Создание комплексов аппаратно-программных средств и исследование нестационарных тепловых процессов в системах с нормальным и сверхтекучим гелием тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

р^Б^ЕДЩДЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

/ Ч СЕН 1995

13-95-291

На правах рукописи УДК 536.24.08

МИНАШКИН Владимир Фёдорович

СОЗДАНИЕ КОМПЛЕКСА АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ И ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ С НОРМАЛЬНЫМ И СВЕРХТЕКУЧИМ ГЕЛИЕМ

Специальности: 01.04.01 — техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований, 01.04.09 — физика низких температур

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Дубна 1995

Работа выполнена в Лаборатории сверхвысоких энергий Объединённого института ядерных исследований.

Научные руководители: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Филиппов Юрий Петрович .

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Инкин Виктор Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор , Писарев А.Ф.

кандидат технических наук,

доцент МИФИ Харитонов B.C.

Ведущее предприятие - Институт физики высоких энергий, г.Протвино.

Защита состоится "ССпЪяЗ|>31995г. на заседании диссертационного совета Д-047.01.02 в Лаборатории высоких энергий Объединённого института ядерных исследований, г. Дубна, Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛВЭ ОИЯИ. Автореферат разослан "4Е "оЗзЫсХОи 1995г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Лихачёв М.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Последние годы отмечены активным изучением проблемы нестационарной теплопередачи в системе "твёрдое тело - криогенная жидкость". Это вызвано не только дальнейшим развитием теории переноса тепла, но и потребностями передовых технологий: энергетики, космической и ускорительной техники. Например, при эксплуатации современных ускорителей возможна спонтанная генерация нормальной зоны в сверхпроводящих обмотках магнитов и их разрушение, в связи с чем количественная информация о нестационарной теплопередаче к жидкому гелию становится весьма важной. Кроме того, довольно высокая стоимость сверхпроводящих магнитов и систем криогенного обеспечения побуждает разработчиков к предварительной оптимизации этих устройств, проводимой на моделях. Что касается имеющихся экспериментальных данных по нестационарной теплопередаче к жидкому гелию, то приходится признать их недостаточность, неполноту, зачастую и невысокую точность. Особо следует отметить, что влияние формы теплового импульса и геометрии эксперимента* на динамику тепловых процессов в нормальном и сверхтекучем гелии практически не изучено, что связано с отсутствием соответствующего экспериментального оборудования и методик организации экспериментов. Таким образом, работа по созданию экспериментального оборудования и получению на нём экспериментальных данных будет актуальна.

Цель работы состояла в разработке, создании и практическом применении комплекса аппаратно - программных средств (КАПС) для получения экспериментальных данных по динамике тепловых процессов в нормальном и сверхтекучем гелии с учётом следующей особенности: в качестве экспериментальных образцов должны использоваться тепловыделяющие элементы (ТВЭ), поверхности которых служат одновременно и малоинерционными датчиками температуры. Для нормального и сверхтекучего гелия КАПС должен обеспечивать проведение исследований по влиянию формы теплового импульса и геометрии эксперимента на характеристики нестационарной теплопередачи как в режимах нагрева, так и охлаждения.

* Здесь и далее по тексту под геометрией эксперимента понимается: именно геометрия твёрдого тела (плоская, цилиндрическая, сферическая); конфигурация теплопередачи (жидкость в большом объёме - нагреватель, жидкость в стеснённых условиях - нагреватель); распределение энерговыделения по объёму/поверхности нагревателя.

Научная новизна работы

- Впервые в исследованиях характеристик нестационарной теплопередачи в системах с нормальным и сверхтекучим гелием при применении экспериментальных образцов на основе ТВЭ в виде малоинерционных нагревателей - термометров с помощью входящего в состав КАПС специально созданного усилителя мощности обеспечено постоянство во времени мощности джоулева тепловыделения в ТВЭ. Для этих условий решена задача измерения температуры тепловыделяющей поверхности как во время нагрева, так и в процессе охлаждения с контролем подводимой мощности. Предложена и создана многоканальная электронная система и пакет программных средств, которые позволяют исследовать пространственные характеристики нестационарной теплопередачи. Внедрены оригинальные методики с соответствующей аппаратурой и программным обеспечением для подготовки системы к экспериментам и проведения исследований.

