, полученные с помощью волоконно-оптических датчиков скорости. Сравнение с экспериментом свидетельствует о достоверности результатов проведенных вычислений, что обосновывает справедливость распространения используемых численных

методик для изучения ЭВТ в областях, недоступных волоконно-оптическим преобразователям скорости, т.е. для изучения как низкоскоростных, так и сильно неизотермических потоков при силе тока/< 50А и / > 400 А.

Численные исследования ЭВТ при больших значениях тока, дополненные измерениями местной скорости и температуры, выявили определяющее влияние внешнего магнитного поля на их гидродинамическую структуру. Было показано, что именно силовое взаимодействие растекающегося в расплаве электрического тока с внешними МП (включая магнитные поля Земли и токоподводов) вызывает осевую закрутку расплава, которая является основной причиной потери устойчивости ЭВТ и генерации вторичных крупномасштабных вихревых структур.

Рис. 12. Осциллограмма аксиальной скорости Рис. 13. Зависимость азимутальной скорости на оси на разных глубинах г погружения от радиуса в горизонтальной плоскости. I = датчика. Расчет: 1, 4 - 2 = 11.5 мм; .5 - 5 мм; 5 400А. Ь = 400 мм. 1, 2 - измерения скорости - 15 мм; 6-20 мм. Штриховая линия - без времяпролетным методом и волоконно-закрутки. 2-эксперимент,г- 11.5;7=400 А. оптическим датчиком, соответственно; 3 -

расчет.

Анализ полученных экспериментальных и расчетных данных, которые удовлетворительно согласуются друг с другом (смотри, например, рис. 12 и рис. 13), свидетельствует, что в зависимости от значений силы электрического тока, индукции внешнего магнитного поля и отношения диаметров электродов для одного типа расплава имеют место разные формы существования электровихревого течения в полусферической ванне. Данное утверждение наглядно иллюстрирует рис. 14, где представлены характерные картины распределения линий тока, полученные при значении силы рабочего электрического тока I = 400 А и отношении диаметров электродов ~ 1:38. В отсутствии внешнего магнитного поля, как уже упоминалось выше, во всем объеме рабочей ванны наблюдается устойчивое осесимметричное электровихревое течение в форме тора, сходящееся на свободной поверхности и направленное по оси вглубь объема жидкости (рис. 14а). В условиях воздействия внешнего магнитного поля, имеющего осевую составляющую В0, данная гидродинамическая структура также имеет место, но лишь на начальной стадии генерации ЭВТ. Затем всегда развивается

горизонтальное вращение расплава относительно оси установки. Подобная закрутка жидкости приводит к возникновению осесимметричного вторичного вихря в вертикальной плоскости (см. рис. 146), который создает поток, направленный вверх по оси ванны и подавляющий нисходящее электровихревое течение. В диапазоне 2x10"4 < В0 <10'3 Тл в полусферической ванне имеют место гидродинамические режимы с разной структурой ЭВТ: автоколебательная двухвихревая система, в которой вихри взаимосвязано, по гармоническому закону изменяют свои размеры; хаотическая структура, состоящая из множества относительно мелких колеблющихся вихрей (рис. 14в). При В0 > 10"3 Тл в расчетах и экспериментах наблюдается устойчивая двухвихревая структура, в которой преобладает вторичное течение, а вихрь, созданный электровихревой конвекцией, смещен на периферийную верхнюю часть полусферической ванны.

Рис. 14. Вид гидродинамической структуры ЭВТ в зависимости от внешнего магнитного поля, (а)-5=0; (б) - <10"4 Тл; (в) - г^Ю"4 Тл; (г) - В>10"3Тл;/= 400А. <1/0« 1:38.

Помимо внешних магнитных полей, созданных искусственным образом, на ЭВТ постоянно воздействует МП Земли, от влияния которого практически нельзя отстроиться в эксперименте. Обычно предполагается, что подобное влияние незначительно. Однако описанные выше результаты позволяют предположить, что и это относительно слабое МП (на широте Москвы магнитное поле Земли имеет наклонение в 19°, при этом вертикальная компонента равна 4.9x10"5 Тл) может вызвать закрутку электровихревого течения.

С целью проверки выдвинутого предположения были проведены эксперименты по измерению скорости азимутальной закрутки в условиях практического отсутствия в рабочей ванне магнитных полей искусственного происхождения, которые могли бы вызвать азимутальное вращение расплава. В опытах через установку пропускался относительно малый ток 7=40 А, а для сохранения плотности электрического тока на достаточном уровне использовался центральный электрод диаметром 0.55 мм. Горизонтальные участки токоподводов были удалены на максимально возможное расстояние от рабочей ванны, чтобы минимизировать влияние их МП на ЭВТ. В подобных условиях измеренный уровень индукции магнитного поля (включая МП Земли) в районе рабочего участка не превышал 6хЮ'5Тл. Измерение скорости перемещения поверхности жидкого металла

осуществлялось с помощью цифровой видеокамеры методом водородных меток. Полученные экспериментальные данные, с которыми согласуются результаты проведенных численных расчетов, доказывают предположение, что парадоксальная спонтанная закрутка осесимметричных ЭВТ в контейнере с полной осевой симметрией, причины возникновения которой до последнего времени оставались не достаточно ясными, может быть связана с влиянием неустранимого в опытах МП Земли. При этом азимутальная скорость на поверхности расплава в стационарном режиме может достигать относительно больших значений (~ 10 см/с), соизмеримых со скоростью электровихревого течения.

