Особенности процессов переноса на межфазных поверхностях пар-жидкость тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ
|
Селянинова, Юлия Юрьевна
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2005
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.14
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Селянинова Юлия Юрьевна
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА НА МЕЖФАЗНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ ПАР-ЖИДКОСТЬ
Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая тспло1ехника
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2005
Работа выполнена на кафедре низких температур Московского энергетического института (техническо! о университета)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Крюков Алексей Павлович
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Синкевич Олег Арсеньевич
кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ивочкин Юрий Петрович
Ведущая организация:
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН
Защита состоится "......" декабря 2005 года в часов на заседании
диссертационного совета Д 212.157.04 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 17, корп. Т, кафедра инженерной теплофизики, ауд. Т-206.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ)
Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., 14, Ученый совет МЭИ (ТУ)
Автореферат разослан "......"........................ 2005 года
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.157.04 к.ф.-м.н., доцент
В.И. Мика
/3973
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время особое внимание исследователей привлекают сильнонеравновесные процессы, характеризующиеся значительными тепловыми потоками и, как следствие, высокими разностями температур. При этом температура источника теплоты может в несколько раз превышать критическую температуру рабочей жидкости. Подобного рода процессы могут осуществляться при отклонении от безопасного режима работы теплообменной аппаратуры различного назначения или при паровом взрыве.
В большинстве расчетно-теоретических моделей форма межфазной поверхности, как правило, задается, для пузырей - близкая к сферической, для пленок - цилиндрическая. В условиях искажающего влияния гравитационных сил происходит видоизменение паровых структур, что ведет к появлению сложных многофакторных процессов тепломассопереноса, например шумового кипения сверхтекучего гелия при больших глубинах пофужения нагревателя. Это приводит к невозможности точного обеспечения желаемых режимных параметров процесса, в частности такого, например, как близость температуры к температуре Х-точки.
В условиях невесомости из-за отсутствия сил, препятствующих росту пленки, неограниченное увеличение ее делает невозможным детальное исследование процессов переноса на межфазной поверхности. В связи с этим представляет интерес пористая структура, которая, оставляя возможность для тепломассопереноса в жидкости, ограничивает неконтролируемый рост парового пространства.
Цель и задачи работы. Главной целью работы является исследование в ряде прикладных задач особенностей процессов переноса на межфазных поверхностях различной формы с учетом неравновесных эффектов вблизи границы раздела фаз пар - жидкость. В соответствии с эгим в работе ставятся следующие задачи:
- анализ двухфазных систем по взаимной направленности потоков тепла и массы на межфазной поверхности и ее проницаемости в зависимости от геометрии и расположения нагревателя;
- получение результатов расчета роста паровой пленки на поверхности цилиндрического нагревателя с рассмотрением различных факторов, обуславливающих соответствующее движение жидкости;
- решение задачи об определении формы осесимметричной межфазной поверхности, образованной при погружении горячего шара в холодную жидкость;
- обоснование созданной модели экспериментальной ячейки для исследования кипения сверхтекучего гелия в условиях невесомости.
Научная новизна. Сформулировано математическое описание роста паровой пленки на поверхности цилиндрического нагревателя с учетом
ЮС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА. / |
особенностей процессов тепломассопереноса на границе раздела фаз пар -жидкость.
Получено оригинальное решение задачи об определении формы осесимметричной межфазной поверхности пар-жидкость при возмущающем воздействии теплового потока.
Впервые представлена система для обеспечения условий, необходимых для экспериментального исследования кипения гелия II в условиях невесомости. Получено оригинальное решение задачи об эволюции паровой пленки для случая, когда нагреватель расположен внутри пористого тела.
Практическая значимость работы состоит в возможности применения полученных результатов в решении следующих проблем:
- проектирование оборудования для экспериментальных исследований кипения сверхтекучего гелия в невесомости;
- определение условий возникновения парового взрыва;
- оптимизация режимов работы и конструкции теплообменных аппаратов специального назначения, в том числе капиллярных фазоразделителей, теплообменников с пористыми стенками и др.
Достоверность полученных результатов обусловлена использованием уравнений механики сплошной среды и молекулярно-кинетической теории в границах их применимости, подтверждена проверкой разработанных моделей на известных задачах тепломассопереноса, а также сравнением расчетных данных с экспериментальными работами.
Автор защищает: Результаты решения задачи о росте паровой пленки на поверхности цилиндрического нагревателя. Методику расчета формы стационарной осесимметричной межфазной поверхности пар-жидкость, учитывающую неравновесные эффекты вблизи границы раздела фаз. Возможность использования пористого тела для стабилизации кипения сверхтекучего гелия в условиях невесомости.
Апробация работы. Результаты работы доложены на VIII - XI международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2002-2005 гг.); III международном семинаре rio физике низких температур в условиях микрогравитации CWS-2002 (Черноголовка, 2002 г.); XIV и XV Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Рыбинск, 2003г., Калуга, 2005г.); V Минском Международном форуме по тепломассообмену (Минск, 2004 г.).
Публикации. Материалы данной диссертационной работы изложены в 8 публикациях - 1 статье, 3 докладах и 4 тезисах.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения и имеет объем 132 стр., включая 71 рисунок и 3 таблицы. Библиография включает 74 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, определяются предмет и методы исследования.
В главе 1 на основе существующих работ, посвященных особенностям процессов тепломассопереноса на межфазных поверхностях пар - жидкость, проводится классификация задач по расположению нагревателя относительно проницаемой границы раздела фаз.
Также в этой главе представлен обзор работ, связанных с проблемой движения межфазных поверхностей, который показывает, что в большинстве случаев неравновесные граничные условия не применяются. При этом основное внимание уделяется теплообменным характеристикам процессов в двухфазных системах и вероятности наступления кризисной ситуации, тогда как особенности переноса на межфазных поверхностях пар - жидкость в должной степени не принимаются во внимание.
В главе 2 рассматривается задача о росте паровой пленки на поверхности цилиндрического нагревателя радиусом погруженного в жидкость на глубину Ь (рис. 1). При подаче тепловой нагрузки qw образуется паровая пленка конечного размера Яь Над свободной поверхностью поддерживается постоянное давление Рь- Температура жидкости Ть может быть меньше соответствующей по линии насыщения давлению Рь.
__Рь- Ть
а
Рис. 1. Постановка задачи
Движение межфазной поверхности описывается уравнением:
гёи 1 1 1_р'-рь
2 и0 Я]") Р
где Я] - ускорение движения межфазной поверхности, м/с2; Я] - скорость, м/с; Яо - размер рабочего объема, м; Р' - давление жидкости вблизи межфазной поверхности, Па; р' - плотность жидкости, кг/м\
Начальные условия: при т = 0, = , Й|=0, Я] --- 0 (2)
Разность давлений между паром и жидкостью:
Р'-РЪ = Р"-Р^-Р,ВЬ~-2Л^ (3)
К1 К1
где Р" - давление пара в пленке, Па; g - ускорение свободного падения, м/с2;
с - поверхностное натяжение Н/м; г| - вязкость жидкости, Па с.
Одним из подходов к описанию процессов тепломассопереноса в паровой
пленке состоит в применении методов механики сплошной среды. При этом
используется уравнение теплопроводности для пара:
( 1 \ с1 Т" 1 ЗТ"
(4)
<ЗТ"
— = Х" дт
дг2 + г дт
J
где Т" - температура пара, К; т - время, с.
Начальное условие: прит = 0, Т"(0,г)-Ть (5)
( ЭТ'Л
Граничные условия: г = Г"(т,К1) = 7' г = К№, чш=-л." -т— (6)
V Зг )т=к
Выражение для давления пара получено в результате дифференцирования уравнения состояния идеального газа:
а) Часть теплового потока у, поступающего на межфазную поверхность, идет на испарение жидкости:
с1Р"
I
а. • "М
V дг ;Г=К1 <1т
(R12-Rw2)
с!т в2_р 2 Т" ат
Р" сГГ"
+----(7)
т« ^ \'/
где л" температура пара, Вт/'(м-К); Ь - теплота парообразования, Дж/кг.
б) Весь тепловой поток, поступающий на межфазную поверхность, уходит в жидкость (испарения нет у = 0): <1Р" (ГГ гЯ^Я]
Р" = Т" "(К^-к^) <8>
Начальное условие: при т=0 Р"=РЬ (9)
Граничное условие: - ч (10)
Другим подходом к описанию процессов переноса в паре является использование результатов молекулярно-кинетического анализа.
