Исследование процессов неустойчивости на границе жидкость-пар вблизи сильно перегретой поверхности

Авакимян, Наталья Николаевна

Исследование процессов неустойчивости на границе жидкость-пар вблизи сильно перегретой поверхности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Авакимян, Наталья Николаевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Краснодар МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование процессов неустойчивости на границе жидкость-пар вблизи сильно перегретой поверхности»

Автореферат диссертации на тему "Исследование процессов неустойчивости на границе жидкость-пар вблизи сильно перегретой поверхности"

На правах рукописи

Авакимян Наталья Николаевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НЕУСТОЙЧИВОСТИ НА ГРАНИЦЕ ЖИДКОСТЬ-ПАР ВБЛИЗИ СИЛЬНО ПЕРЕГРЕТОЙ ПОВЕРХНОСТИ

01 04 07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Краснодар - 2004

Работа вьшолнена в Кубанском Научный руководитель

государственном технологическом университете доктор технических наук, профессор Трофимов Анатолий Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мэт. наук, профессор Фомин Василий Васильевич кандидат физ.-мат. наук, доцент Тумаев Евтений Николаевич

Ведущая организация

Научно - исследовательский и проектный институт по переработке газа, г. Краснодар

Защита состоится « 18 » ноября 2004 года в 1400 часов нз заседании диссертационного совета Д-212.101.07 в Кубанском тосударственчом университете по адресу: 350040, г Краснодар, ул Ставропольская, 149, КубГУ, ауд.231.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного университета.

Автореферат разослан «_» октября 2004 г.

диссертационного совета

Ученый секретарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Выбор параметров теплоэнергетических устройств

полуэмпирических зависимостей, которые ие всегда полно отражают влияние различных факторов на параметры процесса теплопередачи. Такая задача может решаться только на базе понимания физических процессов, происходящих при теплопередаче к испаряющейся жидкости, в частности при теплопередаче от нагретой поверхности жидкости через паровую прослойку. Такие процессы существуют при струйном охлаждении в металлургии, закризисном теплообмене в парогенераторах, капельном охлаждении при кризисах высыхания, жидкостных реактивных двигателях, проектируемых термоядерных реакторах и системах охлаждения зеркал мощных лазеров, при гипотетических тяжёлых авариях ядерных реакторов с взаимодействием расплава актипной зоны с охлаждающей водой и др. Предложены различные зависимости для расчёта теплопередачи в таких процессах, подтверждённые многочисленными экспериментами. Однако механизм процесса переноса теплоты в поверхностных слоях жидкости, отделенной паровой прослойкой от греющего объекта, в начальные моменты времени хонтакта остается малоисследованным.

Известные задачи о влиянии нагрева жидкости греющей поверхностью через паровую прослойку на ее движение ограничиваются одномерной постановкой, т.е. рассматриваются движения жидкости, нормальные к греющей поверхности: плоские, цилиндрические, сферические задачи. В этом случае жидкость в поверхностном слое движется как целое и нет перемешивания жидкости и иеретечек теплоты в касательном направлении, теплоперенос в жидкости в этом случае может осуществляться преимущественно молекулярным механизмом теплопроводности. Однако измерения локальной мгновенной плотности теплового потока 'через нагретую поверхность при капельном или струйном ее охлаждении при температуре поверхности выше, чем возможная для осуществления непосредственного контакта поверхности и жидкости в начальные моменты времени показали, что существует значительный конвективный поток теплоты в жидкость. Поэтому существует необходимость расчета теплопереноса в поверхностных слоях жидкости на основе двухмерной модели движения жидкости, позволяющей найти конвективную составляющую теплового потока на поверхности жидкости, направленную внутрь жидкости.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование процесса возникновения конвекции и высокой величины мгновенной плотности теплового потока в поверхностных слоях жидкости в начальные моменты времени контакта жидкости через паровую прослойку с нагретой поверхностью.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: - разработать методику эксперимента и провести измерения параметров неоднородностей на поверхности жидкости при контакте её через паровую

обычно осуществляется

с помощью известных эмпирических или

прослойку с нагретой поверхностью в начальные

■а;

- разработать физическую модель механизма роста возмущений на поверхности ЖИДКОСТИ, отделенной паровой прослойкой от нагретого тела;

- разработать двухмерную модель движения поверхностных слоев жидкости, обогреваемых плоской поверхностью через паровой слой в течение коротких промежутков времени, к получить приближенные аналитические выражения для параметров неоднородностей на поверхности жидкости;

- найти конвективную составляющую теплового потока в поверхностных слоях жидкости;

- провести измерения локальной мгновенной плотности теплового потока в условиях реализации теплопередачи в жидкость через паровой слой при капельном охлаждении нагретого металлического тела.

Научная новизна. Разработана новая методика эксперимента и проведены эксперименты по визуализации волнового процесса на поверхности жидкости при контакте ее с нагретой твердой поверхностью через паровой слой в начальные моменты времени контакта, получены новые экспериментальные данные о характере и параметрах волн на поверхности жидкости.

Установлен впервые новый механизм развития возмущений на поверхности жидкости при обогреве её греющей поверхностью через слой пара.

Разработана новая математическая модель движения поверхностных слоев жидкости при обогреве их нагретой поверхностью через слой пара в течение коротких промежутков времени с момента начала обогрева.

Получены новые аналитические выражения для параметров поверхностных волн и конвективной составляющей теплового потока в поверхностных слоях жидкости.

Получены новые экспериментальные данные о процессе изменения температуры нагретой поверхности и о величине мгновенной локальной плотности теплового потока при капельном охлаждении в широком диапазоне начальных параметров.

Установлено, что величина мгновенного теплового потока, измеренная на поверхности нагретого твердого тела при капельном охлаждении близка к величине конвективной составляющей теплового потока в жидкости из капли, рассчитанной из аналитической модели.

Практическая значимость. Учёт механизма конвективной теплопередачи необходим при разработке теорий процессов теплопередачи, проектировании и расчёте различных теплотехнических устройств в различных областях техники. В случае если греющая поверхность - высокотемпературный расплав, влияние волнообразования на процесс фрагментации расплава с помощью разработанной модели можно учесть непосредственно.

Полученные экспериментальные данные о локальных мгновенных величинах теплового потока при взаимодействии мелких быстрых капель с нагретой поверхностью могут быть непосредственно использованы, например, при расчётах параметров теплообмена нагретой стенки с ядром паро-капельного потока.

Установленный механизм возбуждения поверхностных волн необходимо учитывать в разработке более точных моделей взаимодействия жидкости и нагретой поверхности через слой пара.

Основные положения, выносимые на защиту. Механизм возбуждения волн на поверхности жидкости при нагреве её через паровую прослойку греющей стенкой.

Аналитическая модель процесса возбуждения волн в поверхностных слоях жидкости при обогреве ее нагретым телом через паровую прослойку в начальные моменты времени после начала обогрева, соотношения для параметров поверхностных волн и величины конвективной теплопередачи.

Методика экспериментов и результаты экспериментального исследования параметров волн при контакте греющей стенки с жидкостью.

Результаты измерений параметров взаимодействия отдельных капель с нагретой металлической поверхностью через паровую прослойку: величина падения температуры, длительность фронта падения температуры, длительность теплового контакта, а также результаты измерений локальной мгновенной плотности теплового потока на нагретой поверхности.

Достоверность полученных результатов. Достоверность

экспериментальных результатов исследований обеспечивалась использованием прямых методов их получения. Достоверность теоретических результатов обеспечивалась использованием в аналитической модели известных уравнений движения жидкости, теплопереноса в слое пара, сохранения энергии и признанных методов учёта главных действующих факгоров, а также сравнением параметров волн и теплопередачи, полученных расчётным путём из аналитической модели развития поверхностных зопн, с параметрами, полученными экспериментально.

Апробация работы Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались

- на научно-методических семенарах и заседаниях кафедры промышленной теплоэнергетики Кубанского государственною технологического университета.

- на IV Минском международном форуме но тепломассообмену (г.Минск,

2000г.);

- на межрегиональной конференции «Молодые ученые России — теплоэнергетике»(г.Новочеркаск, 2001 г.);

- на шестой Международной конференции «Экология и здоровье человека.Экологическое образование.Математические модели и информационные технологки»(г.Краснодар,2001 г.);

- на III Российской национальной конференции по теплообмену (г.Москва,

2002г.);

- на XIV школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (г. Рыбинск, 2003 г.).