Результаты визуальных наблюдений также свидетельствуют об имеющихся особенностях поведения ЭВТ на свободной поверхности расплава, а именно: образовании углубления (воронки) вблизи малого электрода, электрическом пробое при определенных значениях электрического тока и генерации поверхностной волны при резком нарастании его значения. Было экспериментально установлено, что в условиях проведенных опытов (диапазон изменения силы электрического тока 300 - 750А, а его плотность] < 5хЮ7 А/м2) зависимость величины тока возникновения электрической дуги от радиуса электрода имеет линейный характер, а высота образующейся воронки пропорциональна квадрату отношения силы электрического тока к диаметру малого электрода. Характерная скорость распространения гребня волны, образующейся на поверхности жидкого металла при резком включении электрического тока, составляла несколько десятков см/с.

Рис. 15. Расчетное изменение формы поверхности сплава 1п-Оа-8п в зависимости от величины силы электрического тока. Диаметр малого электрода 5 мм. (а) - / = О А; (б) - 270 А; (в) - 380 А; (г) - 450 А; (д) - 500 А; (е) - 540 А.

Численные исследования влияния деформации свободной поверхности на характеристики ЭВТ выполнялись в программном пакете Fluent с использованием VOF модели расчета. Для вычисления магнитного поля вблизи малого электрода был разработан оригинальный метод вычислений, достоверность которого подтверждена результатами тестовых расчетов магнитных полей, описывающихся известными аналитическими зависимостями. Расчеты параметров воронки вблизи малого электрода были выполнены при различных (50 - 1000 А) значениях электрического тока. Результаты расчетов находятся в удовлетворительном соответствии с экспериментальными данными и свидетельствуют, что возникновение электрического пробоя обусловлено пинч-эффектом, а не осевой закруткой расплава. Сжатие и перемещение токопроводящей жидкости под действием магнитного давления приводит к образованию воронки, уменьшению

площади соприкосновения жидкого металла с поверхностью малого электрода (рис. 15) и, как следствие, электрическому пробою.

В заключительной части подраздела 2.4.2 представлены результаты анализа, частичного обобщения и применения полученных результатов. Было показано, что поля скорости вблизи малого электрода для ванн как цилиндрической, так и полусферической геометрии, описываются одними и теми же закономерностями, характерными для струйных течений. Отмечено, что действие слабых магнитных полей, включая МП Земли, имеющих продольную (относительно оси установки) компоненту индукции МП, практически всегда приводит к азимутальной закрутке потока. Определены границы возникновения вторичных потоков ЭВТ в зависимости от значений силы электрического тока, продольной компоненты внешнего магнитного поля и времени протекания процесса.

Полученные результаты по полям скорости позволили оценить влияние элекгровихревых течений как на интенсивность процессов перемешивания примесей, так и на время переплавки металлов. Для численного решения первой задачи в расчетах использовался метод нейтральной примеси. Вычисления, проведенные для значений индукции внешнего магнитного поля 10"3+10-1 Тл, выявили периодический пульсирующий характер изменения местной концентрации примеси, сглаживающийся в условиях азимутальной закрутки и возникновении вторичных течений. Было показано, что эффективность процесса перемешивания металла в значительной степени определяется местом ввода примеси, а МП разнонаправленным образом влияет на интенсивность процесса перемешивания. Например, при токе I = 400 А малое МП (104Тл), которое приводит к подавлению ЭВТ, ухудшает массообменные процессы; в магнитном поле большой интенсивности (.В > 10"2Тл), главным образом, за счет усиления скорости горизонтальной закрутки потока, имеет место интенсификация перемешивания, приводящая к сокращению в три раза времени выхода системы на режим квазипостоянной концентрации.

Вторая задача о влиянии ЭВТ и внешнего магнитного поля на плавку металла решалась как экспериментальными (для этого была проведена модернизация экспериментального стенда), так и численными методами. В опытах эвтектический сплав In-Ga-Sn с температурой плавления ~ 10 °С охлаждался до 0 °С. Затем, через замерзший сплав пропускался электрический ток силой I = 400 А, что вызывало плавление рабочего тела. Внешнее продольное магнитное поле с максимальной индукцией 5 мТл создавалось при помощи соленоида, витки которого были обмотаны вокруг рабочего участка. В опытах каждые 3 минуты измерялись глубина и ширина проплавленной зоны, а также температура расплава.

При численном изучении влияния ЭВТ на процесс плавления металла использовалась т.н. энтальпийно-пористая модель расчета, встроенная в программный пакет ANSYS Fluent. Результаты расчетов и опытов согласуются друг с другом. Полученные данные свидетельствуют, что

вначале проплавляется малый участок под меньшим электродом и в нем сразу возникает элеюровихревое движение жидкости. В условиях отсутствия внешнего магнитного поля соленоида ЭВТ, имеющее в области под электродом вид затопленной струи, вызывает направленное плавление металла вниз вдоль оси рабочей ванны. После того как расплавилась до дна практически вся приосевая область, начинается медленное плавление металла вширь по радиусу ванны.

При воздействии на расплав сильного внешнего магнитного поля возникает закрутка расплава в азимутальном направлении и генерируется вторичный вихрь, направленный вверх по оси ванны (см. рис. 15г). Осевое вращение жидкости усиливает массообменные процессы в горизонтальной плоскости рабочего участка. В результате, вначале сплав плавится вдоль радиуса (в цилиндрических координатах), а затем в направлении глубины ванны. При этом, как показали результаты исследований, время полного плавления всего объема сплава оказалось на 12% меньше чем без внешнего поля, что важно для оптимизации работы и повышения энергоэффективности электродуговых плавильных агрегатов.

В заключении 2.5 кратко изложены основные результаты исследований, описанных в разделе П. В нем отмечается, что с помощью волоконно-оптических датчиков впервые была исследована тонкая гидродинамическая структура электровихревых течений применительно к проблемам электрошлаковой сварки, а также электрошлакового и электродугового переплава металлов. Полученный достоверный материал позволил верифицировать численные методы расчета, которые в существенной степени расширяют возможности исследования ЭВТ.