Неравновесное граничное условие позволяет установить связь давления пара в пленке с тепловым потоком на межфазной поверхности1: Р"- Р8(Т') _ 0.44дшЯш
р5(х) рДт^ТЖг ( и
где Т' - температура межфазной поверхности, К; Рз(Т') - соответствующее по линии насыщения давление, Па.
Результаты решения получены в приближении постоянной температуры жидкости (сверхтекучий гелий). Исходные данные: д„,=2-104Вт/м2; Я^О. 1мм; 11=0.02м; ТЬ=2К (Рь=3173Па).
Паровая пленка не достигает стационарного состояния, в случае, когда массовый поток не равен нулю (рис. 2). Если есть прирост массы, есть и соответствующее повышение давления, которое обуславливает движение жидкости (7). Стационарное состояние может быть достигнуто в том случае, когда разность давлений между паровой пленкой и окружающей средой уравновешивается суммой гидростатического напора и лапласовского скачка на границе раздела фаз.
6
4
* 2 а:
.....
\ |
а) т=1.0 .01 -Яд,) ---Г-1-1--
2 4 6 8 101 т * 103, с !
Рис. 2. Результаты решения
I г
1,03
а) Я,о=1.01 -(образующие)
1,02
! ^
1,01
I
2 4 6 т * Ю3, с
Рис. 3. Результаты решения при у=0
1 Муратова Т.М., Лабупцов Д.А Кинетический анализ процессов испарения и конденсации // ТВТ. - 1969. - Т. 7, №5. - С 959-967.
Расширение паровой пленки определяется повышением давления пара вследствие нагрева, если весь тепловой поток, поступающий на межфазную поверхность, уходит в жидкость, и испарения нет (8). Стационарное положение определяется значением начальной толщины (рис. 3).
Результаты расчета с использованием для описания процессов вблизи межфазной поверхности неравновесного граничного условия (11) показывают (рис. 4), что система достигает стационарного состояния. В данном решении не требуется задавать начальную массу пара в пленке при граничных условиях II рода.
Рис. 4. Решение с использованием неравновесного гранично! о условия
Сравнение результатов расчета задачи с разными допущениями показывает, что качественный вид зависимости радиуса паровой пленки от времени (эволюция) зависит от способа описания процессов в паре. При этом метод, основанный на использовании специального условия совместности, позволяет определять давление в паровой пленке вне зависимости от начальных условий.
На основании модели с использованием неравновесного граничного условия проводилось сопоставление с экспериментальными данными по «взрывному парообразованию» на тонкой платиновой проволоке2. При моделировании весь процесс разбивался на три стадии, а) Задача теплопроводности в жидкости. При подаче тепловой нагрузки жидкость начинает нагреваться вплоть до температуры начала кипения, соответствующей по линии насыщения внешнему (атмосферному) давлению, б) Рост паровой пленки в теплопроводной жидкости. По достижении жидкостью температуры начала кипения на поверхности нагревателя образуется паровая пленка, которая начинает увеличиваться в размерах при постоянном тепловом потоке с поверхности нагревателя, в) Рост паровой пленки в теплопроводной жидкости с выключением нагрузки на проволоке.
2
Zhao Z., Glod S., Poulikakos D., Pressure and power generation during explosive vaporization on a thin film microheatcr // International Journal of Heat and Mass Transfer, 2000,- vol.43, -p.281-296.
После выключения нагревателя тепловой поток обеспечивается разностью температур между нагревателем и поверхностью жидкости.
Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными показывает качественное и количественное согласование.
В главе 3 разработана методика расчета формы осесимметричной межфазной поверхности в сильнонеравновесных условиях. При замораживании капель жидкости в качестве охлаждающей среды используются жидкие криоагенты для обеспечения высокой интенсивности процесса охлаждения. В результате может возникать ситуация, когда попадающие на поверхность жидкости капли имеют температуру, превышающую температуру предельного перегрева жидкости. Это приводит к следующему физическому эффекту: капли с плотностью большей, чем плотность жидкости, довольно продол» ительное время (несколько десятков секунд) плавают на ее поверхности, окруженные пленкой пара. Рассматривается следующая физическая модель: шар радиусом плавает в насыщенной жидкости, давление над свободной поверхностью которой равно Рь. Температура шара Т„ такова, что на его поверхности образуется
Принимаются следующие допущения: процессы тепломассопереноса в двухфазной системе квазистационарные. Температура межфазной поверхности Т постоянна по сечению, при этом давление насыщения, соответствующее температуре жидкости PS(T') равно давлению над свободной поверхностью жидкости Рь- Коэффициент конденсации 3 на межфазной поверхности равен единице. Физические свойства капли, жидкости и пара постоянны. Скачки температуры на межфазных поверхностях пар - жидкость и пар - твердое тело малы по сравнению с общей разностью температур.
Универсальное условие совместности:
¡2
P" = Pb+P'g(bo-z) + 2cTK--4 (12)
Ps
где К - кривизна межфазной поверхности, I'm; j удельный массовый поток пара. кг/(с-м2); р," - плотность насыщенного пара, кг/м\
Неравновесное граничное условие: Р"-Р8(Т')_ 0.44д| 2 1-0.40
Р8(Т')
Р8(Т')л/ЖГ р^ЖГ р Весь тепловой поток на межфазной поверхности идет на испарение (Я^ Ь), совместное преобразование (12) и (13) при условии, что р=1.0 и Р;,(Т)-РЬ приводит к (14):
р'ё(\\0~г) + 2оК
(41/ьг
41
'о .44-1^1
V Ь ,
(14)
Рз" л/ЖГ
где Ц) - тепловой поток на межфазной поверхности, Вт/м".
Тепловой поток на межфазной поверхности в первом приближении определяется уравнением стационарной теплопроводности в паре для сферической геометрии задачи. Толщина паровой пленки 8 определяется выражением:
8 =
+Г
Кривизна осесимметричной межфазной поверхности нелинейным дифференциальным оператором второго порядка3: / Л
dz
К
2кЛ±
г с!г
аг
1 +
¿2 аг
(15) является
06)
(17)
Граничные условия: г = 0, г = 0, d7/dr ~ 0 г = Ьо, dz/dr = 0
где И0 зависит от кривизны границы раздела фаз пар жидкость в лобовой точке К0, которая определяется одним радиусом Яо, К0 = 1/1*«:
Л2 " 'о.44-1-2^КТ'
Рё^О + 2<зКо
(чю /Ь) дщ
>/жг
I,
(18)
Шар плавает на поверхности жидкости, следовательно, сила тяжести уравновешивается действием разности давлений пара под и над объектом. Гидравлическое сопротивление парового канала:
3 Гидромеханика невесомости // Под ред Мышкиса А.Д - М • Наука. 1976 -506с
ф
о
р"уу(ф)2
-скр
(19)
Расход пара определяется массовым потоком с межфазной поверхности в результате испарения жидкости под действием теплового потока. Коэффициент гидравлического сопротивления ц/(ср) определяется в первом приближении по ламинарному нестабилизированному течению в трубе:
*|/(ф) = $- -
140 Яуу+5
(20)
8 Яе 5
Рассматривается плавание капли воды шаровой формы диаметром = 3 мм в жидком азоте при атмосферном давлении Т-77.4К (рис. 6). Радиус кривизны в лобовой точке 1.7мм; расстояние от нижней точки межфазной поверхности до уровня свободной поверхности жидкости Ь0=2.46мм. Масса шара (капли воды) оценивается как т№=1.4-10~5кг, что дает глубину погружения шара -0.82мм. Форма межфазной поверхности оказывается непростой, несмотря на внешнее сходство с задачами гидростатики принципиальное отличие приведенной двухфазной системы состоит в том, что сам анализируемый объект - паровая пленка - возникает в результате воздействия теплового потока. По мере приближения к свободной поверхности жидкости гидростатический напор уменьшается, а толщина паровой пленки увеличивается (рис. 66).
I 2",5~
I» ^
«-1,5 о
1
*
N 0,5
0
а)
---
А 1 --
1
600 400 200 * о 11 -200
2 103,
3 4 м
Рис. 6 Результаты расчета а) форма (1) и кривизна (2) межфазной поверхности, б) 1 -толщина пленки; 2 - разность давлений.