Публикации. По теме работы опубликовано 12 работ.

Структура и объём работ. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, списка использованных источников из 92 наименований, общий объём диссертации 147 с, включая 55 рисунков, 1 приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы, а также приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен аналитический обзор литературы по теме исследования. Рассмотрены работы об исследовании теплопередачи в жидкости через паровую прослойку в следующих условиях.

1.Стационарные условия взаимодействия жидкости и нагретой стенки.

2.Динамическое взаимодействие капель жидкости с поверхностью нагретого тела.

3.Взаимодействие испаряющейся жидкости с нагретым расплавом. На основании обзора данных работ сделаны следующие вывсды.

В работах посвященных исследованию процесса взаимодействия нагретых тел с испаряющейся жидкостью через паровую прослойку в стационарном режиме и, когда движение в жидкости параллельно нагретой поверхности, влияние различных параметров взаимодействия исследовано достаточно полно. Работ, исследующих динамический режим взаимодействия, т.е. в случаях, когда относительная скорость нагретого тела и жидкости имеет нормальную к поверхности жидкости составляющую, причём исследующих взаимодействие не суммарного потока капель, а отдельных крупных капель, значительно меньше. Работы, посвященные использованию характеристик взаимодействия отдельных мелких быстрых капель или быстрых струй, с нагретой поверхностью практически отсутствуют. В таких взаимодействиях достигаются большие величины локальной плотности теплового потока при температуре поверхности нагретого тела. исключающей непосредственный контакт жидкости и тела. В этом случае толщина парового слоя предельно тонкая, обеспечивающая теплопередачу с высокой плотностью теплового потока, сила трения жидкости о стенку через тонкую паровую прослойку также велика, что формирует гидродинамический пограничный слой на поверхности жидкости. В этом слое, возникающем при движении жидкости, как целого, подавляются движения, нормальные поверхности, и можно считать, что поверхностные слои жидкости движутся ламинарко. Теплоперенос в поверхностных слоях в глубь жидкости при этом может осуществляться преимущественно молекулярным механизмом. Оценки показывают, что такой механизм не обеспечивает наблюдаемую интенсивность теплопереноса, и поэтому возможно существование движений жидкости, обеспечивающих конвективный механизм переноса теплоты в поверхностных слоях жидкости, контактирующих с нагретой поверхностью через паровую прослойку.

Отмечена схожесть физических процессов теплопередачи при погружении расплава металла в испаряющуюся жидкость и при падении капли жидкости на перегретую твердую поверхность, при этом происходит образование парового слоя отделяющего жидкость от нагретого тела. В обоих случаях при измерениях наблюдается, высокая плотность теплового потока, что может указывать на сходные механизмы переноса теплоты в поверхностных слоях жидкости.

Зо второй главе рассмотрен процесс образования воли на поверхности жидкости в паровом слое, отделяющем нагреватель от жидкости, приводится описание экспериментальной установки, методики и системы измерения параметров

волн на поверхности жидкости (характер движения и форму волн, расстояние между гребнями и среднюю скорость волн).

Рис.1 .Схема экспериментальной установки для визуализации процесса волнообразования.

- нагреваемый металлический образец; 2 - обмотка электропечи; 3 - жидкость в кювете; 4 - кювета с прозрачными стенками; 5 - твёрдотельный ОКГ красного цвета; 6 - светоприёмник (фотоэлемент); 7 - блок управления; 8 - разрядная лампа (импульсного осветителя); 9 - фотоаппарат «Зенит-Е»; 10 - якорь электромагнита; 11 - электромагнит; 12 - тяга; 13 - термопара хромель-алюмель; 14 -милливольтметр; 15 - компенсационная термопара; 16 - сосуд Дьюара со льдом; 17 -- автотрансформатором; 18 - поворотная призма; 19 - термометр; 20 - нагреватель.

Исследовать волновой процесс на поверхности жидкости в случае движущейся жидкости затруднительно, в связи с внутренними течениями жидкости, искажающими форму поверхности при данном процессе. Поэтому для проведения экспериментов выбирался процесс, при котором жидкость покоилась, а нагретое

тело двигалась, т.к. механизм контакта зависит только от относительной скорости нагревателя к жидкости.

Металлический образец (Рис.1), изготовленный из нержавеющей стали диаметром 4 мм, длиной 5 см, нагревался в электрической печи. После достижения нужной температуры образец падал на поверхность жидкости, находящейся Б кювете с прозрачными стенками. Температура жидкости (дистиллированная вода) определялась термометром и поддерживалась нагревателем. Температура образца определялась термопарой, совместно с компенсационной термопарой и милливольтметром. Компенсационная термопара находилась в сосуде Дьюара со льдом. Образец перед падением удерживался якорем через тягу с помощью электромагнита. Температура печи регулировалась автотрансформатором . Поверхность жидкости перед падением образца плоская и спокойная, поэтому луч от твердотельного оптического квантового генератора красного света направлялся на поверхность жидкости в предполагаемое место падение образца, отражался от поверхности и падал на светоприёмник. После нажатия кнопки «Пуск» образец падал с заданной высоты на поверхность жидкости при этом интенсивность освещения фотоприёмника изменялась. Изменение тока от фотоэлемента усиливалось в блоке управления, задерживалось на заданный промежуток времени в диапазоне 0.1 -=-3 мс и передавалась ка разрядную лампу с длительностью светового импульса 8 ' 10"& с. Угол, составленный поверхностью жидкости и световым лучом от разрядной лампы, выбирался наименьшим, и был не более 5 градусов, для выявления малых отклонений поверхности жидкости от плоскости. Эксперименты проводились в отсутствии внешнего освещения с открытым затвором фотоаппарата. Для удобства эксперимента использовалась поворотная призма.

В результате получали серию изображений в различные моменты времени различных реализаций процесса Эксперименты проводились при различных

температурах образца

скорость образца высота падения

Подавляющее большинство неоднородностей на фотографиях имеют характер уединённых вдавленностсй в жидкость, края которых можно интерпретировать как гребни волн, распространяющихся от центра вдавлености, с течением времени расстояние между диаметрально противоположными частями гребня увеличивается.

На полученных снимках видно, что во всех режимах в начале процесса контакта поверхность жидкости покрыта хаотической системой

трёхмерный волн, образующихся в слое пара между жидкостью и стенкой ка поверхности жидкости, с расстоянием между гребнями мм и высотой

мм. Расстояние между гребнями определялось непосредственно измерениями фотографий, учитывая масштаб. Высоту гребней оценивали по величине отбрасываемой им тени, учитывая угол под которым освещалось место контакта.

В течении времени мс расстояние между гребнями увеличивается

до «0,5 мм. Высота волн увеличив здет'ОДм м . Средняя скорость волн при этом уменьшается от 0,5 м/с до 0,05 м/с . Фазовая скорость золн

определялась путём измерения средних расстояний между гребнями волн на

изображениях полученных при одинаковых параметрах, но в различные моменты времени различных реализаций процесса по формуле Уср -= , где Л5> - изменение

средней величины неоднородности на изображениях; разность задерлсек во

времени с начала контакта.

При * >0.1-5-1.5 мс волны на поверхности исчезают, и контакт переходиг в режим плёночною кипения, длительность процесса перехода в этот режим несколько уменьшается с увеличением температуры образца и его скорости.

Рис 2. Волны на поверхности жидкости при контакте метзллического образца с поверхностью жидкости через паровую прослойку.

Температура образца 400°С.

В разделе 2.3. излагается механизм развития волн на поверхности жидкости. В соответствии с экспериментально полученными данными о характере движения волн можно представить схему возникновения и развитая волн на поверхности жидкости в слое пара между нагретой поверхносгью и жидкостью.

В присутствии возмущений на поверхности жидкости всегда начинают распространятся капиллярно гравитационные волны. Если возмущение локальное -то волны кольцевые одномерные, подобные изображённым на Рис.3.