Было показано, что наличие даже относительно слабого (т.е. соизмеримым с МП Земли) внешнего продольного магнитного поля может являться причиной кардинальной перестройки структуры электровихревого течения, вызванной вращением жидкости и появлением вторичных вихрей. В условиях реальной промышленной плавки металлов существует множество источников внешних электромагнитных полей, которые приводят к закрутке ЭВТ в жидкометаллической ванне и разнонаправленным образом влияют на процессы перемешивания, а также время плавки металлов. Поэтому, результаты численных расчетов течений в ваннах электроплавильных агрегатов, выполненных без учета взаимодействия электрического тока с внешними, даже относительно слабыми, магнитными полями, являются не достаточно достоверными.

Описанные физические эффекты на поверхности электровихревых течений необходимо учитывать при расчете оптимального значения глубины погружения плавящегося электрода в условиях электрошлаковой сварки и электрошлакового переплава. Чрезмерно большие значения этой величины приводят к уменьшению плотности электрического тока и затягиванию процесса плавки, а его уменьшение увеличивает вероятность Потери электрического контакта и возникновению электрического пробоя.

Раздел Ш. Исследование механизмов вскипания недогретой воды на горячих металлических телах и жидкометаллических каплях

В разделе III описаны результаты изучения методом физического моделирования термогидродинамических процессов, предшествующих и сопутствующих кризису режима пленочного кипения недогретой воды на перегретых жидкометаллических и твердых поверхностях. Подобные исследования важны для понимания механизмов возникновения и развития парового взрыва.

Во введении 3.1 к разделу кратко описаны основные этапы парового взрыва, степень понимания механизмов их протекания и место проведенных исследований в изучении данной проблемы.

В главе 3.2 диссертации приведён критический обзор литературы, касающейся вопросов взрывного взаимодействия расплав - охладитель. Показана определяющая роль кипения на стадиях предварительного перемешивания и инициирования взрыва, вызванного дроблением капель расплава. Подчеркивается, что этап тонкой фрагментации жидкометаллической капли, связанный с разрушением окружающей ее паровой оболочки и прямым контактом холодной жидкости с горячей каплей, является ключевым в понимании механизма развития спонтанного парового взрыва; однако полного представления о протекании этого этапа до сих пор не достигнуто.

В обзоре также перечислены основные модели фрагментации жидкометаллической капли и отмечается, что в настоящее время не существует единой универсальной теории, объясняющей все экспериментально наблюдаемые явления, связанные с этим процессом. Приведена классификация экспериментальных установок и описаны их конструкции. Показано, что физическое моделирование процесса инициирования парового взрыва проводилось как на жидкометаллических, так и на твердых поверхностях.

В этой же главе представлены основные экспериментальные результаты работ отечественных и зарубежных авторов по фрагментации одиночных капель расплава, а также тесно связанных с данным вопросом исследований по режиму пленочного кипения недогретых жидкостей. Отмечается, что экспериментальные данные по характеристикам явлений, сопровождающих взрывное взаимодействие капли горячего расплава с охладителем, во многом противоречивы.

В заключительной части обзорной главы на основе проведенного анализа литературы сформулированы задачи, методы и подходы исследования.

В главе 3.3 приведены описания экспериментальных установок и методик проводимых измерений. Использовались рабочие участки с жидкометаллическими и твердыми металлическими нагретыми рабочими телами (рис. 16). На рис. 16а показана установка с жидкометаллической оловянной каплей, подвешенной в объёме охладителя. При проведении опытов олово, находящееся внутри нержавеющей трубки с намотанным

электрическим нагревателем, расплавлялось и выдавливалось из торцевого отверстия до образования тела полусферической формы, погружаемого в объем охладителя - дистиллированной воды, недогретой до температуры кипения. Для удержания расплава в подвешенном состоянии и регулирования его формы использовалось специальное сильфонное устройство. В другой установке (рис. 166) рабочее тело (обычно стальной шарикоподшипник) размещалось на специальной подложке и плавилось в атмосфере аргона с помощью наведенных индукционных токов. Затем металлическая капля медленно погружалась в воду и, в результате испарения охладителя, обволакивалась паровой пленкой.

==, В диссертации показано, что

_-ЙЬ^ эксперименты с каплями жидкого

•П. металла относительно сложны в

проведении, а получаемые данные, главным образом, из-за окисления горячей жидкометаллической

поверхности, могут существенным образом отличаться от опыта к опыту. Указанного недостатка в существенной степени лишена экспериментальная методика, в которой используются твердотельные металлические рабочие участки, основанные на принципе теплового клина. Установка подобного типа (см. рис. 16в) применялась для изучения закономерностей пленочного кипения и стадии начального соприкосновения охладителя с горячей поверхностью, поскольку можно предположить, что подобные процессы для жидких и твердых перегретых тел развиваются схожим образом.

Эксперименты с подвешенными каплями и твердыми нагретыми телами схожи по методу проведения, который состоял из следующих этапов. В исходном состоянии рабочий участок с жидкой или твердой металлической торцевой поверхностью

полусферической формы нагревался на воздухе или в атмосфере аргона. Затем электрический нагреватель отключался, а рабочий участок с помощью специального координатного устройства со скоростью несколько миллиметров в секунду погружался в заполненную дистиллированной водой

Рис. 16. Схемы установок (а), (б) - с жидкими и (в) - твердыми металлическими телами. 1 - жидкий металл (капля); 2 - нагреватель; 3 - ванна 4 - сильфон; 5 - металлический стержень с полусферическим окончанием.