Результаты расчета при Т„-=340К (рис. 7) показывают неплохое согласование с экспериментальными данными по плаванию горячих шаровых объектов в холодных жидкостях 4.
4 Синицын А.Г. Разработка метода расчет а процесса замораживания капель применительно к криодисперсной технологии. Диссертация кандидата технических
наук. М.: - МЭИ. 1990. - 142с.
Рис. 7. Сравнение с опытными данными. 1 - экспериментальная кривая;
2 - расчет; 3 - уровень свободной поверхности жидкости; 4 - нагреватель
В другой задаче подобного рода - экспериментальных исследованиях локальных процессов при смене режимов кипения5 - начальная температура горячей полусферы выбиралась из условия получения на ее поверхности устойчивого пленочного кипения воды (рис. 8). В общем случае жидкость может быть недогрета до состояния насыщения. Вследствие этого часть теплоты, поступающей от нагревателя к межфазной поверхности, распространяется по жидкости.
При этом возможно возникновение конвективных течений, обусловленных разностью температур жидкости, и, как следствие, возникающей разностью плотностей. В отличие от плавания капли воды в жидком азоте, где вся теплота, поступающая на межфазную поверхность, затрачивалась на испарение, в рассматриваемом процессе часть теплоты идет на нагрев жидкости, другая часть у расходуется на образование пара, который движется в канале, образованном проницаемой границей раздела фаз пар -жидкость и непроницаемой поверхностью пар - нагреватель. Сравнение
5 Григорьев B.C., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю П., Кубриков К.Г, Исследование особенностей развития и схода паровой пленки на полусферических поверхностях Н CD-ROM publications Труды V Минского международного форума по тепломассообмену. - ГНУ «ИТМО им.А.В. Лыкова» НАНБ. Минск, 2004. - 5-17.
результатов расчета с экспериментальными данными (рис. 9) показывает качественное согласование зависимости г от г. В эксперименте К№=5мм, ТИ~270°С, яЛ=105Вт/м2. В ходе решения системы уравнений получены следующие значения характерных величин: у=37,43%, 50=0,03 5мм, 1/К0«8,21мм.
Рис. 9. Сравнение с опытными данными. 1 - расчет; 2 - экспериментальная кривая; 3 - очер!ания нагревателя; 4 -уровень своботной поверхности жидкости.
В главе 4 рассматривается движение сверхтекучего гелия внутри пористого тела при невесомости (рис. 10). При подаче тепловой нагрузки определенной величины на поверхности нагревателя образуется паровая пленка конечной толщины. В дальнейшем паровой объем увеличивается, заполняя внутреннюю полость пористой оболочки. Принимается, что на внешней поверхности пористого тела существует пленка жидкости вследствие хорошей смачиваемости Не II. Давление пара около межфазной поверхности во внешнем объеме соответствует по линии насыщения температуре этой пленки.
Рис. 10. Физическая модель
Для экспериментальных исследований на орбите необходимо достижение стационарного состояния паровой пленки, то есть, чтобы часть внутренней полости оболочки была заполнена жидкостью, а часть паром. При этом граница раздела фаз должна остаться видимой, как при исследованиях на Земле. Целью теоретического анализа является установление параметров пористого тела необходимых для формирования пленки конечного размера на нагревателе. Схематично модель рассматриваемой системы представлена на рис. 11.
ш, 6
РГ, <11
ТУ, РЛ у,
Тр, Рр
Яо(г), У„(г),У(г)
Ть,Рь
Рис. 11. Характеристики системы
Задача масштабе
принимается одномерной и стационарной в кинетическом времени, жидкость считается несжимаемой, зависимость теплофизических свойств от температуры не учитывается.
Анализ движения межфазной поверхности на цилиндрическом нагревателе внутри пористой оболочки проводится на основе уравнения:
1
я
о
»1
. РГ-Рр
гГ~
(21)
Начальные условия: при т = О, Я| = Яи Неравновесное граничное условие:
Я, =0, где я, =у, •
(
Р]" = 0,5Р5]
1 + . 1 +
л/яЧ,
(22)
Теплоперенос по жидкости в полости пористого тела описывается соотношением Гортера-Меллинка, полученным для режима взаимного трения двух компонент в стационарном состоянии:
лН
Я1
яда
(ТГ-То)
1-
я
где f (Т) - постоянная Гортера-Меллинка, К-м5/Вт3.
Универсальное условие совместности на границе раздела фаз:
Р]'+ — = Р]2г|'— (24)
' Rj 1 R, 1 '
Описание тепломассопереноса при течении гелия в пористой структуре включает в себя несколько уравнений:
Термомеханическое соотношение:
Pb-P0=p'S(Tb-T0) (25)
где S - энтропия жидкости, Дж/(кг-К).
Тепловой поток в порах оболочки в первом приближении определяется текущей координатой и нагрузкой нагревателя:
qo(0 = 4w— (26)
нигде m - пористость оболочки.
Скорость движения межфазной поверхности и скорость жидкости в капиллярах связаны между собой соотношением:
,, хг, чшг
V, = V(r)— (27)
К1
Плотность теплового потока в сверхтекучем гелии:
q0(r) = p'S(Vn(r)-V(r))T0 (28)
Уравнение Пуазейля для ламинарного движения жидкости в каналах круглого поперечного сечения:
Ро-^^а (29)
где Rk - радиус капилляров, м.
Для описания ламинарного течения нормальной компоненты в каналах пористой структуры используется уравнение фильтрации:
= (30)
R0 k"P
где коэффициент проницаемости определяется выражением для слоя сферических засыпок:
3
к =5.97-Ю-3-—d (31)
(1-m)2
В качестве модели рассматривается пористое тело в виде системы прямых радиальных круглых каналов постоянного поперечного сечения. Увеличение тепловой мощности ведет к увеличению перепада давления на межфазной поверхности, обусловленного кинетическими эффектами, что приводит к
повышению разности давлений по жидкости. Пленка тем больше, чем больше тепловая нагрузка (рис. 12). За счет увеличения скорости движения межфазной поверхности, связанной со скоростью жидкости в капиллярах, быстрее достигается стационарное положение пленки.
Паровая пленка гелия на поверхности цилиндрического нагревателя коаксиального пористой оболочке может развиваться тремя путями:
- пленка не увеличивается в размерах из-за гидравлического сопротивления капилляров и действия сил поверхностного натяжения на межфазной поверхности пар - жидкость во внутреннем пространстве оболочки.
- паровая пленка увеличивается в размерах и заполняет все внутреннее пространство пористого тела, вытесняя жидкость через капилляры на внешнюю поверхность оболочки;
- по мере роста паровой пленки устанавливается соответствие между перепадом давления, действующим на жидкость, тепловым потоком в капиллярах и скоростью нормальной компоненты Не II, что приводит к стационарному состоянию системы при постоянной толщине паровой пленки.
1 -\ 5 СО о т— * 3 - -----г ^--- _ 1
0\ "^2 !
£ 1 - -1
О 5 10 15 20 т, с
Рис. 12. Влияние тепловой нагрузки нарост паровой пленки. I - я„ = 102Вт/м2; 2 - = 10 Вт/м2; 3-^-104Вт/м2.
Рис. 13 Влияние I идравлического сопротивления оболочки на рост паровой пленки а) 1 - /= 0,05м; 2 - / ~ 0,01м; 3 - / = 0,004м; б) 1 -(1 = 0.1мм; 2 - (1 = 0.08мм; 3 - с! = 0.05мм
Главной характеристикой, определяющей рост паровой пленки, является гидравлическое сопротивление пористого тела. Перепад давления по жидкости прямо пропорционален толщине оболочки (длине капилляров) и обратно пропорционален квадрату характерного размера каналов (29)-(30).
При уменьшении длины канала перепад давления в жидкости снижается и паровая область увеличивается (рис. 13а). С увеличением зерна сферических засыпок уменьшается гидравлическое сопротивление пористой оболочки (30)-(31), что приводит к увеличению стационарного значения радиуса пленки (рис. 136).
Внешнее давление определяет, прежде всего, базовую температуру и, как следствие, теплофизические свойства жидкости. Уменьшение температуры на полградуса при уменьшении давления насыщенных паров в 6,6 раза, в свою очередь вызывает падение энтропии в 4,1 раза. Такое резкое изменение свойств рабочего тела отражается на характере эволюции паровой пленки (рис. 14).