В нашем случае эти волны распространяются по поверхности жидкости в слое пара. Но на свободной поверхности амплитуда возмущений должна затухати из-за диссипации энергии в волне вследствие вязкости, а также из-за увеличения расстояния от возмущения. Однако в соответствии с измерениями величина гребня волны растёт с течением времени. А так как известно, что энергия волн пропорциональна квадрагу их амплитуды, то ясно, что в процессе движения волны должна происходить передача энергии волне. Механизм передачи можно

представить следующим образом. На плоской поверхности жидкости, отделенной паровой прослойкой от греющей поверхности в начале контакта поток теплоты равномерно нагревает поверхность жидкости. При достижении поверхности жидкости температуры насыщения, при давлении, развиваемом в момент контакта, толщина паровой прослойки также увеличивается. Но в действительности в процессе контакта толшины паровой прослойки будут отличаться т.к. всегда присутствуют локальные возмущения поверхности. На Рис.3, представлен случай возмущения в виде уединённой ьыпуклостя на поверхности.

% <ок. /у , «лс^ав ^ ** г'

Рис.3 Схема развития кольцевой волны 1 - нагреваемая поьерхность; 2 - жидкость; 3 - импульс давления.

С течением времени эта выпуклость преобразуется в систему кольцевых волн, распространяющихся от места возмущения и с затуханием амплитуд волн в зависимости расстояния от источника волн. Однако, в присутствии нагретой поверхности давление на заднем фронте волны будет больше чем на переднем, что и обеспечивает разгон волны и передачу ей энергии следующим механизмом. При прохождении волны частицы жидкости остаются практически на тех же местах, что и до прохождения волны, испытывая вертикальные и горизонтальные отклонении. В фазе, когда частицы жидкости находятся на гребне волны, они расположены ближе к нагретой поверхности и толщина слоя пара здесь меньше, следовательно, поверхность жидкости нагревается до более высокой температуры и давление пара

здесь повышается. При прохождении волны повышенная температура и повышенное давление некоторое время сохраняются и на заднем фронте волны, разность давлений пара на переднем и на заднем фронте обеспечивает разгон волны.

Произведена опенка скорости роста гребня кольцевой волны и показано, что эта скорость много больше скорости роста средней толщины паровой прослойки из-за испарения жидкости.

В главе 3 представлена математическая модель движения жидкости в паровом слое под воздействием греющей поверхности. При реальных величинах кинематической вязкости и длительности существования волн, соответственно

толщина слоя движущейся жидкости 5 ~ Ю_5л< т.е. достаточно тонкая в сравнении с размерами нагревателя. Рассмотрено движение жидкости в слое. Более глубокие слои жидкости предполагаются неподвижными. В математическую модель входят следующие соотношения. Двумерное уравнение Стокса в случае несжимаемой жидкости:

дУх „ дУх дУх —- + Р, —- + р.. —-а дх > дх

1 Ф „ П Ух

----Ра +и--£.

Р/ Йх

ду<

дУ..

дУ дУ„ V ->-+Уг—?-дх у дх

1 др

= 0

дI ' дх у дх р, ду Уравнение неразоывности в жидкости:

ЁИ+!Ш=о '

дх су

Уравнение теплового баланса в слое б запишем следующим образом:

д(р,с1б1 ■

(1) (2)

(3)

И) (5)

Ы И

Уравнение Клапейрона-Клэузиуса: _ Ду ^

с1р г 5

где

координата х - параллельна поверхности спокойной жидкости; координата у - нормальна поверхности спокойной жидкости; начало координат находится на поверхности жидкости;

- соответствующие составляющие скорости жидкости, Рис.4; р — давление в жидкости;

- дополнительное давление в жидкости возникающее из-за искривления поверхности жидкости;

процессе развития волны;

- температура насыщения жидкости, зависящая от давления в паровом слое;

- температура нагретой стенки; предполагается, что она не изменяется в

7} - начальная температура жидкости; р1 -• плотность жидкости (воды); и - кинематическая вязкость жидкости; 8 -- толщина пограничного слоя;

С/ - теплоёмкость жидкости; 5 "

Л - теплопроводность пара. г - теплота парообразования» -/разность удельных объёмов жидкости и пара.

Предполагается линейное изменение температуры з слое толщины 8, в котором происходит движение жидкости. Температура жидкости вне слоя 8 предполагается постоянной, сама жидкость - неподвижной.

(6)

(7)

(8)

Уравнения (1-5) вместе с начальными п граничными условиями (6-8) составляют полную систему уравнений для определения неизвестных функций.

Рис.4. Схема процесса движения и теплопередачи от нагретой стенки в поверхностных слоях жидкости через слой пара.

Давление Ра , возникающее из-за искривления поверхности, вычислено по формуле

дР„

Лапласа:

дх

-сг-

а/

(9)

где Л = к(х,1) - толщина слоя пара; полагая, что в процессе развития волны наклоны малы, то Л' - мало.

Дня малых изменений температуры на поверхности жидкости из (5) получено:

£—1-25.. (Ю)

дх Аи-Тх0 дх

Из уравнений (1) - (10), путём дифференцирования, интегрирования и учета начальных и граничных условий (6) - (8), получено соотношение, связывающее составляющую скорости Ух с гслщикой паровой прослойки А;

¿К - 2гЛ(Л-Г;) д гск сд'И (И)

а 1 & I-1 дх ) ду Ди-Т (Р„)р,с^дх} к р,д.г3 5у2

3...../,.¿1

(12)

Далее, составляющую представляли в виде: Ух = -V0(x,t)-\ 1--

2 ^ 5

где V0 - средняя скорость по сечению 8, удовлетворяющая условиям о

j Vxdy = V0S и условиям (6), (7). s

Предполагая, что рассматриваемые отклонения формы поверхности жидкости от плоской малы, толщину паровой прослойки h представляли в виде: Л = А0(1 + йг),|«^<]. (13)

Получена система уравнений (14), (15):

дУ0 24 у 8У„_ д rdt a d¡h (14)

8t 5 " дх дх> h р,дхъ ¿2 Au-Ts0p?c,S

дУ0 = 1 dh = hp да ' ^

дх " 8 dt 8 dt

Решение системы а находили в виде бегущей волны: а = а(кх - wi) - а (и). С помощью подстановки (15) в (14) и преобразований (14), получено нелинейное уравнение третьей степени относительно а(и):

а" + ахаа'+а2а' 4 ага - а4 = 0, где (16)

_ P¡e>2K _ &2Pi _ Np, 3vap, _ Np,

5 aó3k4 ' a*~aSk* ' ' ^"^W

Рассмотрен линейный случай, когда \а\«—, (величина гребня волны много

а\

меньше толщины пограничного слоя) при начальных условиях аг(о) = а '(о) = а "(0) = 0. Получено общее решение:

Jeffl. ( Mvj,„ Jzzil^ C2e 2 +Съе 2

cc = Cxe{r+p)u +e 2

+ — , (17)

где

«з a¿2 a23 _ 3Í a-¡ ¡o}2 a2i

При «з=0, что соответствует равенству притока энергии от нагретой стенки её диссипации: а- —sin +—и. (18)

(19)

Найдены соотношения для этого случая:

h0ú)z ^ah0 г

G к pt

N 3 икцСО

S3k

• = 0

1-е соотношение в (19) - это дисперсионное соотношение, связывающее а и к в волне;

2-е - условие того, что количество диспергируемой энергии в волне равно притоку кинетической энергии в волну от нагретой поверхности, чго является условиями стационарности амплитуды волн. Подучены частота и) и волновое число к:

гл(Т-л - 7})

0 = 11

к = 0.63-

Ао Р,

llch^v

, где

7/ 4/ /1» „./9

-Vr,-

bvTs0plcl

Найдена фазовая скорость ( с = —):

а так же толщина пограничного слоя: S -

J Nt'i-<T

1.18cA^V»

»о %Р>

(20) (21)

(22)

(23)

Определена средняя по толщине пограничного слоя и времени нормальная

77 21ца,й}

составляющая скорости: V —---, (24)

«2

которая использована для вычисления конвективной составляющей теплопереноса в

слое = 'Ь.-Т.) . (25)

1Л о Д^, т10 )

Вычислены также разность давлений по обе стороны гребня волны:

др—iL

°'8 «r*AJá

24,5

г/9

N0/9P,

S'/t%Pl%

(26)

и разность температур между впадиной волны и ее гребнем:

AT-

4A(TW-T,) ( Ii + а4 ß-a4 --v *--iL- arctgi-+arctgl-4

(27)

Видно уменьшение давления между впадинами при движении в направлении распространения волны, а также значительный прогрев жидкости на гребне волны к спад температуры во впадине. Такое распределение давления и температуры по поверхности жидкости соответствуют рассмотренному ранее механизму волнообразования.