ванну на глубину радиуса полусферы. Начальное значение температуры полусферы выбиралось из условия получения на ее поверхности при погружении в воду режима заведомо устойчивого пленочного кипения. Эта температура существенно изменялась в зависимости от состояния поверхности и варьировалась в диапазоне 400 - 700 °С. Диапазон изменения температуры охлаждающей жидкости составлял 15 - 95 °С. Процесс схода паровой пленки наблюдался визуально с одновременным измерением температурных параметров процесса, давления, звуковых эффектов, толщины пленки пара и параметров соприкосновения охладителя с горячей поверхностью.

Эксперименты, использующие индукционный способ разогрева образцов, проводились в следующей последовательности. На первом этапе плавящийся образец размещался на керамической подставке в емкости, которая для предотвращения быстрого окисления поверхности жидкометаллической капли была заполнена аргоном. Индукционный нагрев образцов осуществлялся до температур, немного превышающих температуру плавления материала (для стали ~ 1400 °С). После выполнения этой операции методом сообщающихся сосудов происходил залив емкости охладителем -дистиллированной водой, имеющей температуру ниже температуры насыщения. В опытах проводились визуальные наблюдения за поведением паровой оболочки вокруг перегретой капли, а также отслеживалась температура ее поверхности. Во всех экспериментах использовалась дистиллированная вода, дегазированная посредством двухчасового кипячения.

Для проведения многофункциональных исследований механизма разрушения паровых оболочек на базе аппаратуры фирмы National Instruments был создан измерительный комплекс, позволяющий с частотой оцифровки до 106 изм./с проводить синхронные измерения сигналов с нескольких преобразователей, включая датчики температуры и давления. В качестве последних использовались прецизионные пьезоэлектрические датчики Kistler (Швейцария) и PCB (США), а также оригинальные волоконно-оптические преобразователи, разработанные в ОИВТ РАН. Волоконная оптика использовалась также в режиме пленочного кипения для изучения характеристик паровых оболочек. Помимо зондовых измерений в опытах проводились визуальные наблюдения с применением скоростных (Redlike MotionScope 1000) и обычных (Canon MV500Í) цифровых видеокамер.

В процессе исследований было решено несколько методических вопросов. В частности, с целью определения времени и площади соприкосновения охладителя с нагревательной поверхностью был разработан и экспериментально обоснован электроконтактный метод их определения. Другая решенная методическая задача связана с оценкой влияния импульсного теплового воздействия на показания пьезоэлектрических мембранных датчиков давления. Показано, что это воздействие приводит к

генерации «паразитного» знакопеременного сигнала, который можно ошибочно трактовать как низкочастотные знакопеременные пульсации давления. В подразделе также проанализированы погрешности определения

температуры и давления, измерительных методик.

Рис. 17. Фотографии оловянных фрагментов: (а) - тонкая фрагментация; (б) - пористая среда; (в) - застывшие струи; (г) -отсутствие фрагментации.

вызванные инерционностью применяемых

В главе 3.4 представлены результаты проведенных экспериментальных

исследований.

Эксперименты с жидкометаллическими каплями. Полученные опытные данные подтвердили работоспособность

предложенных оригинальных методик исследований, в частности, возможность дробления висящих перегретых оловянных капель при контакте с холодной водой. Было установлено, что для нагретых на воздухе оловянных капель сход паровой пленки носит спокойный характер, не приводящий к дроблению расплава. Фрагментация при нагреве оловянной капли наблюдается только в случае соприкосновения охладителя со «свежей» поверхностью расплава, выдавленного из капилляра. Вид конечных фрагментов дробления оловянных капель показан на рис. 17. Формы осколков в существенной степени зависят от температуры расплава (температурный диапазон исследований составлял 200 - 700 °С) и свидетельствуют о разных механизмах его фрагментации.

Результаты экспериментов, проведенных в диапазоне температур (300 - 1600) °С на одиночных оловянных и стальных каплях, нагретых с помощью токов высокой частоты (300 кГц), свидетельствуют, во-первых, что режимы пленочного кипения недогретой воды на жидкометаллических каплях и металлических сферах отличаются темпом охлаждения нагретых тел, который для жидкометаллических капель значительно больше. Наиболее вероятная причина интенсификации теплообмена - образование поверхностных волн на жидкометаллической

капле при отрыве парового пузыря с границы раздела фаз пар -охлаждающая жидкость (вода).

В-вторых, специфика стальных капель при нагреве на воздухе, помимо образования волнистой поверхности, состоит в генерации большого количества жидкометаллических брызг - искр (рис. 18а), вылетающих с нагретого тела (капельная эрозия металла). В условиях нагрева в инертной среде аргона поведение стальной гладкой капли имеет другую интересную особенность, связанную с образованием жидкометаллических кумулятивных струй, «выстреливающих» из воронок, образующихся на горячем теле. Механизм образования подобных струй и воронок требует дополнительного (рис. 186) изучения.

Процесс искрообразования является причиной того, что на каплях стали, нагретых на воздухе и погруженных в холодную воду, режим пленочного кипения не наблюдается, а имеет место интенсивное пузырьковое кипение, которое препятствует взрывной фрагментации расплава. Поэтому, можно предположить, что на воздухе, в условиях горения кориума, составной частью которого является расплавленная сталь, возникновение спонтанного парового взрыва по механизму, связанного с коллапсом паровых оболочек, маловероятно.

Рис. 18. Фотографии стальной капли (шарикоподшипниковая сталь ШХ15), нагретой в воздушной среде - капельная эрозия стали на воздухе (а) и в атмосфере аргона (б). Температура капли = 1600 °С.