- Для организации связи аппаратуры криогенного стенда с удалённой (до 500 метров) ЭВМ в условиях сильных электромагнитных помех разработаны и созданы структура информационных сообщений и комплект аппаратуры, обеспечивающий обмен информацией последовательным кодом по одному коаксиальному кабелю с использованием широтно - импульсной модуляции с производительностью линии связи до 10 Кбайт/с. Высокая помехозащищённость при передаче информации достигается модуляцией сигналов, их синхронизацией, структурой информационного сообщения, аппаратно - программным контролем проверки правильности передаваемого сообщения (контроль по чётности и по количеству импульсов). Число крейтов КАМАК, подключаемых этой аппаратурой, составляет от одного до четырёх.

- В исследованиях нестационарной теплопередачи в системе "твёрдое тело - нормальный гелий" при нагрузках, близких к стационарной величине кризиса кипения, обнаружена область тепловой неустойчивости, в пределах которой наблюдается ряд нелинейных эффектов.

Практическая ценность работы

Экспериментальные данные о нестационарных тепловых процессах под воздействием теплового импульса трапецеидальной формы при регулируемой длительности переднего фронта послужили основой для построения карты режимов нестационарной теплопередачи в нормальном гелии.

На основе экспериментальных данных по-исследованию нестационарной теплопередачи к вынужденным потокам двухфазного гелия от шестиканального образца количественно оценено различие в

интенсивности процесса теплоотдачи для разных характерных зон, что позволяет получать информацию о пространственных характеристиках нестационарной теплопередачи, например, при расслоённом режиме течения.

Экспериментальные данные по динамике тепловых процессов в нормальном и сверхтекучем гелии в режимах нагрева и охлаждения могут быть полезны при анализе условий генерации, эволюции и коллапса нормальной зоны в сверхпроводниках.

На основе полученных данных установлен линейный характер зависимости критической энергии образования квантовых вихрей от

/О /

размера канала со сверхтекучим гелием.

В настоящее время разработанная электронная аппаратура и пакет программных средств продолжают использоваться для дальнейшего углубления и расширения исследований по нестационарной теплопередаче к нормальному и сверхтекучему гелию. Кроме того, аппаратура связи с удалённой ЭВМ также использовалась и в системе управления ускорителя

КуТ ило/

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-методических семинарах ЛСВЭ ОИЯИ, на 6-й Всесоюзной конференции "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ" (Новосибирск, 1981 г.), на Международном симпозиуме "Теплообмен в криогенных системах" (Харьков, 1985 г.), на 13 Международной конференции по ускорителям частиц высоких энергий (Новосибирск, 1987 г.), на конференции по криогенной технике (США, 1990 г.). По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 84 страницы текста, 38 рисунков и список литературы из 38 наименований.

Содержание диссертации В первой главе кратко рассматривается организация

экспериментальных исследований нестационарной теплопередачи в нормальном (Hei) и сверхтекучем гелии (Heil). Исследование нестационарных тепловых процессов большей частью сводится к получению при разных условиях экспериментов (ориентации образца, его геометрии, материалов, давления в Не и т.д.) зависимостей вида AT(t,Q)=T (t,Q)-T , где t - время, Q - плотность теплового потока

НОВ ж

на единицу тепловыделяющей поверхности (в свою очередь Q=Q(t)), TnQß - температура тепловыделяющей поверхности, т - средняя температура жидкости в рассматриваемом объёме (рис.1). Особо следует отметить,

дт

СТРОБЫ В АЦП

КЕРАМИЧЕСКАЯ ПОДЛОИА

-ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬ (углеродная плёнка)

1 1 МП 1 II II

НАГРЕВ ОХЛАЖДЕНИЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ОБРАЗЕЦ

Рис.1. Пример организации исследований теплопередачи.

нестационарном

что для корректного определения причины изменения температуры поверхности ТВЭ в ряде экспериментов требуется обеспечить стабилизацию мощности тепловыделения ТВЭ, т.е. использовать мощность тепловыделения в качестве параметра.