Далее рассмотрен случай аг — 0, ал= 0, Щ 0, а2 & О, что

соответствует равенству притока энергии в волну ее рассеиванию в линейном случае и неучету изменения толщины парового слоя в процессе движения волны. С помощью интегрирования и элементарных преобразований (16), получено

7 г-. . \2

соотношение определяющее а : а =:

3 а2 а\

1+е

-1

где <р - определяется

из условия а—> min при и = 0 ^-0. Ославляя только вещественную часть, получено соотношение определяющее а :

а ~ --

•cos

Нормальная составляющая скорости гребня волны у греющей поверхности:

'V'Jy

■а2

(28)

(29)

Например, что при Ги. = 500° С, 7} - 98 °С, й0 -10"6 -И О"4 м , нормальная скорость гребня волны составит Уу ~ 4.9 -5- 9.3 . Используя (20) получено, что ширина гребня вблизи греюшей поверхности равна:

Ах -

к^

arcsin

(30)

Дг = 0.6-10"5-: 0.25-ю-4 м.

что при выше приведенных параметрах составляло Для системы расплав металла - вода для того, чтобы гребень расплава проник в

Г?

жидкость, необходимо (для двумерной волны) выполнение условия: Дхр„ —— > 2а,, что для указанных параметров, например и системы расплав олова -

гь

МО5

8-10

6 -ИГ

] 4104

2 10'

1 1

1 2

V 1 1 ! 1

4-Ю

8-!0"3 1.2 ЗО"* 1 б 10~4Л< 2 10~

Гц.

8 10'

6-10

4-10'

2 10'

1 1 I 1 ; ! 1 1 1

+ ! 1 |

•

+ • -А- X

С8

1.6

Л/С

а)

б)

Рис.5.3ависимость частоты волн на поверхности жидкости в слое пара от толщины слоя пара и длительности времени с момента начала контакта.

а) Теоретическая зависимость, рассчитанная по формуле (20).

б) Экспериментальные данные.

7, = 80 °С; (V=1.2 м/с; 2> = 300 °С - • -1; Гш = 450 °С -+ -2.

-1-1-!-1-1

О 04 0? 12 16 МС 2

I -►

Рис.б.Зависимость длины волны на поверхности жидкости в слое пара от толщины слоя пара и длительности времени с момента начала контакта.

а) Теоретическая зависимость, рассчитанная по формуле (21).

б) Экспериментальные данные.

Т, = 80 °С; IV = 1.2м/с; Тш = 300 °С - • -/; Г№ = 450 °С -+ -2.

24-

1.2

Об

............

1 2. ^......., 1

1 ^ 1 | 1

4 10

3 10 '

Ао-^-С

1.6 10 * М 2 10

+ | ! | 1 I :

1 ! 1 1 1 1

1 [ !

+ • 1 ! 1

1 1 !

16 Ж 2

а)

б)

РисЛ.Зависимость фазовой скорости волн от толщины парового слоя и от времени с

момента начала контакта.

а) Теоретическая зависимость, рассчитанная по формуле (22).

б) Экспериментальные данные.

Г, = 80 °С; №=1.2 м/с; 7> = 300 °С - • -1; Тш = 450 °С -+ -2.

вода, выполняется. На Рис.5,6,7 представлены зависимости частоты волны

( / - |., длины волны ](Д = — ) и фазовой скорости волн от времени, шмеренные ^ 2тг) к

в экспериментах, а также эти же параметры, вычисленные по формулам (20), (21), (22) соогветственно.

В главе 4 представлены методика и результаты измерений температур поверхности нагретого твердого тела при падении на него капель и вычисленных на основе этих результатов локальных мгновенных тепловых потоков.

Рис. 8. Схема экспериментальной установки для измерения температуры

поверхности образца. 1 - металлический образец; 2 - поверхностная термопара; 3 - теплоизолированная камера; 4 - термометр; 5 - термометр; 6 - бюретка; 7 - нагреватель; 8 - генератор капель (вращающийся капилляр); 9 - теплоизолированный паропровод; 10 -компенсационная термопара; 11 - широкополосной усилитель постоянного тока; 12 - осциллограф типа С1-98; 13 - печь; 14 - усилитель; 15 - частотомер; 16 -нагреватель; 17 - датчик; 18 - лабораторный автотрансформатор; 19 - кипятильник; 20 - трансформатор; 21 - теплообменник; 22 - фотокамера; 23 - микрометрическая линейка; 24 - отверстие экрана.

В опытах капли падали на нагретый массивный металлический образец с вделанной в него конструктивно термопарой Рис.8.

Датчик температуры расположен под рабочей поверхностью образца на

глубине I 91 10"* м и с его помощью можно было определить температуру этой зоне, с постоянной времени —10"* сек, что достаточно для последующего определения локальной мгновенной плотности теплового потока через поверхность образца. Образец нагревался печью, температура образца контролировалась поверхностной термопарой. Сигнал от термопары усиливался широкополосным усилителем постоянного тока и форма сигнала наблюдалась на экране осциллографа типа С1-98 и фотографировалась фотоаппаратом. Капли от генератора капель к образцу попадали через отверстия экрана. Экран можно было перемещать в горизонтальной плоскости с помощью микрометрических вингов с тем, чтобы капли попадали точно на термопару. Вода в генератор капель поступала из бюретки через теплообменник, её температура контролировалась термометром. Частоту вращения капилляра определяли с помощью датчика усилителя и частотомера. Температура внутри теплоизолированной камеры контролировалась термометром и поддерживалась нагревателем. Внутри камеры создаваиась паровая атмосфера с помощью кипятильника. Образец нагревался до нужной температуры печью.

Рис.9. Изменение температуры поверхности, обусловленные локальным охлаждением образца.

Т0 =95°С,а0 =уЛ =О.Злш,0го =11—,Т№ =450°С

На Рис.9, представлен в качестве примера вид осциллограммы, которая показывает локальное изменение температуры поверхности во времени. С помощью полученных данных по измерению поверхностной температуры во времени были определены: величина теплосьема, минимальная температура поверхности под каплей во время контакта, длительность теплового контакта капли с нагретой

<400

300-

200-

10G.

• %

ICO

2GG

ЗОС

400

г* --*■ С1-

Рис. 10. Зависимость минимальной температуры поверхности под каплей от

температуры образца. Г/ = 95 °С; с1п =0.3 мм; ц/ - — ; IV = 32 м/с. мс

6-1-------------

* » •»

100 200 Tw -р. 3140 £-0 400

Рис. 11. Зависимость длительности контакта капли с нагреюй поверхностью от

температуры поверхности. 7} = 95 °С; d„ =0.3 мм; у/ - ~; W - 32 м/с.

250

20G

|l5C

AT 100

J-j

-К> •

\ 1 ; < i • > О ^ в

! + • 1 <*>•

: "Г

! i i 1 ................

100 200 300 0 400

Tw -p. C

Рис Л 2. Зависимость максимальной величины падения температуры поверхности под каплей от температуры образца.

Т, - 98°С; с1о~3.2мм; у/ - —; W= 0.66м/с - *; 1.25м/с- О; W= 1.8м/с -+. 4

мс о

0.1

'фр

! 1 \ I I 1 ! О

V л. • О ' + -ж +

10(1

200 Tw.

300

£.0 400

Рис. 13.Зависимость длительности фронта падения температуры поверхности от

температуры образца.

Т, = 95°С; 0.3мм; = 13м/с - •; 19м/с - О; 32м/с;

Дж

та 280 Ты—►

109

10"

10'

10°

-г-т

лтг:.........

100

160

340 ^о «о

б)

220 280 7м>—►

Рис.14. Зависимость плотности теплового потока на греющей поверхности образца

от температуры.