Рис 14. Влияние температуры жидкости на рост паровой пленки' 1 - Рь=3169Па (ТЬ=2К); 2 - Рь=664.6Па (ТЬ=1.57К)
При росте паровой пленки в условиях невесомости отсутствуют колебания, что отличается от наземной ситуации, где пульсации являются основным динамическим процессом (рис. 15).
¿2
1
О 2 4 6 8 10
т, с
3,5
0,5
0
0,05
г, с
0,1
Рис. 15. Расчетное сравнение процессов: 1 - на Земле; 2 - в невесомости.
Это связано с тем, что перепад давления по жидкости связан с тепловой нагрузкой нагревателя, а также текущим положением межфазной поверхности. Система подстраивается под внешнее воздействие. На Земле в перепад давления входит составляющая, обусловленная действием поля силы тяжести и независящая от внутренних параметров системы. Затухание колебаний вызвано действием сил вязкого трения.
Оценка границ применимости по скорости нормального и сверхтекучего движений показывает, что тепловые нагрузки до 5-103Вт/м2 удовлетворяют условиям ламинарного течения в пористом теле.
Экспериментальных исследований по изучению эволюции паровой пленки при кипении гелия II на поверхности цилиндрического нагревателя внутри пористого тела при невесомости до настоящего времени не проводилось. Рассмотрим данные, полученные на Земле6. Результаты расчеча динамики паровой пленки на поверхности цилиндрического нагревателя показывают (рис. 16), что колебания паровой пленки затухают, и она выходит на уровень примерно соответствующий экспериментальному значению.
Рис 16 Динамика паровой пленки при кипении гелия II на поверхности цилиндрического нагревателя. 1,2- нижняя и верхняя образующие; 3 - эксперимент.
Сопоставлены результаты расчетов динамики паровых пленок при погружении относительно горячих объектов в жидкости для методов, основанных на уравнениях механики сплошной среды и молекулярно-кинетической теории. Получены зависимости радиуса пленки пара от времени с учетом различных особенностей процессов тепломассопереноса, обуславливающих движение межфазной поверхности. Доля теплоты, затрачиваемой на испарение, зависит от теплообмена в жидкости. Стационарное состояние паровой пленки может быть достигнуто только при нулевом потоке массы через проницаемую границу раздела фаз пар -
Спиридонов А.Г Экспериментальное исследование теплоотдачи к сверхтекучему гелию /' Диссертация кандидата технических наук - М : МЭИ, 1981 -
4
О 10 20 30
т, с
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
168с.
жидкость. На основе модели, учитывающей неравновесные эффекты на межфазной поверхности пар - жидкость, проведена интерпретация опытных данных по кипению воды на тонких платиновых проволоках. Получено удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных результатов.
Разработана методика расчета формы стационарной осесимметричной межфазной поверхности, образовавшейся при погружении шарового нагревателя в жидкость. Описание процессов переноса на границе раздела фаз пар - жидкость основано на использовании универсальных условий совместности и неравновесного граничного условия. В результате численного решения системы уравнений получены параметры паровой пленки для капли воды диаметром 3 мм, имеюшей комнатную температуру, плавающей в жидком азоте при атмосферном давлении, а также для медного полусферического нагревателя диаметром 0,01м при температуре 270°С, погруженного в воду. Кривизна проницаемой для потока массы стенки паровой пленки зависит от теплового потока в отличие от задач гидростатического равновесия, где источника теплоты нет. Сопоставление расчетных кривых с экспериментальными данными показывает качественное и количественное согласование формы границы раздела фаз пар - жидкость в рассматриваемом диапазоне параметров.
Для проведения экспериментальных исследований динамики межфазной поверхности гелия II в условиях невесомости предложена схема ячейки с размещением цилиндрического нагревателя внутри коаксиальной пористой оболочки. При определенных структурных характеристиках материала пористой среды устанавливается стационарное состояние паровой пленки. Разность давлений по жидкости зависит от теплового потока. Размер паровой пленки тем больше, чем меньше гидравлическое сопротивление пористой оболочки. Сравнение результатов анализа эволюции паровой пленки на Земле и в условиях невесомости выявило принципиальное отличие характера протекания процессов тепломассопереноса, а именно отсутствие колебаний межфазной поверхности пар жидкость в условиях невесомости. Пригодность предложенного метода подтверждается хорошим согласованием результатов расчета с экспериментом по пленочному кипению сверхтекучего гелия на Земле в стационарном режиме.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №05-02-16859).
Содержание диссертации опубликовано в следующих работах
1. Селянинова Ю.Ю., Крюков А.П. Расчет модели экспериментальной системы для изучения кипения сверхтекучего гелия в невесомости. // Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика». Тезисы докладов. - М.: Издательство МЭИ, 2002. -Т.З. - С. 141-142.
2006-4 Р1 8 5 7 1 19973
2. Селянинова Ю.Ю., Крюков А.П. Движение межфазной поверхности Hell - пар внутри капиллярно-пористой структуры. // Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика». Тезисы докладов. - М.: Издательство МЭИ, 2003.-Т.З. - С. 30-31.
3. Селянинова Ю.Ю., Крюков А.П. К расчету тепломассопереноса при кипении сверхтекучего гелия внутри структуры с регулярными каналами. // Труды XIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» - М.: Издательство МЭИ, 2003.-Т.1.-С. 313-316.
4. Кипение Не II в пористой структуре при микрогравитации: модельное представление / Дергунов И.М., Королев П.В., Крюков А.П., Сепянинова Ю.Ю. Ü Физика низких температур (на английском языке Low temperature physics), 2003, - Т. 29; № 6. - С. 653-658.
5. Селянинова Ю.Ю., Крюков А.П. Влияние гидравлического сопротивления пористого тела на рост паровой пленки при кипении сверхтекучего гелия // Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика». Тезисы докладов. - М.: Издательство МЭИ, 2004. - Т.З. - С. 27 28.
6. Селянинова Ю.Ю., Крюков А.П. Особенности тепломассопереноса при росте паровой пленки внутри пористой оболочки, заполненной гелием II. // Труды V Минского международного форума по тепломассообмену. - CD-ROM publications. Мн.: ГНУ «ИТМО им.А.В. Лыкова» НАНБ, 2004. - 5-33
7. Селянинова Ю.Ю., Крюков А.П. Подход к определению формы межфазной поверхности в условиях сильной неравновесности // Одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика». Тезисы докладов. - М.: Издательство МЭИ, 2005. - Т.З. - С. 73-74.
8. Селянинова Ю.Ю. Крюков A.II. Определение формы осесимметричной межфазной поверхности в сильнонеравновесных условиях // Труды XV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». - М.: Издательство МЭИ, 2005. - Т. 1. - С. 272-275.
Подписано в печать Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13
Содержание.
Условные обозначения.