Построение аппаратуры и разработка соответствующего программного обеспечения в значительной мере определяется типом и характеристиками используемых экспериментальных образцов. В исследованиях, проводимых на криогенном стенде ЛСВЭ ОИЯИ, предпочтение отдано экспериментальному образцу, построенному на основе ТВЭ, у которых тепловыделяющая поверхность выполнена из тонкой углеродной плёнки, которая служит одновременно малоинерционным нагревателем и высокочувствительным

термопреобразователем. Конструктивно образец представляет собой вакуумированную керамическую трубку с напылённой на её поверхность плёнкой. Сопротивление плёнки в рабочем диапазоне температур (1-5-^5-5 К) составляет от 6 кОм до 1 кОм и обладает отрицательным температурным коэффициентом, время тепловой реакции менее 100 не. В зависимости от решаемой задачи экспериментальный образец может иметь от одного до шести тепловыделяющих элементов, что даёт возможность исследовать пространственные характеристики теплопередачи (например по длине и углу ТВЭ ).

В заключительной части первой главы поставлены задачи для отдельных частей КАПС для исследования нестационарной теплопередачи с учётом характеристик ТВЭ и планируемых экспериментов. При решении

этих задач учитывалась необходимость максимального использования уже разработанной аппаратуры и поэтапный ввод системы в эксплуатацию с целью скорейшего получения экспериментальных данных. Кроме того, для выбора оптимальных режимов работы и контроля в системе предусматривалась возможность вывода предварительных результатов исследования в удобном виде и записи данных на долговременное устройство хранения для последующей обработки.

В планируемых экспериментах предполагалось получать в ТВЭ тепловые потоки с удельной мощностью в диапазоне <3=60060000 Вт/м^. При этом необходимо производить измерение температуры тепловыделяющей поверхности ТВЭ как в режиме нагрева, когда выделяется значительная мощность, так и в режиме охлаждения, начиная через несколько микросекунд после снятия мощности. Исходя из размеров теплоотдающей поверхности применяемых экспериментальных образцов и их сопротивления электрическому току, это требование приводит к необходимости использования устройства питания ТВЭ с выходной мощностью до 40 Вт. В большинстве случаев стандартная управляющая аппаратура имеет маломощные выходные сигналы и поэтому в качестве устройства питания должен использоваться усилитель мощности, обеспечивающий усиление управляющего сигнала до необходимого уровня. Для выполнения основного требования к аппаратуре - обеспечения постоянства рассеиваемой в ТВЭ джоулевой мощности - усилитель мощности (УМ) должен снабжаться режимом стабилизации мощности с точностью не хуже 4%. При этом минимально допустимый фронт импульсов мощности на нагрузке не должен превышать 20 мкс с длительностью самих импульсов мощности в пределах от 100 микросекунд до десятков минут. Кроме этого, в УМ необходимо иметь выходные нормированные сигналы, амплитуда которых несёт информацию о величине нагрузки и уровне мощности в ней. Эти величины должны измеряться с погрешностью не более 4%. Для повышения надёжности работы системы в целом УМ должен обладать эффективной защитой от перегрузок.

Аппаратура управления должна, в основном, выполнять две функции: задание параметров импульсов мощности, и организация измерения сигналов, несущих информацию о величине сопротивления ТВЭ (т.е. температуры теплоотдающей поверхности) и уровне мощности в ней в определённые моменты времени. При этом требуется интервал между измерениями от 30 мкс и более; число экспериментальных точек за один цикл "нагрев-охлаждение может достигать 8><10 .

В системе требуется предусмотреть также устройства, обеспечивающие необходимые точности задания уровня мощности и определения величины сопротивления ТВЭ в условиях эксплуатации

многоканальной системы. Таким образом, в составе электронной системы должны также находится высокоточное сопротивление, имитирующее сопротивление ТВЭ, эталонные приборы для калибровки и устройство, обеспечивающее согласование этих вспомогательных элементов с другими частями электронной системы.

Оптимальное использование аппаратуры системы при выполнении поставленных задач может быть достигнуто только в результате применения специально разработанных методик и программного обеспечения экспериментов. С этой целью необходимо произвести анализ режимов питания ТВЭ, разработать методики калибровки управляющих и измерительных каналов, а также методику подготовки системы в целом и программного обеспечения для исследования влияния параметров импульса мощности на характеристики нестационарной теплопередачи.