а) Расч&г по (31): Т, - 95°С; ё0 =03 мм: у/ = ; 0' = Л2л«/с - О; ^ = /Рл</с - X ;

^ =/5л</с . Расчет по (25): 1 - к„ - /О^л»; 2 - Л„ - Ш'м;

б) Расчет по (31): Т, = 95"С; =0.3 мм; р = — = 32м'с - О; IV = /блг/с - X;

К' —11м/с -+ . Расчет по (25): /-/>„=- 2 -И„ = УС'ж

поверхностью, максимальной величины падения температуры поверхности под каплей и длительность фронта падения температуры поверхности (время, за которое температура поверхности достигает минимального значения) Рис. 10-13, диапазон начальных температур образца Т^ =250-5-500°С. Капли дистиллированной воды

имели диаметр мм, и начальную температуру и

Т0 -98°С- Скорость капель диаметром 0,3 мм (мелких) выбиралась в диапазоне

и'д = М-тЪ5м/с , а капли диаметром 3,2 мм (крупные) имели скорость в диапазоне ^о = 0,5!-г 2-^/ ■ Угол наклона траектории капель перед их контактом с

поверхностью составлял ог0 = и а0 = ^^. Опыты проводились в воздушной

среде, насыщенной водяными парами, при температуре, равной температуре капель. Локальная мгновенная плотность теплового потока определялась по

найденной с помощью дробной производной Летникова и в предположении одномерной схемы теплопередачи, где: длительность фронта падения

Фр'

температуры поверхности образца; величина падения температуры

поверхности образца, соответствующая - температуропроводность образца.

На Рис.9 приведены результаты расчетов максимальной локальной плотности теплового потока, достигаемой в момент времени / = ^ расчетов по формуле(31) и

по формуле (25).

Основные результаты и выводы.

1. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования формы поверхности жидкости при обогреве ее через тонкий слой пара нагретым телом и установлено возникновение и рост возмущений на поверхности жидкости в течение коротких промежутков времени с момента начала обогрева.

2. Установлено, что возмущения расположены хаотично по поверхности жидкости, форма и характер движения возмущений близки форме и характеру поверхностных кольцевых воля. Найдены параметры этих волн: длина волны, фазовая скорость, высота гребня волны, оценена скорость роста гребня волны.

3.Установлен впервые механизм роста гребня таких волн, сводящийся к действию возникающей разности давлений пара между сторонами гребня при движении его по поверхности жидкости.

4.Разработана аналитическая двухмерная модель развития волн на поверхности жидкости при обогреве ее через топкий слой пара нагретым телом для коротких промежутков времени с момента начала оботрева, при линеаризации которой получены параметры: длина волн, частота, амплитуда, скорость роста амплитуды, величина конвективного теплопереноса через поверхностные слои жидкости. При учете нелинейности, в частном случае, установлена возможность возникновения струек жидкости, направленных по нормали к греющей поверхности.

мгновенных локальных плотностей теплового потока в нагретом теле,

близких к рассчитанному по аналитической модели конвективному геплопереносу в жидкости, возникающему вследствие во.шового движения.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Трофимов А.С., Васильев Н.И., Гугучкин В.В.. Авакимян Н.Н. О механизме роста возмущений в слое пара на границе расплав вода. // г.Краснодар, 1999 г. , Труды КубГТУ т.З .вып. 1. с. 12.

2. Трофимов А.С., Васильев Н.И., Гугучкин В.В., Терещенко И.В., Авакимян Н.Н. Волны на поверхности расплава металла в системе расплав-вода. // МИФ 2С00. Том 5. Материалы 3-ей международной конференции по теплообмену. г.Минск, 2000 г., т. 5,458 —462с.

3. Трофимов А.С., Терещенко И.В., Васильев Н.И., Авакимян Н.Н. Определение теплового потока при взаимодействии капли жидкости с перегретой стенкой. // Тезисы докладов Шестой международной конференции Экология и здоровье человека. Экологическое образование. Математические модели и информационные технологии. г.Краснодар, 2001,234 с.

4. Терещенко Й.В., Авакимян НН., Васильев Н.И., Трофимов А.С. Вычисление теплового потока при взаимодействии капли жидкости с перегретой стенкой. Наука Кубани. Серия «Проблемы физико-математического моделирования. Естественные и технические науки». 2002, Вып. №1, Краснодар. 93—96с.

5. Трофимов А.С, Терещенко И.В., Васильев Н.И., Авакимяк Н.Н. Температура поверхности нагретой стенки при капельном охлаждении. // Материалы межрегиональной конференции "Молодые ученые России -теплоэнергетике", г.Новочеркасск 2001 г. 95— 99 с.

6. А.С. Трофимов, Н.Н. Авакимян, К.И. Васильев, И.В. Терещенко. Волны на межфазной поверхности при взаимодействии жидкости с перегретой стенкой. // Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену. Т.4. Москва, 2002г., 192— 194 с.

7. А.С. Трофимов. Н.Н. Авакимян. Н.И. Васильев, И.В. Терещенко, Хаустов С.А. Температуры и тепловые потоки при падении капель жидкости на перегретую поверхность. // Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену. Т.4. Москва, 2002г., 195— 198 с.

8. Н.И. Васильев, А. С.Трофимов, И.В.Терещенко, Н.Н. Авакимян. Волнообразование и теплопередача при контакте жидкости с нагретой твёрдой поверхностью через паровую прослойку. // XIV Школа- семинар молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А. И.Леонтьева. Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках. г.Рыбинск, 2003г, т. 1., 195 с.

9. Васильев Н.И., Трофимов А.С., Терещенко И.В., Авакимян Н.Н. Влияние поверхностных волн в жидкости, отделённой паровой прослойкой от греющей поверхности, на тешюперенос. // «Обозрение прикладной и промышленной математики», Москва выпуск 1, т. 10., 2003. — 113 с.

10. А. С. № 31445 (Россия) Термопара для измерения пульсаций поверхностных температур в металлических стенках. /Васильев Н.И., Арестенко Ю.П., Авакимян Н.Н., Трофимов А.С. Опубл. В Б.И. № 22,2003.

11. Трофимов А.С, Терещенко И.В., Авакимян Н.Н. Влияние волнообразования на теплопередачу при контакте жидкости с нагретой твердой поверхностью через паровую прослойку. Электромеханические преобразователи энергии, Краснодар, 2003 г. с. 56.

12. Васильев Н.И., Трофимов А.С, Терещенко И.В., Авакимян Н.Н. Учет нелинейности в задаче взаимодействия жидкости с перегретой стенкой. // «Обозрение прикладной и промышленной математики», Москва выпуск 3, т. 10., 2003. —760с.

Формат 6} маги 60x84 !/16 Бумага шл № 1 Печать трафаретная Уел веч я 3 1ираж100экз Заказ №32

КубонсхиЬ I гч.^ дарственный ушверсяни 350040, г Краснодар, уд Ставоонояьская 149

350040, г Краснодар }й Ставропольская, 149 Гипогрефчя' Кубанского государственного ^товерситега

»20090

РНБ Русский фонд

2005-4 17845

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Авакимян, Наталья Николаевна

СОДЕРЖАНИЕ.

ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность.

Цель работы.

Научная новизна.

Практическая значимость.

Основные положения, выносимые на защиту.

Достоверность полученных результатов.

Апробация работы.

Публикации.

Структура и объем работы.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 13 * 1.1 Стационарные условия взаимодействия жидкости и нагретой стенки

1.2 Динамическое взаимодействие капель жидкости с поверхностью нагретого тела.

1.3 Взаимодействие испаряющейся жидкости с нагретым расплавом.

1.4 Выводы.

2 ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ВОЛН НА ПЛЕНКЕ ЖИДКОСТИ В

ПАРОВОМ СЛОЕ.

2.1 Экспериментальная установка для визуализации волн. ф 2.2 Результаты экспериментов.

2.3 Д лина волн.

2.4 Высота гребня волн.

2.5 Фазовая скорость волн.

2.6 Механизм развития волн на поверхности жидкости.

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ.

3.1 Уравнения, определяющие движения жидкости.

3.2 Переход к средней по сечению скорости.

3.3 Представление решения в виде бегущей волны.

3.4 Линейный случай решения волнового уравнения.

3.5 Соотношения, связывающие волновое число и частоту.

3.6 Толщина слоя жидкости, участвующей в волновом движении.

3.7 Параметры волнового движения жидкости.

3.8 Конвективная составляющая теплового потока в движущейся 62 жидкости.