Актуальность проблемы.7
Цель работы.10
Научная новизна.10 Ф
Положения, выносимые на защиту.12
Практическая ценность.12
Достоверность полученных результатов.13 ф Апробация работы.13
Публикации.13
Структура и объем работы.14
1. Обзор современного состояния рассматриваемых проблем.15
1.1. Классификация задач тепломассопереноса на основе известного ((^ экспериментального материала.16
1.1.1. Направления потоков тепла и массы совпадают.16
1.1.2. Противоток потоков тепла и массы.20
1.1.3. Смешанные задачи.26
Ф 1.2. Исследования динамики межфазной поверхности.28
1.3. Выводы по 1-ой главе.31
2. Эволюция паровой пленки.34
1 2.1. Постановка задачи и математическое описание.36
2.1.1. Система уравнений.3 8
Щ 2.1.2. Система уравнений с учетом неравновесных эффектов.40
2.2. Результаты расчета.41
1 2.3. Сравнение с экспериментальными данными.49
2.4. Выводы по 2-ой главе.53
Ф 3. Определение формы межфазной поверхности в сильнонеравновесных условиях.55
3.1. Плавание капли воды в жидком азоте.57
3.1.1. Математическое описание.59
3.1.2. Результаты расчета.63
3.2. Пленочное кипение воды на полусферическом нагревателе.71
3.2.1. Математическое описание.73
3.2.2. Результаты расчета.75
3.3. Выводы по 3-ей главе.80
4. Движение сверхтекучего гелия в пористом теле при невесомости.82
4.1. Постановка задачи.83
4.2. Математическая модель.85
4.2.1. Система уравнений.86
4.2.2. Тепломассоперенос в пористой структуре.88
4.3. Результаты расчета.97
4.3.1. Прямые радиальные каналы.98
4.3.2. Параметрическое исследование.103
4.3.3. Пористые среды сложной конфигурации.110 Ц
4.3.4. Сравнение процессов на Земле и в условиях невесомости.112
4.4. Границы применимости.114
4.5. Сравнение с экспериментальными данными.116
4.6. Выводы по 4-ой главе.119
Заключение.121
Содержание диссертации опубликовано в следующих работах.123
Список литературы.125
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ а - удельная поверхность, 1/м; В - производная радиальной координаты; Ъ - коэффициент аккомодации; d- диаметр, м;
- эффективное сечение столкновения, м2; f(T) — постоянная Гортера-Меллинка, К-м /Вт ; g-ускорение свободного падения, м/с ; h — глубина погружения, м; j - массовый поток с межфазной поверхности, кг/(м2-с); if - кривизна поверхности, 1/м; к - коэффициент проницаемости,;
L - теплота парообразования, Дж/кг; - толщина оболочки, м;
М- масса молекулы, кг; т - пористость;
Nu — число Нуссельта;
Р - давление, Па;
Рг - число Прандтля; q - удельный тепловой поток, Вт/м ;
Rt - радиус, м;
R - газовая постоянная, Дж/(кг-К); Re — число Рейнольдса; г - радиальная координата, м; S - энтропия, Дж/(кг-К); s - длина дуги кривой, м; Т- температура, К; V- скорость, м/с; z - вертикальная координата, м. у - доля теплового потока на испарение;
8 - толщина пленки, м;
С, - производная вертикальной координаты; г) - вязкость, Па-с;
X - теплопроводность, Вт/м-К;
•у р - плотность, кг/м ; а - поверхностное натяжение, Н/м; т - время, с; ф-угол, рад;
Индексы: - относится к жидкости; '' - относится к пару; оо - условия на удалении от межфазной поверхности;
0 - относится к внутренней поверхности пористого тела
1 - относится к межфазной поверхности;
2 - параметры на следующем шаге интегрирования; b - относится к внешним (заданным) условиям; сг - критические параметры; i - возмущающее воздействие. п - нормальное движений сверхтекучей жидкости. s - параметры линии насыщения; w - относится к нагревателю; вх - относится к входному сечению;
X - точка сверхтекучего перехода;
Остальные обозначения приведены в тексте.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время особое внимание исследователей привлекают сильнонеравновесные процессы, характеризующиеся большими тепловыми потоками и, как следствие, высокими разностями температур. При этом температура источника теплоты может в несколько раз превышать критическую температуру рабочей жидкости. Подобного рода процессы могут осуществляться при извержении вулканов на океанском шельфе, когда расплавленная магма с температурой в несколько тысяч градусов попадает в воду окружающей среды. Существование жидкости при таком сильном перегреве невозможно, при образовании большого количества пара давление его возрастает вплоть до образования ударной волны. Совместно с воздействием подземных толчков подобного рода возмущения могут привести к катастрофическим последствиям для окружающей биосферы. Извержение вулканов не может контролироваться и управляться при современном развитии технологии. Тем не менее, в ряде случаев чрезвычайных ситуаций можно избежать. Например, при отклонении от безопасного режима работы теплообменной аппаратуры различного назначения или при паровом взрыве на атомных станциях. Для последних разработан ряд упреждающих мер по предотвращению образования ударной волны, теоретические модели процесса пока не могут достоверно предсказать вероятность наступления кризисной ситуации.
В большинстве расчетных теоретических моделей форма межфазной поверхности задается, для пузырей — сферическая, для пленок -цилиндрическая. В условиях искажающего влияния гравитационных сил происходит видоизменение паровых структур, что ведет к появлению трудно контролируемых режимов кипения, например шумового кипения сверхтекучего гелия при больших глубинах погружения нагревателя. Это приводит к невозможности точного обеспечения желаемых режимных параметров процесса, в частности такого, например, как близость температуры к А,-точке.
В условиях невесомости из-за отсутствия сил, препятствующих росту пленки, неограниченное возрастание ее делает невозможным детальное исследование процессов переноса на межфазной поверхности. В связи с этим представляет интерес пористая структура, которая, оставляя возможность для тепломассопереноса в жидкости, ограничивает неконтролируемый рост парового пространства. Такая модель позволит изучить динамику межфазной поверхности и процессов переноса без влияния силы тяжести.
Все больше внимания уделяется исследованию межфазной поверхности не только пузырей, но также паровых пленок различной конфигурации и сложных паровых конгломератов. При этом особый интерес вызывает форма межфазной поверхности жидкость-пар, а также влияние на нее высокоинтенсивных динамических процессов в системе.
Актуальность проблемы
Силовые элементы циркуляционных контуров атомных станций работают в тяжелых условиях: высокий уровень температур и давлений; значительные термические напряжения, обусловленные большими тепловыми нагрузками и градиентами температуры; высокие скорости теплоносителя, способствующие появлению вибраций. Поэтому во время эксплуатации серьезное внимание обращается на поддержание заданного безопасного теплогидравлического режима [67].
В настоящее время проводятся эксперименты по изучению взрывного кипения воды на полусферических нагревателях, которое имеет существенное значение для оптимизации режимов различных технологических процессов [29,31]. В'частности рассматривается-инициирующая стадия парового взрыва, на которой происходит сход паровой пленки с горячей поверхности, сопровождающийся дроблением горячей жидкости и импульсом давления.
Пленочное кипение неизбежно на начальном этапе захолаживания любой системы, а также на отдельных участках охлаждаемой поверхности при наступлении кризиса пузырькового кипения. Знание закономерностей теплообмена при пленочном кипении необходимо для корректного расчета переходных процессов в системах криостабилизации и оценки устойчивости последних к возмущениям [25].
Для развития низкотемпературной лаборатории на Международной Космической Станции принята к реализации программа «Гелий». В рамках этой программы планируется проведение экспериментов по изучению кипения сверхтекучего гелия в условиях невесомости [54]. Подобного рода эксперименты позволят провести исследования режимов, осуществить которые на Земле не представляется возможным из-за искажающего влияния гравитационных сил. Особую роль в условиях невесомости играют капиллярные силы, определяющие форму и размеры паровых образований, стремящихся к минимизации площади свободной поверхности. Поэтому исследование формы паровых структур на Земле позволит расширить представление о проведении экспериментальных исследований, технологии использования жидкостей и пористых структур в условиях невесомости.
Прогресс в космических исследованиях во многом связан с широким внедрением криогенной техники. Криогенные жидкости, в первую очередь водород и кислород, обеспечивают работу двигателей космических аппаратов, а охлаждаемые детекторы и электронные устройства позволяют на порядки повысить чувствительность и разрешение контрольно-измерительной аппаратуры и тем самым реализовать преимущества проведения долговременных научных исследований на орбите в условиях, недостижимых в наземных экспериментах.
Известно, что первые два планируемых зарубежных низкотемпературных эксперимента на борту Международной Космической Станции будут посвящены изучению неравновесных явлений вблизи точки фазового перехода: а) критические явления вблизи TV в Не II - определение изменений теплофизических свойств вблизи границы раздела сверхтекучая жидкость — нормальная жидкость, где существенную роль играют нелинейные явления (минимальные ускорения необходимы для уменьшения вариаций давления вдоль столба жидкости); б) термодинамические измерения вблизи критической точки жидкость - газ в 3Не — определение критических параметров в непосредственной близости к критической точке Тсг. Дополнительные эксперименты в этой серии — измерения теплоемкости вблизи Т*. при постоянном тепловом потоке и изучения формы кривой сосуществования о жидкость - пар вблизи Тсг в Не.
Поведение сверхтекучего гелия вблизи лямбда-перехода изучается уже многие годы. В частности несколькими научными центрами были проведены экспериментальные исследования по измерению теплоемкости сверхтекучего гелия. Опубликованы результаты предварительных опытов по величине теплоемкости гелия, находящегося в стесненных условиях [11]. В этих экспериментах жидкость находилась внутри пакета силиконовых пластин, который помещался в криостат, оборудованный средствами видеонаблюдения и термометрии. Результаты пяти серий наблюдений показали хорошее согласование с известными моделями и аппроксимациями зависимости теплоемкости жидкости от температуры. Однако, как отмечают сами исследователи, приближение к Та. оказалось недостаточным, по сравнению с космическими условиями из-за наличия неконтролируемых шумов (вибрация и ДР-)
В экспериментальных исследованиях [8] проводились измерения теплоемкости сверхтекучего гелия при наличии теплового потока. Причем, разрушение сверхтекучести в этих условиях осуществляется при более низких температурах. Термометрия проводились для замкнутого объема, ограниченного различными поверхностями. Применение пористых сред для исследования двухфазных систем с гелием II является перспективным; в связи с возможностью обеспечения требуемых режимных параметров экспериментов.