В связи с тем, что на первом этапе создания на криогенном стенде ЛСВЭ ОИЯИ системы для исследований из-за специфики этого стенда аппаратура системы и ЭВМ, управляющая этой системой, с периферийным оборудованием находились в разных помещениях с расстоянием между ними до 100 метров, требовалось обеспечить надёжную связь между ними в условиях значительных электромагнитных помех.

Во второй главе приведена информация о структуре и составных частях разработанной и созданной системы (рис.2) на криогенном стенде ЛСВЭ ОИЯИ для исследований динамики тепловых процессов. В системе условно можно выделить несколько частей:

- усилители мощности (УМ1*УМ6), которые усиливают по мощности управляющие сигналы и формируют нормированные сигналы, несущие информацию о величине нагрузки и выделяющейся в ней мощности;

- подсистема управления (ГУИ, ГАС, АЦП), которая согласно разработанным алгоритмам задаёт мощность в ТВЭ с различными законами изменения во времени, а также организует в определённые моменты времени измерение сопротивления этих ТВЭ ;

- аппаратура калибровки (БД, ЦВ, кэкв)> которая обеспечивает необходимые параметры системы периодической калибровкой управляющих и измерительных каналов по разработанным методикам;

- ЭВМ с периферийным оборудованием и аппаратурой связи, которая управляет элементами системы.

Одним из основных элементов системы является усилитель мощности (рис.3). В зависимости от решаемой задачи их число может быть от одного до шести. Конструктивно УМ выполнен в механике стандарта КАМАК, что облегчает изготовление и совместимость УМ с применяемой на криогенном стенде аппаратурой в стандарте КАМАК.

[аппаратура связи

графопостроитель

Н интерфейс ЦВ

цифровой вольтметр

имитатор ТВЭ

I-I П_

-| интерфейс БА | -1 блок адаптера (БА) С"

{

АЦП

_генератор _

управляющих импульсов (ГУН)

__генератор __ ^аналоговых __ сигналов (ГАС)

усилитель мощности 1

магистраль КАМАК Рис.2. Структурная схема системы.

усилитель мощности 6

шестиканальныи экс периментальный образец

гелии

* ♦

УМ состоит из пяти блоков, соединённых шиной, которая расположена на задних панелях блоков. Управление работой УМ, связь с нагрузкой и съём сигналов, пропорциональных току и напряжению в нагрузке, осуществляется с передних панелей блоков. Особенность УМ состоит в том, что он имеет два режима стабилизации - мощности и напряжения. На нагрузке 1+6 кОм диапазон выходных напряжений УМ составляет от 0+100 В и 0+200 В с рабочими областями 20+100 В и 100+200 В соответственно. Максимальная выходная мощность УМ - 40 Вт, нестабильность мощности ¿4%- Минимальная длительность фронтов импульсов мощности в режиме стабилизации мощности не превышает 20 мкс, а в режиме стабилизации напряжения ^10 мкс. Максимальная длительность импульсов не ограничена (определяется только условиями

Рис.3. Усилитель мощности. БлТр - блок трансформаторов, БлПН -блок питающих напряжений, БлУМ - блок усилителя мощности, БлС - блок согласования, БлНЗ - блок нагрузок и защиты.

эксперимента). Так как от УМ требуется значительное быстродействие при довольно большой выходной мощности с высокими требованиями по точности стабилизации мощности в широком диапазоне изменения нагрузки, то встаёт проблема обеспечения устойчивой работы УМ, т.е. отсутствие самовозбуждения при максимально достижимом быстродействии и точности стабилизации. Для решения этой задачи ' составлялась динамическая модель УМ и исследовалась устойчивость этой модели. Результаты исследований реализованы в схемном решении УМ- Усилитель мощности обеспечивает нормированные выходные сигналы, которые несут информацию о уровне мощности в нагрузке и о величине нагрузки как в режиме нагрева, так и в процессе охлаждения. При этом в процессе охлаждения пропускается только измерительный ток, меньший на два порядка по сравнению с током в режиме нагрева. Следует отметить, что измерение в режиме охлаждения может происходить через несколько микросекунд после окончания режима нагрева.