3.9 Разность давлений по обе стороны гребня волны.

3.10 Определение разности температур по обе стороны гребня.

3.11 Нелинейный случай.

3.12 Скорость гребня волны жидкости, направленная по нормали к греющей поверхности.

• 3.13 Зависимости параметров волнового движения жидкости от начальной толщины паровой слоя и от времени с начала контакта.

3.14 Влияние силы тяжести и термокапиллярных сил на процесс развития неустойчивости поверхности жидкости.

4 ТЕМПЕРАТУРЫ И ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ ПРИ ПАДЕНИИ КАПЕЛЬ

НА НАГРЕТУЮ ПОВЕРХНОСТЬ.

4.1 Методика эксперимента.

4.2 Экспериментальная установка для определения изменения

Ф температуры поверхности нагретого тела.

4.3 Результаты измерений поверхностной температуры.

4.4 Определение плотности теплового потока в зоне контакта.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование процессов неустойчивости на границе жидкость-пар вблизи сильно перегретой поверхности"

Выбор параметров теплоэнергетических устройств обычно осуществляется с помощью известных эмпирических или полуэмпирических зависимостей, которые не всегда полно отражают влияние различных факторов на параметры процесса теплопередачи. При этом одной из важнейших задач является задача о теплопередаче от нагретой стенки к испаряющейся жидкости. Такая задача может решаться только на базе

• понимания физических процессов, происходящих при теплопередаче к испаряющейся жидкости, в частности при теплопередаче от нагретой поверхности к жидкости через паровую прослойку. Такой процесс теплопередачи осуществляется во многих областях техники: при струйном охлаждении в металлургии, закризисном теплообмене в парогенераторах, капельном охлаждении при кризисах высыхания, жидкостных реактивных двигателях, проектируемых термоядерных реакторах и системах охлаждения зеркал мощных лазеров, при гипотетических тяжёлых авариях ядерных реакторов с взаимодействием расплава активной зоны с охлаждающей водой и др. Предложены различные зависимости расчёта теплопередачи в таких процессах, подтверждённые многочисленными экспериментами, однако, некоторые особенности механизма процесса переноса теплоты от горячих объектов к охлаждающей жидкости через паровую прослойку остаются до сих пор малоисследованными. Одной из таких особенностей механизма процесса переноса теплоты является задача о возбуждении волнового движения поверхности жидкости при нагреве её через паровую прослойку и влияние этого движения на теплоперенос в жидкости.

Актуальность темы Выбор параметров теплоэнергетических устройств обычно осуществляется с помощью известных эмпирических или полуэмпирических зависимостей, которые не всегда полно отражают влияние различных факторов на параметры процесса теплопередачи. Такая задача может решаться только на базе понимания физических процессов, происходящих при теплопередаче к испаряющейся жидкости, в частности при теплопередаче от нагретой поверхности жидкости через паровую прослойку. Такие процессы существуют при струйном охлаждении в металлургии, закризисном теплообмене в парогенераторах, капельном охлаждении при кризисах высыхания, жидкостных реактивных двигателях, проектируемых термоядерных реакторах и системах охлаждения зеркал мощных лазеров, при гипотетических тяжёлых авариях ядерных реакторов с взаимодействием расплава активной зоны с охлаждающей водой и др. Предложены различные зависимости для расчёта теплопередачи в таких процессах, подтверждённые многочисленными экспериментами. Однако механизм процесса переноса теплоты в поверхностных слоях жидкости, отделенной паровой прослойкой от греющего объекта, в начальные моменты времени контакта остается малоисследованным.

Известные задачи о влиянии нагрева жидкости греющей поверхностью через паровую прослойку на ее движение ограничиваются одномерной постановкой, т.е. рассматриваются движения жидкости, нормальные к греющей поверхности: плоские, цилиндрические, сферические задачи. В этом случае жидкость в поверхностном слое движется как целое и нет перемешивания жидкости и перетечек теплоты в касательном направлении, теплоперенос в жидкости в этом случае может осуществляться t преимущественно молекулярным механизмом теплопроводности. Однако измерения локальной мгновенной плотности теплового потока через нагретую поверхность при капельном или струйном ее охлаждении при температуре поверхности выше, чем возможная для осуществления непосредственного контакта поверхности и жидкости в начальные моменты времени показали, что существует значительный конвективный поток теплоты в жидкость. Поэтому существует необходимость расчета теплопереноса в поверхностных слоях жидкости на основе двухмерной модели движения жидкости, позволяющей найти конвективную составляющую теплового потока на поверхности жидкости, направленную внутрь жидкости.

Цель работы

Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование процесса возникновения конвекции и высокой величины мгновенной плотности теплового потока в поверхностных слоях жидкости в начальные моменты времени контакта жидкости через паровую прослойку с нагретой поверхностью.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику эксперимента и провести измерения параметров неоднородностей на поверхности жидкости при контакте её через паровую прослойку с нагретой поверхностью в начальные моменты времени контакта;

- разработать физическую модель механизма роста возмущений на поверхности жидкости, отделенной паровой прослойкой от нагретого тела;

- разработать двухмерную модель движения поверхностных слоёв жидкости, обогреваемых плоской поверхностью через паровой слой в течение коротких промежутков времени, и получить приближенные аналитические выражения для параметров неоднородностей на поверхности

4» жидкости; найти конвективную составляющую теплового потока в поверхностных слоях жидкости;

Научная новизна

Разработана новая методика эксперимента и проведены эксперименты по визуализации волнового процесса на поверхности жидкости при контакте ее с нагретой твердой поверхностью через паровой слой в начальные моменты времени контакта, получены новые экспериментальные данные о характере и параметрах волн на поверхности жидкости.

Практическая значимость

Учёт механизма конвективной теплопередачи необходим при разработке теорий процессов теплопередачи, проектировании и расчёте различных теплотехнических устройств в различных областях техники. В случае если греющая поверхность - высокотемпературный расплав, влияние волнообразования на процесс фрагментации расплава с помощью разработанной модели можно учесть непосредственно.

Основные положения, выносимые на защиту Механизм возбуждения волн на поверхности жидкости при нагреве её через паровую прослойку греющей стенкой.

Достоверность полученных результатов Достоверность экспериментальных результатов исследований обеспечивается использованием прямых методов их получения. Достоверность теоретических результатов обеспечивается использованием в аналитической модели известных уравнений движения жидкости, теплопереноса в слое пара, сохранения энергии и признанных методов учёта главных действующих факторов, а также сравнением параметров волн и теплопередачи, полученных расчётным путём из аналитической модели развития поверхностных волн, с параметрами, полученными экспериментально.

Апробация работы

Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на научно-методических семинарах и заседаниях кафедры промышленной теплоэнергетики Кубанского государственного технологического университета;

- на IV Минском международном форуме по тепломассообмену (г.Минск, 2000г.);

- на межрегиональной конференции «Молодые ученые России — теплоэнергетике» (г.Новочеркаск, 2001г.);

- на шестой Международной конференции «Экология и здоровье человека. Экологическое образование. Математические модели и информационные технологии»(г.Краснодар,2001 г.);

- на III Российской национальной конференции по теплообмену (г. Москва, 2002г.);

Публикации

По теме работы опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объём работ

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, списка использованных источников из 92 наименований, общий объём диссертации 147 е., включая 55 рисунков, 1 приложение.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Основные результаты и выводы диссертации состоят в следующем:

1 .Разработана методика и проведены экспериментальные исследования формы поверхности жидкости при обогреве ее через тонкий слой пара нагретым телом и установлено возникновение и рост возмущений на поверхности жидкости в течение коротких (10~* -П03)с промежутков времени с момента начала обогрева.

2.Установлено, что возмущения расположены хаотично по поверхности жидкости, форма и характер движения возмущений близки форме и характеру поверхностных кольцевых волн. Найдены параметры этих волн: длина волны, фазовая скорость, высота гребня волны, оценена скорость роста гребня волны.

4.Разработана аналитическая двухмерная модель развития волн на поверхности жидкости при обогреве ее через тонкий слой пара нагретым телом для коротких промежутков времени с момента начала обогрева, при линеаризации которой получены параметры: длина волн, частота, амплитуда, скорость роста амплитуды, величина конвективного теплопереноса через поверхностные слои жидкости. При учете нелинейности, в частном случае, установлена возможность возникновения струек жидкости, направленных по нормали к греющей поверхности.