Эксперименты с твердыми металлическими поверхностями полусферической формы. Как отмечалось выше, опыты с жидкометаллическими каплями характеризуются слабой повторяемостью результатов. Постоянно воспроизводимый взрывной сход паровой пленки наблюдается на перегретых телах, изготовленных из нержавеющей стали. Исследования на подобных образцах с торцевой поверхностью полусферической формы позволили выявить особенности развития и разрушения паровых пленок при атмосферном давлении в диапазонах изменения температур нагревателя 150 - 700 °С и охлаждающей воды, 15 -95 °С. Было установлено существенное различие сходов пленки при больших и малых недогревах (менее 20 °С) охлаждающей воды; в последнем случае взрывное разрушение паровой оболочки не наблюдается. Показано, что при взрывном вскипании жидкости охлаждение полусфер сходно с процессом остывания фрагментирующейся оловянной капли, а темп охлаждения (-300

°С/с) существенно (около 3-х раз) выше, чем при спокойном разрушении парового слоя. С помощью видеосъемки обнаружен и описан режим колебательного состояния пленки пара около горячих поверхностей. Обнаружено, что подобные колебания, имеющие характерную частоту несколько десятков Гц и амплитуду ~ 200 мкм, могут возникать только при определённых соотношениях температур нагретой поверхности и охладителя, что также характерно для процесса фрагментации капель.

Было замечено, что растворенные в воде газы и находящиеся в ее объеме частицы окалины уменьшают устойчивость парового слоя и приводят к преждевременному разрушению (сходу) паровой пленки при более высоких значениях температуры нагретой поверхности. Результаты измерения давления внутри паровой полости выявили наличие характерных низкочастотных пульсаций данной величины, связанные, по всей вероятности, с попаданием в паровую полость пузырей газов, растворенных в охладителе.

При проведении исследований взрывного разрушения паровой оболочки около горячего тела (полусферы) было установлено, что данный процесс сопровождается пульсациями знакопеременного давления. Было обнаружено, что вне зависимости от температуры воды, импульсы давления достигают максимальных значений при температуре полусферы близкой к температуре предельного перегрева охладителя Тпп. При температурах поверхности вблизи и ниже Trm пульсации давления представляют собой отдельные положительные короткие (десятки мкс) импульсы давления, достигающие значений 106 Па и .выше, разделённые относительно продолжительными (~ 1мс) временными интервалами. При температурах поверхности больших, чем Тпп датчики фиксируют пакеты знакопеременных импульсов давления,

Рис. 19. Характерный вид совместных осциллограмм давления и эквивалентного диаметра пятна контакта. Образец полусферы из нержавеющей стали - (а), (б) -иллюстрация, поясняющая методику определения времени прогрева. Температура полусферы 210 °С, температура охлаждающей воды - 60 °С.

Совместно с мониторингом температуры охладителя и нагретого тела, в опытах одновременно проводились синхронные (точность синхронизации 1мкс) измерения эквивалентного диаметра смоченной поверхности и

давления в момент схода (разрушения) паровой пленки. Данные измерения позволяют получить дополнительную количественную информацию о механизмах соприкосновения охладителя с горячей стенкой, касающуюся, в частности, времени прогрева холодной жидкости перед ее вскипанием.

Характерный вид полученных экспериментальных кривых показан на рис. 19. Из представленных графиков видно, что взрывному сходу паровой пленки предшествует прямой контакт жидкости с греющей поверхностью, после которого с выдержкой в несколько десятков микросекунд генерируется импульс давления. Время задержки вскипания уменьшается с ростом температуры поверхности (рис. 20). Можно предположить, что на этом временном интервале происходит прогрев тонкого пристенного слоя жидкости до температуры предельного перегрева (кинетический переход в метастабильное состояние) и его гомогенное взрывное вскипание.

Было установлено, что с увеличением температуры охладителя уменьшается значение максимальной амплитуды в пакете импульсов давления, которое при температуре воды 90°С не превышало 104 Па. Данные, представленные на рис.21, характеризуются существенным разбросом опытных значений (при одинаковой температуре охладителя эксперименты повторялись 10-15 раз), что связано с множеством случайных факторов, влияющих на процесс соприкосновения охладителя с нагретой поверхностью в широком (190 - 350°С) диапазоне изменения ее температуры.

Рис. 20. Зависимость времени прогрева воды Рис. 21. Характерная зависимость

перед ее вскипанием от температуры максимального давления от температуры воды,

полусферы. Температура воды: / - 20 С, 2 - 1 - полусфера, 2 - датчик давления, 3 - вода, 4

60,5-80. - паровая прослойка. 5 -Ь = 5 мм

В главе 3.5 представлены результаты анализа экспериментальных данных. Полученная оригинальная информация позволяет по-новому объяснить некоторые особенности протекания режимов кипения на перегретых поверхностях применительно к вопросу о взрывном взаимодействии расплав - охладитель.

Результаты численных оценок, выполненных на основе известных эмпирических зависимостей, подтвердили гипотезу, что колебательный режим существования паровой пленки возникает в условиях, когда невозможно все тепло, поступающее от нагревателя к поверхности раздела фаз пар - жидкость, отвести в охладитель посредством механизма свободной

34

конвекции. Сходство в температурных условиях возникновения колебаний паровых полостей около нагретых поверхностей и фрагментации горячих жидкометаллических капель, падающих в воду, позволяет предположить, что отсутствие дробления капель при малых недогревах теплоносителя может быть обусловлено увеличением толщины парового слоя, затрудняющим возможность прямого контакта холодной жидкости и горячей поверхности.

Результаты проведенных численных расчётов нестационарных температурных полей нагретого образца в режимах пленочного и переходного кипения свидетельствуют о совпадении экспериментальных и расчетных данных при значениях задаваемых в расчетах значениях коэффициентов теплоотдачи а = 270 Вт/м2«: и а =106Вт/м2К в условиях спокойной пленки и при ее взрывном разрушении, соответственно. Последний результат предполагает, что в режиме переходного кипения плотность теплового потока, отводимого от нагретой поверхности может достигать ~ 108 Вт/м2.