Последние серии космических полетов показали возможность точного измерения, записи, контроля показателей низкотемпературного эксперимента в динамических неравновесных процессах. Тем не менее, фазовый переход II рода в квантовой жидкости, представляющий, по всей видимости, значительный интерес для многих исследователей [1], остается пока за рамками полномасштабного анализа для условий микрогравитации.
Цель работы
Главной целью настоящей работы является исследование в ряде прикладных задач особенностей процессов переноса на межфазных поверхностях различной формы, учитывающее неравновесные эффекты вблизи границы раздела фаз пар - жидкость. Рассматриваются некоторые частные случаи взаимодействия горячих объектов (цилиндра, шара) с холодными жидкостями (вода, азот, гелий). В соответствии с изучаемыми проблемами в работе ставятся следующие задачи:
- анализ двухфазных систем по взаимной направленности потоков тепла и массы на межфазной поверхности и проницаемости в зависимости от геометрии и расположения нагревателя;
- получение результатов расчета роста паровой пленки на поверхности цилиндрического нагревателя с рассмотрением различных факторов, обуславливающих соответствующее движение жидкости (нагрев пара, испарение, неравновесные эффекты вблизи межфазной поверхности);
- решение задачи об определении формы осесимметричной межфазной поверхности, образованной при погружении горячего шара в холодную жидкость и анализ взаимного влияния геометрических параметров системы и процессов тепломассопереноса;
- обоснование созданной модели экспериментальной ячейки для исследования кипения сверхтекучего гелия в условиях невесомости, формулирование математического описания, получение и анализ численных данных о росте паровой пленки.
Научная новизна
В работе систематизируются процессы тепломассопереноса на межфазной поверхности по способу теплоподвода и проницаемости для потока массы, а также по геометрическим характеристикам системы. Также сравниваются варианты постановки граничных условий на межфазной поверхности пар - жидкость на основе молекулярно-кинетической теории и механики сплошной среды.
Разработано новое математическое описание роста паровой пленки на поверхности цилиндрического нагревателя. Проведено авторское сопоставление результатов расчета процессов переноса на межфазной поверхности жидкость - пар при передаче тепла от нагревателя через паровую пленку к жидкости для модели, основанной на применении методов механики сплошной среды и модели, основанной на результатах молекулярно-кинетического анализа. Рассматриваются различные факторы (испарение, нагрев пара, неравновесные эффекты), обуславливающие изменение размера паровой пленки и соответствующее движение жидкости.
Получено оригинальное решение задачи об определении формы осесимметричной межфазной поверхности пар-жидкость при возмущающем воздействии теплового потока в отличие от традиционных задач гидростатического равновесия. Показано взаимное влияние процессов тепло- и массопереноса и геометрических параметров системы.
Впервые представлена специально разработанная система для обеспечения условий, необходимых для экспериментального исследования кипения гелия II в условиях невесомости. Получено оригинальное решение задачи об эволюции паровой пленки в невесомости для случая, когда нагреватель расположен внутри пористого тела. Показана возможность достижения двухфазной системой стационарного состояния, что требуется для исследования процессов тепломассопереноса вблизи межфазной поверхности.
Впервые проведено теоретическое исследование фильтрации сверхтекучего гелия через пористые материалы сложной конфигурации при воздействии теплового потока. Для экспериментальной ячейки получены теплообменные характеристики процесса роста паровой пленки на цилиндрическом нагревателе, а также сопоставлены процессы на Земле и в условиях невесомости.
Задание граничных условий на поверхности раздела фаз является определяющим для решения задач динамики в сильнонеравновесных условиях. Методы молекулярно-кинетической теории позволяют найти взаимосвязь параметров пара с температурой межфазной поверхности и соответствующим давлением по линии насыщения, предоставляя тем самым возможность определить потоки массы и тепла на этой поверхности. В настоящей работе рассматриваются высокоинтенсивные процессы в системах с проницаемой для потока массы границей раздела фаз. Использование в математическом описании специальных условий совместности позволяет решать сопряженные задачи, связанные с движением межфазной поверхности.
Положения, выносимые на защиту
Анализ результатов решения задачи о росте паровой пленки на поверхности цилиндрического нагревателя, полученных для разной проницаемости межфазной границы пар-жидкость.
Методика расчета формы стационарной осесимметричной межфазной поверхности пар-жидкость, учитывающая неравновесные эффекты вблизи границы раздела фаз.
Возможность использования пористого тела для стабилизации кипения сверхтекучего гелия в условиях невесомости, что подтверждается численными данными по соответствующему математическому описанию разработанной экспериментальной ячейки.
Практическая ценность
Полученные результаты могут быть использованы при решении следующих проблем:
- определение условий возникновения парового взрыва как результата развития неустойчивости межфазной поверхности пар-жидкость, разработка методов предотвращения аварийных ситуаций;
- проектирование оборудования для экспериментальных исследований кипения сверхтекучего гелия в невесомости;
- оптимизация режимов работы и конструкции теплообменник аппаратов специального назначения, в том числе капиллярных фазоразделителей, теплообменников с пористыми стенками и др.
Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных результатов подтверждается апробацией математических моделей на известных задачах тепломассопереноса, а также сравнением расчетных данных с экспериментальными работами.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены на VIII - XI международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2002-2005 гг.); III международном форуме по физике низких температур в условиях микрогравитации (Черноголовка, 2002 г.); XIV и XV Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Рыбинск, 2003г., Калуга, 2005г.); V Минском Международном форуме по тепломассообмену (Минск, 2004 г.).
Публикации
Материалы данной диссертационной работы изложены в 8 публикациях -1 статье, 3 докладах и 4 тезисах.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения и имеет объем 132 стр., включая 71 рисунок и 3 таблицы. Библиография включает 74 наименования.
4.6. Выводы по 4-ой главе
Для создания условий необходимых для обеспечения устойчивого кипения сверхтекучего гелия в условиях невесомости предлагается использовать пористую оболочку. Проведенные расчеты показывают, что перепад давления по жидкости внутри, связанный со скоростью движения нормальной компоненты, зависит от величины теплового потока.
Стационарное положение паровой пленки при кипении сверхтекучего гелия внутри пористой оболочки в условиях невесомости может быть достигнуто с использованием любой из рассмотренных моделей пористой среды при реализации соответствующих расчетных режимов течения в ней нормальной компоненты. Размер паровой пленки тем больше, чем меньше гидравлическое сопротивление пористой оболочки. Качественно результаты, полученные для различных моделей пористой среды, не отличаются, а количественно зависят от структурных характеристик материала оболочки. Кроме этого возможны и другие варианты динамики паровой пленки на поверхности цилиндрического нагревателя в зависимости от геометрических характеристик и материала капиллярно-пористой оболочки, а также других параметров процесса. Так, например, при малых тепловых потоках пленка не может увеличиваться в размерах из-за действия сил поверхностного натяжения и вязкого трения. При больших тепловых потоках пленка растет достаточно быстро, вытесняя жидкость через капилляры во внешнюю область, пар заполняет весь объем внутренней полости. Анализ оригинальной модели процесса роста паровой пленки на поверхности цилиндрического нагревателя показал наличие принципиального отличия характера протекания процессов на Земле и в условиях невесомости.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложена методика расчета динамики паровых пленок при погружении относительно горячих объектов в жидкости на основе механики сплошной среды и молекулярно-кинетической теории. Получены зависимости радиуса пленки пара от времени с учетом различных особенностей процессов тепломассопереноса, обуславливающих движение межфазной поверхности. Получены зависимости радиуса пленки пара от времени для нагревателя диаметром 10"4м, погруженного на глубину 2см в сверхтекучий гелий температурой 2К при тепловой нагрузке 2-104Вт/м2, учетом различных особенностей процессов тепломассопереноса, обуславливающих движение межфазной поверхности. Доля теплового потока на испарение зависит от теплообмена в жидкости. Стационарное состояние паровой пленки может быть достигнуто только при допущении о нулевом потоке массы через проницаемую границу раздела фаз пар — жидкость. Использование неравновесного граничного условия позволяет связать давление пара в пленке с тепловым потоком и температурой межфазной поверхности. На основе модели, учитывающей неравновесные эффекты на межфазной поверхности пар — жидкость, проведена интерпретация опытных данных по кипению воды на тонких платиновых проволоках. Получено удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных результатов, что свидетельствует о пригодности предложенной расчетной методики.