5.Проведены экспериментальные исследования по измерению теплопередачи от нагретого тела к капельной жидкости через паровую прослойку в течение коротких промежутков времени и установлено возникновение высоких мгновенных локальных плотностей теплового потока ю8 —) в нагретом теле, близких к рассчитанному по аналитической модели м конвективному теплопереносу в жидкости, возникающему вследствие волнового движения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Авакимян, Наталья Николаевна, Краснодар

1.Андреев А. П., Боришанский В. М. О расчете температуры установления сфероидального состояния и времени испарения капли в этом режиме. // Кризисы теплообмена и околокритическая область. —Л.: Энергия. —1977. — 170— 182 с.

2. Боришанский В. М. Теплоотдача к жидкости, свободно растекающейся на поверхности, нагретой выше температуры кипения. — В кн.: Вопросы теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества. М.— Л.: Госэнергоиздат. —1953. —118— 155 с.

3. Боришанский В. М., Кутателадзе С. С. Некоторые данные об испарении жидкости, находящейся в сфероидальном состоянии. // Журнал технический физики. — 1947, т. 17, вып. 8, — 891 — 902 с.

4. Spiegler P., Hopenfeld J., Silverberg М. е. a. Onset on stable film boiling and the foam limit. // Intern. J. Heat Mass Transfer. — 1963, v. 6, p. 987— 994.

5. Сатановский А. Л. Воздушно— водоиспарительное охлаждение оборудования и материалов. Автореф. дис. на соиск. учен, степ, д— ра техн. наук. — Киев: АН УССР, Институт технической теплофизики. —1974. — 21с.

6. Seki М., Kawamura Н., Sanokawa К. Transient temperature profile of a hot wall due to an impinging liquid droplet. // Transact. ASME, ser. C. — 1978, v. 100, № 1, p. 167— 169.

7. Baumeister K. J., Simon F. F. Leidenfrost temperature its correlation for liquid metals, cryogens, hydrocarbons and water. // Transact. ASME, ser. C. — 1973, v. 95, № 2, p. 166— 173.

8. Wachters L. H. J., Bonne H., Van Nouhuis H. J. The heat transfer from a hot horizontal plate to sessile water drops in the spheroidal state. //Chem. Engng. Scien. — 1966, v. 21, № 10, p. 923— 936.

9. Gottfried B. S., Lee C. J., Bell K. J. The Leidenfrost phenomenon: film boiling of liquid droplets on a flat plate. // Intern. J. Heat Mass

10. Transfer. — 1966, v. 9, № 11, p. 1167— 1187.

11. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. —М.: Атомиздат, —1979.-416 с.

12. Боришанский В. М. Теплоотдача к кипящей жидкости при свободной конвекции: Автореф. дис. на соиск. учен, степ, д— ра техн. наук. —М.: Московский инженерно— физический институт. — 1959. — 35 с.

13. Emmerson G. S. The effect of pressure and surface material on the Leidenfrost point of discrete drops of water. // Intern. J. Heat Mass Transfer. — 1975, v. 18, №3, p. 381—386.

14. Wachters L. H. J., Westerling N. A. J. The heat transfer from a hot wall to impinging woter drops in the spheroidal state. // Chem. Engng. Science. —1966, v. 21, № 11, p. 1047— 1056.

15. П.Васильев Н.И., Гугучкин B.B., Нигматулин Б.И., Взаимодействие капель нагретой жидкости с нагретой поверхностью. // ТВТ. —1993— т.31.— №5.— с.804— 804.

16. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.Теория поля. Сер.Теоретическая физика.Т.2. — М.:Наука,1986. — 340 с.

17. Костановская М.Е. Особенности теплообмена при кратковременном контакте с перегретой стенкой. Автореферат. Дис. М.1986.

18. Инада С., Миясака Е., Нисида К. Нестационарная теплопередача капель воды, ударяющих о горячую поверхность.// НКГР. —1989. В51, № 467, с.1047—1053.

19. Лайбеш В.Г., Пименов А.Г., Теплухин Г.Н. Теплообмен с компактными и разбрызганными струями при закалке.// Изв.ВУЗ «Черная металлургия». №5. —1984.

20. В.В.Глазков, В.Т. Зимин, Ю.Г. Ивочкин и др. Экспериментальное и теоретическое исследование процесса инициирования парового взрыва на твёрдой полусферической модели. 4.1. Эксперимент. //Труды 2— й РНКТ. — М.:МЭИ. —1988. т.4. 72— 75с.

21. В.В.Глазков, В.Т. Зимин, Ю.А. Зейгарник и др. Экспериментальное исследование смены режимов кипения на сильно перегретой полусфере, погружённой в неоднородную жидкость.// Труды 3— й РНКТ. —М/.МЭИ. — 2002. т.4. 72— 75 с.

22. В.В.Глазков, В.Т. Зимин, Ю.А. Зейгарник и др. Взрывной режим развития неустойчивости, приводящий к разрушению паровой плёнки на твёрдой нагретой полусферической поверхности.// ДАИ. 2001. Т.376. № 3. с.328—330.

23. А.В.Дедов, А.Н.Варава, А.Т. Котов, В.В. Ягов. Особенности теплообмена в недогретом закругленном потоке. // Труды 3— й РНКТ. М.:МЭИ. 2002. т.4.с.76— 79.

24. Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных систем. М.: Изд— во МЭИ, 2000,374с.

25. Котов А.Г., Варавва А.Н., Дедова А.В., Скородутов С.В. Экспериментальное исследование критических тепловых нагрузок при кипении в недогретом закругленном потоке при неоднородном обогреве.// Проблемы энергетики, Известия вузов, 2000, № 1— 2. с.З— 11.

26. Board S. J., Fanner C. L. and Poole D.H., Fragmentation in thermal explosions.//Int. J. Heat Mass Transfer.— 1974,— Vol. 17.— P. 331—339.

27. Горбунов A.A., Дергунов И.М., Крюков А.П. Эволюция паровой полости при кипении сверхтекучего гелия. // Труды Второй Российской национальной конференции по теплообмену. М.Издательство МЭИ, 1988. Т.4, с.80— 83.

28. Inoue A., Ganguli A., S. Bankoff G. Destabilization of film boiling due to arrival of a pressure shock. Part II: analytical. // Trans. ASME, Ser. C.: J. Heat Transfer.—1981.— Vol. 103.— P. 465—471.

29. Bradfield W. S. Liquid— Solid Contact in Stable Film Boiling.// Ind. Eng. Chem. Fundamentals, — 1966— № 5. — P. 200.

30. М.В.Бесчастнов Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение М., Химия, 1991, С. 432.

31. Проблема удержания расплава активной зоны в корпусе реактора: — под ред. А.Д.Ефанова, ФЭИ, Обнинск, с. 235.

32. D.F.Fletcher, R.P.Anderson. A review of pressure inducted propagation models of the vapor explosion process: Progress in Nucl. Energy, v.23, N 2, 1990, pp. 137—179.

33. S.Sugimoto, N.Yamata et al. Full— coolant Interaction experiments in alpha program: NURETH— 5, 1992, pp.890— 897.

34. T.FukeVi, T.FuJishiro. Generation of destructlvity forces during fuel/coolant interactions under severe reactivity initiated accident conditions: • NURETH— 5, 1992, pp. 753— 761.

35. H.S.Park, C.Yoon, M.L.Corradini, K.H.Bang. Experiments on the trigger effect for 1— D large scale vapor explosions: Int. Conf. New Trends In Nuclear system Thoirnohydraullcs, Pisa Italy, 30 May 1994, v.II, pp.271— 280.

36. Е.В.Степанов Физические аспекты явления парового взрыва. Препринт ИАЭ— 5450/3. М. 1991, 97 с.

37. Б.И.Нигматулин, Е.В.Волков, Г.В.Осокин и др. Экспериментальные исследования парового взрыва при взаимодействии высокотемпературного расплава с водой: Труды I Российской конференции по теплообмену, Т.4, стр. 183— 185, М., 1994.

38. D.F.Fletcher "An Improved mathematical model of melt/water detonations I.Model formulation and example results," Int. J. Heat Mass Transfer, 1991, Vol. 34, N 10,2435— 2448.