На основе визуальных наблюдений, анализа продуктов дробления и результатов совместных измерений импульсов давления, площади смоченной поверхности и температуры предложены: качественная схема начального этапа соприкосновения воды с перегретой поверхностью; уточненная температурная карта режимов дробления, предполагающая доминирование кавитационно-акустического механизма при тонкой фрагментации капель.

В заключении 3.6 к разделу Ш перечислены основные результаты исследований механизмов вскипания недогретых жидкостей на горячих поверхностях. Применительно к вопросам возникновения и развития спонтанного парового взрыва отмечается, что: 1) отсутствие фрагментации при малых значениях недогрева охладителя можно объяснить резким увеличением толщины парового слоя, что препятствует соприкосновению воды с горячей поверхностью; 2) значение амплитуд импульсов давления при взрывном разрушении паровых оболочек может достигать ~ 106Па, что достаточно для фрагментации соседних капель и инициировании ПВ; 3) механизм «тонкой» фрагментации расплава, наиболее вероятно, обусловлен ударно-волновыми эффектами внутри капли, которые недостаточно полно освещены в литературе и требуют дальнейшего изучения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

При участии автора и под его частичным или полным руководством:

1. Разработан ряд оригинальных измерительных методик, приспособленных для исследования термогидродинамических процессов с жидкометаллическими рабочими телами при комнатных температурах.

1.1. Разработана методика измерения двух мгновенных компонент скорости в жидких металлах с помощью волоконно-оптических преобразователей. Отработана технология изготовления датчиков в лабораторных условиях, а также исследованы их метрологические характеристики. Основные параметры датчиков: скоростной диапазон (в

пересчете на поток ртути) 0.1 - 15 см/с; измерительный объем -0.6*0.03*0.03 мм3; температурная область - до ~ 100°С; динамический диапазон 0 - 200 Гц (динамические искажения менее 1.2 %). Установлено, что магнитные и электрические поля в требуемом исследовательском диапазоне (изменений чисел Стюарта N = 0 - 0.05 и плотности электрического тока] < 107А/м) не влияют на их показания.

Разработаны аналоговая аппаратура и программные продукты для восстановления мгновенных значений двух компонент скорости по значениям величин выходных электрических сигналов. На примере задачи о поперечном обтекании цилиндра потоком ртути в магнитном поле подтверждена работоспособность и научная эффективность применения волоконно-оптических датчиков.

1.2. Созданы оригинальные волоконно-оптические датчики давления, изготовленные из стекла или металла. Экспериментально и теоретически исследованы их метрологические характеристики, которые определяются целями исследований. Показано, что по своим геометрическим размерам, чувствительности и динамическому диапазону разработанные преобразователи не уступают мембранным датчикам других типов, а возможность изготавливать их самостоятельно в лабораторных условиях упрощает проведение опытов. Волоконно-оптические датчики обладают слабой зависимостью показаний от внешних электромагнитных полей, что позволяет использовать их в сильноточных процессах для оценки достоверности показаний других преобразователей давления.

1.3. На основе разработанных волоконно-оптических систем измерения перемещений предложены и реализованы на практике различные конструкции датчиков, предназначенные для исследования динамики поведения границы раздела фаз пар - жидкость.

1.4. Развит малоинерционный (характерная частота измерений 1 МГц) электроконтактный метод оценки параметров (площади и времени) соприкосновения холодной воды с перегретой поверхностью при смене режимов кипения охладителя. Определены методические ограничения, связанные с использованием пьезоэлектрических датчиков давления в условиях импульсного температурного воздействия на поверхность их чувствительных элементов.

2. Выполнены пионерские экспериментальные исследования по изучению структуры турбулентных электровихревых течений в условиях, моделирующих термогидродинамические и МГД процессы в различных плавильных и сварочных агрегатах.

2.1. Совместно с латвийскими коллегами (ИФ АН Латв. ССР) впервые применительно к проблемам электрошлаковой сварки и электрошлакового переплава на ртутных моделях исследованы поля скорости турбулентных электровихревых течений. Продемонстрирована эффективность применения волоконно-оптических датчиков скорости для изучения ЭВТ. Выявлены

общие закономерности, связывающие скорость электровихревых течений с силой электрического тока и геометрическими характеристиками установок.

2.2. На специально созданной установке ОИВТ РАН (рабочий участок -полусферический контейнер с малым центральным электродом; рабочие тела - эвтектический сплав Ьг-Са-Бп или ртуть) в интервале значений параметра электровихревого течения 2*106 < Б < 8.5*109 с помощью волоконно-оптических преобразователей проведены количественные измерения скорости электровихревых течений, созданных постоянным электрическим током. Выделено два характерных режима течения ЭВТ без наличия и с присутствием азимутальной закрутки. Показано, что в условиях отсутствия азимутальной закрутки ЭВТ по своей структуре представляет тороидальный вихрь, создающий на поверхности расплава течение, сходящееся к малому электроду. Установлено, что в подобных обстоятельствах поля скорости осевого потока в контейнерах, имеющих полусферические и цилиндрические формы, вблизи малого электрода обобщаются зависимостями, характерными для струйных течений.

Выявлено, что осевое вращение жидкости в горизонтальной плоскости обусловлено взаимодействием электрического тока, растекающегося по жидкому металлу, с внешними магнитными полями, включая магнитное поле Земли. Посредством измерения скоростей в объеме токонесущей жидкости впервые экспериментально подтверждено, что азимутальная закрутка электровихревого потока приводит к генерации вторичного тороидального вихря, циркулирующего в вертикальной плоскости. Возникшее вторичное движение кардинальным образом изменяет струюуру ЭВТ, резко замедляя вертикальную составляющую течения во всей ванне вплоть до локальных изменений его направления.