Разработана методика расчета формы стационарной осесимметричной межфазной поверхности, образовавшейся при погружении шарового нагревателя в жидкость. Описание процессов переноса на границе раздела фаз пар — жидкость основано на использовании универсальных условий совместности и неравновесного граничного условия. В результате численного решения системы уравнений получены параметры паровой пленки для капли воды диаметром 3 мм, имеющей комнатную температуру, плавающей в жидком азоте при атмосферном давлении, а также для медного полусферического нагревателя диаметром 0,01м, погруженного в воду. Кривизна проницаемой для потока массй стенки паровой пленки зависит от теплового потока в отличие от задач гидростатического равновесия, где источника теплоты нет. Сопоставление расчетных кривых с результатами обработки экспериментальных фотографий показывает качественное и количественное согласование формы и кривизны границы раздела фаз пар - жидкость в рассматриваемом диапазоне параметров.
Для проведения экспериментальных исследований по изучению динамики межфазной поверхности гелия II в условиях невесомости предложена схема ячейки с размещением цилиндрического нагревателя внутри коаксиальной пористой оболочки. Для разработанной физической модели сформулировано соответствующее математическое описание и получены зависимости радиуса паровой пленки от времени в диапазоне тепловых о а "7 нагрузок нагревателя 10-10 Вт/м . Как показывает расчет, при определенных структурных характеристиках материала пористой среды устанавливается стационарное состояние паровой пленки. При этом разность давлений по жидкости зависит от теплового потока. Размер паровой пленки тем больше, чем меньше гидравлическое сопротивление пористой оболочки. Сравнение результатов анализа эволюции паровой пленки на Земле и в условиях невесомости выявило принципиальное отличие характера протекания процессов тепломассопереноса, а именно отсутствие колебаний межфазной поверхности пар - жидкость в условиях невесомости. Сопоставление расчетных данных с известным экспериментальным материалом показывает согласование стационарных характеристик пленочного кипения сверхтекучего гелия на Земле.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ
РАБОТАХ
1. Селянинова Ю.Ю., Крюков А.П. Расчет модели экспериментальной системы для изучения кипения сверхтекучего гелия в невесомости. // Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика». Тезисы докладов. — М.: Издательство МЭИ, 2002. - Т.З. - С. 141-142.
2. Селянинова Ю.Ю., Крюков А.П. Движение межфазной поверхности Не-11 - пар внутри капиллярно-пористой структуры. // Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика». Тезисы докладов. - М.: Издательство МЭИ, 2003.-Т.З.-С. 30-31.
3. Селянинова Ю.Ю., Крюков А.П. К расчету тепломассопереноса при кипении сверхтекучего гелия внутри структуры с регулярными каналами. // Труды XIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» - М.: Издательство МЭИ, 2003.-Т.1.-С. 313-316.
4. Дергунов И.М., Королев П.В., Крюков А.П., Селянинова Ю.Ю. Кипение Не II в пористой структуре при микрогравитации: модельное представление. // Физика низких температур (на английском языке Low temperature physics), 2003, - Т. 29, № 6. - С. 653-658.
5. Селянинова Ю.Ю., Крюков А.П. Влияние гидравлического сопротивления пористого тела на рост паровой пленки при кипении сверхтекучего гелия // Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика». Тезисы докладов. - М.: Издательство МЭИ, 2004. - Т.З. - С. 27-28.
6. Селянинова Ю.Ю., Крюков А.П. Особенности тепломассопереноса при росте паровой пленки внутри пористой оболочки, заполненной гелием II. //
Труды V Минского международного форума по тепломассообмену. - CD-ROM publications. ГНУ «ИТМО им.А.В. Лыкова» НАНБ. Минск, 2004. - 5-33
7. Селянинова Ю.Ю., Крюков А.П. Подход к определению формы межфазной поверхности в условиях сильной неравновесности // Одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика». Тезисы докладов. — М.: Издательство МЭИ, 2005. - Т. 3. - С. 73-74.
8. Селянинова Ю.Ю. Крюков А.П. Определение формы осесимметричной межфазной поверхности в сильнонеравновесных условиях // Труды XV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». - М.: Издательство МЭИ, 2005. — Т.1. - С. 272— 275.
1. G. Ahlers. Opportunities for High-Resolution Measurements and Microgravity Research near the Superfluid Transition of Liquid 4He. // Journal of Low Temperature Physics. 1998. - vol. 113, Nos. 5/6. - P. 835-847.
2. Atmane M.A., Murray D.B. Bubble dynamics in nucleate boiling around a cylinder. // Exp.Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics. — 2001. P. 1343-1348.
3. Berthoud G., Vapor explosion. // Annual Review of Fluid Mechanics. 2000. -Vol. 32.- P. 573-611.
4. Furuya M., Matsumura K., Kinoshita I. A Linear Stability Analysis of a vapor Film in Terms of the Triggering of Vapor Explosion. // Journal of Nuclear Science and Technology. -2002. Vol.39, No. 10. - P. 1026-1032.
5. Glod S., Poulikakos D., Zhao Z., Yadigaroglu G. An investigation of microscale vaporization of water on an ultrathin Pt wire. // Int. J. of Heat and Mass Transfer. 2002. - №45 - P. 367-379.
6. Gorter C.J., Mellink J.H. On the irreversible processes in liquid helium II // Physica. 1949. - Vol. XV, No. 3^1. - P. 285-304.
7. Khurtin P.V. and A.P. Kryukov. Some models of Heat Transfer at Film Boiling of Superfluid Helium Near Appoint in Microgravity // Journal of Low Temperature Physics.-2000.-Vol. 119, Nos. 3/4. P. 413^120.
8. Measuring the heat capacity of superfluid He4 in the presence of a heat flux near Tx. / A.W. Harter at al. // Journal of Low temperature Physics. 1998. - Vol. 113,Nos. 3/4.-P. 549-554.
9. 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.
10. Preliminary results from a Shuttle Mission to measure the heat capacity of confined helium near the lambda point. / J.A. Lipa at al. // Journal of Low Temperature Physics. 1998. - vol. 113, Nos 5/6. - P. 849-860.
11. Rayleigh O.M., On the pressure developed in liquid during the collapse of spherical cavity // Phy. Mag., 1917. - Vol. 34, No.200. - P. 94-98.
12. Van Sciver S.W. Helium Cryogenics. New York - London. Plenum press, 1986-XXII,-429p.
13. Van Sciver S.W. Heat transfer in superfluid helium II // Proceedings of the Int. Cryogenic Eng. Conference 8-th Genova. Butterworth Scientific London, 1980. -P. 228-237.
14. Zhao Z., Glod S., Poulikakos D., Pressure and power generation during explosive vaporization on a thin film microheater // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2000. - Vol. 43. - P.281-296.
15. Аметистов Е.В. Григорьев В. А. Теплообмен с Не II — М: Энергоатомиздат, 1986- 144с.
16. Аметистов Е.В., Дмитриев А.С. Монодисперсные системы и технологии.- М.: Издательство МЭИ, 2002. 392с.
17. Амосов А.А. Дубинский Ю.А. Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. Учебное пособие для втузов. М: Высшая школа, 1994. — 544с.
18. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие излучения большой мощности на металлы. — М.: Наука, 1970.
19. Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. М.: Машиностроение, 1981.-247с.
20. Биглари Моджтаба. Исследование процессов переноса в паровых пленках, образующихся при взаимодействии нагретых тел с криогенными жидкостями. // Диссертация кандидата технических наук. М.: МЭИ, 2004. — 113с.
21. Боришанский В.М., Арефьев К.М., Палеев И.И., Техтилов Р.Т. О пленочном кипении жидкости в сфероидальном состоянии при свободном растекании по поверхности // Труды ЦКТИ. 1962. - Т. 62. - С. 78-83.