39. Bankoff S.G. Vapor explosions: a critical review// cm. 5., Vol. 6. P. 355—360.

40. Baneijee S., Hancox W.T. Transient Ihermohydraulics for nuclear reactors// Heal iransfer. 1978. Proc. of VI Internal. Heal Transfer Conf. Toronto, Canada. 1978. Vol. 6. P. 311—337.

41. M.A.Gllbertson, D.B.R.Kenning, D.F.Fletcher. Small— scale coarse mixing expperiments: problems of comparison with multiphase flow models: Int.Conf. New Trends In Nuclear system Thermohydraulics.Pisa Italy, 30 May 1994, v.II, pp. 247—255.

42. Ochiai M., Bankoff S.G. Third Spec. Mtg. on SFI. Tokyo. 1976. Vol. 1. P. 129— 152.

43. Buchanan D. J. A model for fuel— coolant interactions. //J. Phys. D: Appl— Phys.— 1974. —Vol. 7.— P. 1441— 1457.

44. Han S.H., Bankoff S.G. Thermal interactions of a molten tin drop with water triggered by a low— pressure shock // Int. J. Heat and Mass Transfer. — 1987. Vol. 30. — No.3. — P. 569 — 579.

45. Nelson L. S., Duda P. M., Steam Explosions Experiments with Single Drops of Iron Oxide Melted with C02— laser. // High. Temp. — High Press, — 1982. — V. 14.— P. 259— 281.

46. Глазков B.B., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Игумнов

47. B.C., Синкевич О.А., Цой В.Р., Швец В.Г. Исследование развития неустойчивости и разрушения парового слоя на твёрдой нагретой полусферической поверхности. //ТВТ.— 2000.— Т.38.— №6.— с.935— 944.

48. Домбровский Л.А., Зайчик Л.И. Учет динамики парового пузыря при расчете теплового взаимодействия горячей сферической частицы с окружающей водой. //ТВТ. — 2000 — Т.38. — №6. — С. 975 984.

49. Aziz S., Hewitt G.F., arid Kenning D.B.R. Heat transfer retinues in forced— convection film boiling on spheres. // Heat Transfer 1986: Proceedings of the 8b> International Heat Transfer Conference. — 1986. — Vol.5. — P.2149— 2154.

50. Fodemski T.R. The influence of liquid viscosity and system pressure on stagnation point vapour thickness during forced convection film boiling // Int. J. Heat Mass Transfer. — 1985. — Vol. 28. — №. 1. P. 69— 80.

51. Rayleigh O.M. On the pressure developed in a liquid during the collapse of spherical cavity. // Phyl. Mag. — 1917.— vol. 34.—№. 200 — P. 94— 98.

52. Turner J В., Colver C. P. Heat Transfer to Pool— Boiling Mercury from Horizontal Cylindrical Heaters at Heat. Fluxes up to Burnout. // Trans. ASME, Ser.

53. C.:J. Heat Transfer, —1971.— №. 93 .P.l .

54. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Гос.издат.физ.— мат. литературы. 1959. - 784с.

55. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. Сер.Теоретическая физика.Т.6. — М.:Наука,1986. — 730 с.

56. Taylor G.I., The Instability of Liqud Surfaces when Accelerated in a Direction Perpendicular to their Plane. — I // Proc. Roy. Soc. (London), ser. A.1950 — Vol. 210,—P. 192.

57. Левич.В.Г. Физико — химическая гидродинамика. — М.:ФИЗМАТГИЗ. —1959. —699с.

58. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло— и массопереноса. — М.: ГосЭнергоИздат. —1963. —534с.

59. Варгафтик Н.Б. Теплофизические свойства веществ. Справочник. М.: ГосЭнергоИздат. —1960. —369с.

60. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей М.: Мир, 1991.— Т.1.—500с.

61. Исаченко В.П., Кушнырев В.И. Струйное охлаждение.—М: Энергоатомиздат. —1974. —216с.

62. Трофимов А.С. Решение нестационарных задач теплопроводности с использованием характеристик мнимых частот. — ИФЖ, 1985.Т.49, № 4.

63. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. — М: Высшая школа, 1985.

64. Крутиков B.C. Одномерные задачи механики сплошной среды с подвижными границами. — Киев: Наукова думка, 1985.

65. Н. И. Васильев, В. В. Гугучкин, Б. И. Нигматулин. Взаимодействие капель жидкости с нагретой поверхностью.//Теплофизика высоких температур, 1993, том 31, №5.

66. Бабенко Ю. И. Тепломассообмен. Метод расчёта тепловых и диффузных потоков. Л.: Химия, 1986. — 144с.

67. Крюков А.П. Движение жидкости в канале с паром при наличии продольного теплового потока. // ТВТ. — 2000. —Т.38. —№ 6.1. С.945—949.

68. Муратова Т.М, Лабунцов Д.А. Кинетический анализ процессов испарения и конденсации. // Теплофизика высоких температур. —1969. Т.9.,№ 5. С. 959 — 967.

69. Трофимов A.C., Васильев Н.И., Гугучкин B.B., Авакимян Н.Н. О механизме роста возмущений в слое пара на границе расплав вода. // г.Краснодар, 1999 г., Труды КубГТУ т.З. вып. 1. с. 12.

70. Трофимов А.С., Васильев Н.И., Гугучкин В.В., Терещенко И.В., Авакимян Н.Н. Волны на поверхности расплава металла в системе расплав— вода. // МИФ 2000. Том 5. Материалы 3— ей международной конференции по теплообмену. г.Минск, 2000 г., т. 5,458 — 462с.

71. Математические модели и информационные технологии. Краснодар, 2001, 234 с.

72. Трофимов А.С., Терещенко И.В., Васильев Н.И. Температура поверхности нагретой стенки при капельном охлаждении. Мат— лы межрегиональной конференции «Молодые ученые России — теплоэнергетике», Новочеркасск, 2001, 95— 99. с.

73. Трофимов А.С., Терещенко И.В., Васильев Н.И., Авакимян Н.Н. Температура поверхности нагретой стенки при капельном охлаждении. // Материалы межрегиональной конференции "Молодые ученые России — теплоэнергетике", г.Новочеркасск 2001г. 95— 99 с.

74. А.С. Трофимов, Н.Н. Авакимян, Н.И. Васильев, И.В. Терещенко. Волны на межфазной поверхности при взаимодействии жидкости с перегретой стенкой. // Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену. Т.4. Москва, 2002г., 192— 194 с.

75. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. Сер.Теоретическая физика. — М.:Наука,1982. — 640с.

76. Кутепов A.M., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. —М.: Высшая школа, 1986. —448с.

77. Angelini S.,Takara E.,Yuen W., Theofanous T.G. // Proceedings of Fifths International Topical Meeting on Reactor Thermal Hydraulis (NURETH-— 5). —USA, Salt Leyke Citi. —1992. p.471—478.

78. Фихтенгольц Г.М. Курс Дифференциального и интегрального исчисления, т.2. М.: Наука. —1969.— 800с.

79. YuenW.W., Chen X. and Theofanous T.G. On the Fundamental Microinteractions that Support the Propagation of Steam Explosion. //(NURETH— 7) in Saratoga Springs (USA),Sept. 10— 15, 1995.

80. Лыков A.B. Теория теплопроводности. M.: Высшая школа, 1967. —599с.

81. А.С. № 31445 (Россия) Термопара для измерения пульсаций поверхностных температур в металлических стенках. /Васильев Н.И., Арестенко Ю.П., Авакимян Н.Н., Трофимов А.С. Опубл. В Б.И. № 22, 2003.

82. Трофимов А.С., Терещенко И.В., Авакимян Н.Н. Влияние волнообразования на теплопередачу при контакте жидкости с нагретой твердой поверхностью через паровую прослойку. // Электромеханические преобразователи энергии, Краснодар, 2003 г. с. 56.

83. Васильев Н.И., Трофимов А.С., Терещенко И.В., Авакимян Н.Н. Учет нелинейности в задаче взаимодействия жидкости с перегретой стенкой. // «Обозрение прикладной и промышленной математики», Москва выпуск 3, т.Ю., 2003. —760 с.

84. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974, — 712с.300't200100.1. С° зоо1001200100.100