2.3. Разработана математическая модель и в электродинамическом приближении выполнены расчеты полей скорости, температуры и концентрации в полусферической ванне. Достоверность полученных численных результатов подтверждена экспериментом.

Проведена оценка влияния внешних (в том числе слабых) магнитных полей на структуру ЭВТ и продемонстрирована ошибочность подхода, игнорирующего данное взаимодействие. Показано, что даже магнитное поле Земли способно вызвать осевую закрутку расплава в промышленных ваннах, влекущую за собой изменение гидродинамической структуры всего ЭВТ. Пренебрежение подобным эффектом при проведении расчетов электрошлаковой сварки и переплавки металлов может привести к получению некорректных физических результатов.

Определены границы формирования вторичных циркуляционных потоков в меридиональной плоскости. Выявлено явление неустойчивости существования гидродинамической системы ЭВТ с двумя тороидальными вихрями, которое подтверждается результатами измерений температуры в объеме токонесущей жидкости. Оценено влияние внешнего МП на

интенсивность перемешивания и время плавления металлов. Установлена неоднозначность этого воздействия.

2.4. С помощью взаимно дополняющих друг друга экспериментальных и расчетных исследований изучено влияние деформации свободной поверхности расплава на характеристики ЭВТ. Показано, что оттеснение электропроводящей жидкости от поверхности малого электрода, вызванное пинч-эффектом, приводит к уменьшению площади соприкосновения расплава с электродом, сопровождающееся ростом интенсивности электровихревых течений, и в предельном случае - образованию электродугового пробоя.

3. Экспериментально, применительно к проблеме спонтанной фрагментации расплава при паровом взрыве, исследовано вскипание недогретой воды на перегретых телах (в том числе на металлических каплях).

3.1. На основании результатов проведенных опытов и анализа литературных данных представлена оценочная температурная карта режимов фрагментации оловянных капель. Показано, что при ~250 < Т < 400 °С преобладает термомеханический механизм их разрушения, а при более высоких значениях Т может иметь место тонкая фрагментация расплава, вызванная, предположительно, ударно-волновыми эффектами.

3.2. Экспериментально обосновано предположение, что длительная временная задержка или полное отсутствие фрагментации капель при малых (~20 °С для воды) недогревах охладителя связаны с резкой интенсификацией режима его испарения. Увеличение парообразования приводит к росту толщины парового слоя и затрудняет контакт жидкости с перегретой каплей.

3.3. На основании результатов одновременных совместных измерений давления, параметров контакта и температур охладителя и горячего тела -металлического образца полусферической формы описана возможная схема протекания начального этапа соприкосновения воды с перегретой поверхностью. Установлено, что характер разрушения паровой пленки (спокойный или взрывной) в существенной степени определяется наличием и толщиной слоя окислов на нагретой поверхности. Показано, что взрывному сходу паровой пленки, сопровождающемуся пакетом импульсов давления миллисекундной длительности, предшествует контакт (характерное время соприкосновения - несколько десятков микросекунд) жидкости с греющей поверхностью. Определены зависимости амплитуды и формы пакетов импульсов давления от температуры и свойств нагретой поверхности. Максимальное значение амплитуды импульсов давления (~ 1 МПа) наблюдается в диапазоне температур горячего тела, близких к «стационарной» температуре предельного перегрева охладителя (для воды ~300°С). Согласно имеющимся данным, подобного импульса давления достаточно для инициирования (триггеринга) тонкой фрагментации группы соседних капель горячей жидкости и парового взрыва.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ,

опубликованных по теме диссертации в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, а также авторское свидетельство СССР

1. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Огородников В.П., Осипов В.В. Оптико-механические преобразователи давления // Теплофизика высоких температур. 1979. Т. 17. № 5. С.1065 -1068.

2. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Огородников В.П., Осипов В.В. Двухкомпонентный волоконно-оптический преобразователь скорости для исследования турбулентных потоков жидких металлов // Теплофизика высоких температур. 1982. Т. 20. № 6. С. 1164 -1168.

3. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Оксман A.A. Об отсутствии влияния магнитного поля на показания волоконно-оптического преобразователя скорости жидкого металла // Теплофизика высоких температур. 1984. Т. 22. № 5.С. 1024 - 1025.

4. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Оксман A.A. Методика измерения двух компонент скорости в турбулентном потоке жидкого металла с помощью волоконно-оптического преобразователя // Теплофизика высоких температур. 1984. Т. 22. № 6.С. 1178 - 1182.

5. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Оксман A.A. Пространственное разрешение волоконно-оптических датчиков скорости жидкого металла // Магнитная гидродинамика.

1985. №3. С. 137- 138.

6. Жилин В.Г., Звягин К.В., Ивочкин Ю.П. Динамические характеристики и пространственное разрешение волоконно-оптических датчиков скорости жидкого металла // Теплофизика высоких температур. 1986. Т. 24, № 5.С. 967 - 973.

7. Жилив В.Г., Ивочкин Ю.П., Оксман A.A., Луринып Г.Р., Чайковский А.И., Чудновский А.Ю., Щербинин Э.В. Экспериментальное исследование поля скоростей в осесимметричном течении в цилиндрическом контейнере // Магнитная гидродинамика.

1986. №3. С. 110- 116.

8. Жилин В.Г., Зэягин К.В., Ивочкин Ю.П., Оксман A.A. Исследование течения вблизи цилиндра в магнитном поле // Магнитная гидродинамика. 1986. № 4. С. 130 - 131.

9. Дементьев С.Б., Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Оксман A.A., Чудновский А.Ю. К вопросу о формировании электровихревых течений при многоэлектродном токоподводе // Магнитная гидродинамика. 1988. № 4. С.121 - 125.