22. Веркин Б.И., Кириченко Ю.А., Русанов К.В.,Теплообмен при кипении криогенных жидкостей. Киев: Наук. Думка, 1987. — 264с.
23. Витков Г.А., Холпанов Л.П., Шерстнев С.Н. Гидравлическое сопротивление и тепломассообмен. М.: Наука, 1994. - 288с.
24. Гидромеханика невесомости // Под. ред. Мышкиса А.Д. М.: Наука, 1976.-506с.
25. Гиневский А.Ф., Фетисов Ф.А. О взаимодействии горячей сферической капли с поверхностью холодной жидкости // Труды третьей Российской Национальной конференции по тепломассообмену. М.: Издательство МЭИ, 2002.-Т. 8.-С. 61-62.
26. Горбунов А.А., Дергунов И.М., Крюков А.П. Эволюция паровой полости при кипении сверхтекучего гелия. // Труды Второй Российской национальной конференции по теплообмену. М.: Издательство МЭИ, 1998. - Т. 4. — С.80-83.
27. Григорьев B.C., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Глазков
28. B.В., Синкевич О.А. Поведение паровой пленки на сильно перегретой поверхности, погруженной в недогретую воду // ТВТ. 2005. - Т.43, №1.1. C. 100-114.
29. Домбровский JI.A., Зайчик Л.И. Динамика парового пузыря при тепловом взаимодействии горячей сферической частицы с окружающей водой. // ТВТ. 2000. Т.38, №6. - С.975-984.
30. Домбровский JI.A., 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.
31. Жуков С.А., Афанасьев С.Ю., Ечмаев С.Б. Особенности пленочного кипения недогретой воды на проволочных нагревателях //Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену. — М.: Издательство МЭИ, 2002. Т. 4. - С. 92-95.
32. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.-Л.: «Энергия», 1965.-424с.
33. Капиллярные системы отбора жидкости из баков космических летательных аппаратов / В.В. Багров, А.В. Курпатенков, В.В. Поляев и др. М.: УНПЦ Энергомаш, 1997 - 328с.
34. Кириллов П.Л., Богословская Г.П. Теплообмен в ядерных энергетических установках. — М.: Энергоатомиздат, 2000. 456с.
35. Клименко А.В., Синицын А.Г. Плавание сферы с температурой, превышающей температуру предельного перегрева жидкости // Тр. Моск. Энерг. ин-та. 1984. - вып. 34. - С. 104-112.
36. Клименко А.В., Синицын А.Г. Теплоотдача при пленочном кипении на поверхности свободно плавающих сфер // Тр. Моск. Энерг. ин-та. 1986. — вып. 161.-С. 78-87.
37. Коган М.Н., Макашев Н.К. Роль слоя Кнудсена в теории гетерогенных реакций и в течениях с реакциями на поверхности // Изв. АН СССР. МЖГ. — 1971.-№6.-С. 3-11.
38. Коган М.Н., Носик В.И., Русьянов Д.А. О взаимодействии звуковой волны с испаряющейся поверхностью. // Труды X Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов. М.: Издательство МЭИ, 1991. - Т. 3. - С. 179— 185.
39. Конев С.В., Олехнович В.А. Экспериментальное исследование пульсирующей капиллярной тепловой трубы. // CD-ROM publications. Труды V Минского международного форума по тепломассообмену. Мн.: ГНУ «ИТМО им.А.В. Лыкова» НАНБ, 2004. - 5-29.
40. Королев П.В., Крюков А.П. Движение сверхтекучего гелия в капилляре с паром при наличии продольного теплового потока. // Вестник МЭИ. — 2002. — №1- С.43-46.
41. Крюков. А.П. Движение жидкости в канале с паром при наличии продольного теплового потока // ТВТ. 2000. - Т. 38, №6. - С. 945-949.
42. Крюков А.П., Ястребов А.К. Анализ процессов переноса в паровой пленке при взаимодействии сильно нагретого тела с холодной жидкостью // ТВТ. 2003. - Т. 41, №5. - С. 771-778.
43. Лабунцов Д.А. Современные представления о механизме пузырькового кипения жидкостей. // Теплообмен и физическая гидродинамика. — М.: Наука, 1974.-С. 98-115.
44. Лабунцов Д.А. Физические основы энергетики. Избранные труды по теплообмену, гидродинамике, термодинамике. М.: Издательство МЭИ, 2000. -388с.
45. Лабунцов Д.А., Крюков А.П. Процессы интенсивного испарения. // Теплоэнергетика. 1977. - №4. - С. 8-11.
46. Лабунцов Д.А., Крюков А.П. Отражение звука от свободной поверхности жидкости // ТВТ. 1987. - Т. 25, №3. - С. 536-543.
47. Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных систем: Учебное пособие для вузов. М.: Издательство МЭИ, 2000. - 374с.
48. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.6. Гидродинамика,— М.: Наука, 1988.-736с.
49. Межов-Деглин Л.П. Физика низких температур в условиях микрогравитации. Итоги семинара CWS-2002. // УФН. 2003. - Т. 173, №1. -с.97-102.
50. Муратова Т.М., Лабунцов Д.А. Кинетический анализ процессов испарения и конденсации // ТВТ. 1969. - Т. 7, № 5. - С. 959-967.
51. Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г., Шрейбер И.Р. Распространение волн в газо- и парожидкостных средах. Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН СССР, 1983.-238с.
52. Нигматулин Б.И., Кузма-Кичта Ю.А., Булкина Н.А., Устинов А.К., Молошников А.С., Рыхлик B.C. Исследование колебаний границы раздела фаз и механизма переноса тепла при пленочном кипении // ТВТ. 1994. — Т. 32, №2. - С. 255-260.
53. Павлюкевич Н.В. Введение в теорию тепло- и массопереноса в пористых средах. Мн.: Ин-т тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАНБ, 2002. — 204с.
54. Пейнтер Г. Жидкость в условиях невесомости // Двигательные установки ракет на жидком топливе М.: Мир, 1966. - С. 149-199.
55. Прибатурин Н.А., Алексеев М.В. Эволюция давления и температуры при внезапном контакте пара с холодной жидкостью // CD-ROM publications. XXVII Сибирский теплофизический семинар. Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2004-№119.
56. Свойства жидкого и твердого гелия. / Б.Н. Есельсон, В.Н. Григорьев, В.Г. Иванцов, Э.Я. Рудавский, Госстандарт ГСССД М: Издательство стандартов, 1978.-128с.
57. Синицын А.Г. Разработка метода расчета процесса замораживания капель применительно к криодисперсной технологии. // Диссертация кандидата технических наук. -М.: МЭИ, 1990. 142с.
58. Спиридонов А.Г. Экспериментальное исследование теплоотдачи к сверхтекучему гелию. // Диссертация кандидата технических наук. — М.: МЭИ, 1981.-168с.
59. Справочник по физико-техническим основам криогеники / М.П. Малков, И.Б. Данилов, А.Г. Зельдович, А.Б. Фрадков; Под ред. М.П. Малкова. М.: Энергоатомиздат, 1985.-432 с.
60. Теория тепломассообмена. / С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др. Под ред. А.И. Леонтьева. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. -683с.
61. Теплообмен в ЯЭУ / Г.С. Петухов, Л.Г. Генин, С.А. Ковалев, С.Л. Соловьев М.: Издательство МЭИ, 2003 - 548 с.
62. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. — М.: Атомиздат, 1979.-216 с.
63. Черкасов С.Г., Черкасова А.С. Одномерный теплоперенос в газе с учетом эффектов, обусловленных тепловым расширением // Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену. М.: Издательство МЭИ, 2002. -Т. З.-С. 151-154.
64. Экспериментальные исследования взаимодействия расплавов термитных смесей и свинца с водой. / Загорулько Ю.И., Ремизов О.В., Мелешко Ю.П., Козлов Ф.А., Наливаев В.И., Капинос Г.А., Харитонов С.Р. // Теплоэнергетика. 1998.-№ 3-С. 20-26.
65. Ягов В.В. Аналитическое решение задачи о росте парового пузыря в однородно перегретой жидкости при больших числах Якоба. // Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену. М.: Издательство МЭИ, 2002. - Т. 4. - С. 203-206.
66. Ястребов А.К., Крюков А.П., Решение уравнения Больцмана для задач теплопереноса в паровой пленке.// Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену. М.: Издательство МЭИ, 2002. - Т.8.- С.148-151.