10. Жилин В.Г., Звягин К.В., Ивочкин Ю.П., Оксман A.A. Исследование влияния магнитного поля на теплоотдачу от поперечно-обтекаемого цилиндра // Теплофизика высоких температур. 1988. Т. 26. № 2.С. 402-405.

11. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Оксман A.A. Способ измерения диаметра непрозрачных тонких нитей. Авторское свидетельство СССР, Б.И. № 39,1989.

12. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Игумнов B.C., Оксман A.A. Экспериментальное исследование электровихревых течений в полусферическом объеме // Теплофизика высоких температур. 1995. Т. 33. № 1. С. 3 - 6.

13. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Игумнов B.C., Оксман A.A. К вопросу о возникновении свободной конвекции в электровихревых течениях // Теплофизика высоких температур. 1995. Т. 33. № 3. С. 490 - 491.

14. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Игумнов B.C., Оксман A.A., Дуников Д.О. Волоконно-оптические преобразователи давления // Теплофизика высоких температур. 1996. Т.34. №5. С.819-823.

15. Глазков В.В., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Синкевич O.A., Цой В.Р. Взрывной режим развития неустойчивости, приводящий к разрушению паровой пленки на твердой полусферической поверхности // Доклады Академии Наук. 2001. Т. 376. № 3.C.328 - 330.

16. Glazkov V.V., Zhilin V.G., Ivochkin Yu.P., Igumnov V.S., Sinkevich O.A., Tsoy V. R., Shvets V.G. Experimental and theoretical Investigation of the Process of Initiation of Vapor

15-10153

Explosion on a Solid Hemispheric Model. Part 2. Experiment // Heat Transfer Research. 2001. Vol. 33. Issue 1-3. P. 47-54.

17. Glazkov V.V., Zhilin V.G., Ivochkin Yu.P., Igumnov V.S., Sinkevich O.A., Tsoy V. R., Shvets V.G. Experimental and theoretical Investigation of the Process of Initiation of Vapor Explosion on a Solid Hemispheric Model. Part 1. Theory // Heat Transfer Research. 2001. Vol. 33.1ssue 1-3. P. 39 - 46.

18. Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Король Е.З. Термомехалический механизм тонкой фрагментации жидких капель при паровом взрыве // Теплофизика высоких температур. 2004. Т. 43. № 3. С.491 -492.

19. Григорьев B.C., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Глазков В.В., Синкевич O.A. Поведение паровой пленки на сильно перегретой поверхности, погруженной в недогретую воду // Теплофизика высоких температур. 2005. Т. 43. № 1. С. 100-114.

20. Глазков В.В., Григорьев B.C., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Кубриков К.Г., Медвецкая Н.В., Оксман A.A., Синкевич O.A. Об одном возможном механизме инициирования (трютеринга) парового взрыва // Теплофизика высоких температур. 2006.Т. 44. №6.С. 913 - 917.

21. Grigoriev V. S., Zhilin V. G., Zeigamik Yu. A., Ivochkin Yu. P., Kubrikov K. G. Study of Special Features of Development and Collapse of Vapor Film on Hemispherical Surfaces //Heat Transfer Research. 2007. Vol. 38. Issue 5. P. 449-460.

22. Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Григорьев B.C., Оксман A.A. Заметки о некоторых аспектах парового взрыва //Теплофизика высоких температур. 2008. Т.46. №5. С.797 - 800.

23. Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Оксман A.A., Белов К.И. Экспериментальное исследование характеристик взрывного вскипания недогретой воды на горячей поверхности при смене режимов кипения //Теплофизика высоких температур. 2009. Т. 47. № 6. С.891 - 898.

24. Белов К.И., Ивочкин Ю.П., Пузина Ю.Ю. Исследование процесса соприкосновения охладителя с горячей поверхностью при вскипании недогретой жидкости // Вестник МЭИ. 2010. № 3. С. 44-50.

25. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Тепляков И.О. К вопросу о закрутке осесимметричных электровихревых течений // Теплофизика высоких температур, 2011. Т. 49. № 6. С. 957 -959.

26. Ивочкин Ю.П., Вавилов С.Н., Зейгарник Ю.А., Кубриков К.Г.' К вопросу об отсутствии фрагментации горячих капель при малых недогревах охладителя // Теплофизика и аэромеханика. 2012. Т. 19. № 4. С.475 - 483.

27. Ивочкин Ю.П., Тепляков И.О., Гусева A.A., Токарев Ю.Н. Численное и экспериментальное исследование структуры замученного электровихревого течения // Тепловые процессы в технике. 2012. №8. С. 345 - 352.

28. Ивочкин Ю.П., Тепляков И.О., Гусева A.A., Лозина Е.Ю., Клементьева И.Б., Токарев Ю.Н. Исследование деформации свободной поверхности и ее влияния на интенсивность электровихревого течения жидкого металла // Тепловые процессы в технике. 2012. №11. С.487 - 495.

29. Sinkevich O.A., Glazkov V.V., Ivochkin Yu.P., Kireeva A.N. Films Under Influence Of High Heat Fluxes: Nongravity Surface Waves And Film Explosive Disintegration // International Journal ofNonlinear Sciences and Numerical Simulation. 2013. V. 14. No. 1. P. 1-14.

30. Ивочкин Ю.П., Зейгарник Ю.А., Вавилов C.H., Ковалев С.А. Оценка влияния температурных импульсов на показания пьезоэлектрических датчиков давления // Теплофизика высоких температур. 2013. Т. 51. № 5. С. 764-768.

Подписано в печать' ^'"зак. WTwd. Ш П.л .Л, ¿Г Типография Издательства МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13

2015673296

2015673296