Назначение блоков УМ следующее. Блок трансформаторов и блок питающих напряжений обеспечивают питание элементов схем и управление режимами работы УМ. Главный узел УМ, обеспечивающий выдачу стабилизированной мощности (напряжения) в нагрузку, располагается в блоке усилителя мощности. Блок согласования служит для организации измерения величины сопротивления ТВЭ в режиме охлаждения. Блок нагрузок и защиты содержит набор сопротивлений из

8

рабочего диапазона для настройки и проверки работы БлУМ и схему, отвечающую за защиту УМ от перегрузок. Кроме того, для проверки динамических свойств УМ используется специально разработанная для этого случая активная нагрузка, создающее ступенчатое (с фронтом ^ 2 мкс) изменение величины нагрузки.

Управление УМ осуществляется двумя видами сигналов - аналоговым сигналом в диапазоне 0-5 В, задающим уровень мощности в нагрузке (поступаете ГАС), и сигналом тть уровня, который служит для управления длительностью импульса мощности (поступает с ГУН).

ГАС состоит из блока памяти, в котором хранятся коды формы и уровня аналогового сигнала на выходе ГАС, устройства сопряжения памяти с блоком шестиканального цифро-аналогового преобразователя (рис.4). Синхронная работа блоков обеспечивается с помощью импульсов, поступающих с ГУИ.

Рис.4. Структурная схема генератора аналоговых сигналов.

Генератор управляющих импульсов (рис.5) задаёт длительность импульса мощности на нагрузке, временное положение и количество импульсов запуска АЦП, а также импульсы для организации в ГАС управляющих аналоговых сигналов для УМ.

Получение требуемых характеристик электронной системы достигается периодической калибровкой управляющих и измерительных каналов. Разработанная для этого аппаратура с соответствующими методиками состоит из переменного высокоточного эквивалентного сопротивления

ГЕНЕРАТОР ОПОРНЫХ ЧАСТОТ

ГЕНЕРАТОР СЕРИЙ

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ

£

УМ1-УМ6

ГАС

АЦП

МАГИСТРАЛЬ КАМАК Рис.5. Структурная схема генератора управляющих импульсов.

Еэкв' с помош^ю которого имитируется ктвэ> цифрового вольтметра (ЦВ) с контроллером связи и блока адаптера (БА), посредством которого производятся необходимые подключения. Отличительная особенность применяемой аппаратуры состоит в том, что переход из режима калибровки в режим работы и обратно осуществляется без дополнительных коммутаций, что значительно упрощает процесс калибровки и сокращает его время. Это особенно важно в случае использования многоканальной системы.

В третьей главе рассматривается организация связи аппаратуры криогенного стенда с ЭВМ. Специфика криогенного стенда состоит в том, что он включает большое количество мощных силовых установок (компрессоры, электромоторы, вакуумные насосы и т.д.), которые создают высокий уровень вибраций и значительные электромагнитные помехи. Поэтому необходимо было предварительно подготовить специальное место, чтобы ослабить эти отрицательные воздействия на аппаратуру со стороны силовых установок. В связи с этим на первом этапе ЭВМ с периферийным оборудованием и аппаратура криогенного стенда располагались в разных помещениях. Расстояние между этими помещениями было около 100 метров. На этом этапе создания системы связь аппаратуры с ЭВМ была организована с помощью специально разработанной для таких случаев аппаратуры расширения ветви КАМАК. В окончательном варианте после двухлетней модернизации криогенного стенда ЭВМ была установлена на криогенном стенде и, соответственно, связь с аппаратурой осуществлялась стандартными для данного типа ЭВМ средствами. При этом сохранена возможность перестройки системы на случай удалённых измерений.

Комплект аппаратуры расширения ветви КАМАК состоит из основных (Ml, М2) и сервисных блоков, облегчающих настройку и эксплуатацию аппаратуры (имитатор команд блока Ml, блок индикации содержимого линии связи блоков Ml и М2, блок десятичной индикации шин R, w магистрали КАМАК). Модуль Ml включается в крейт ветви КАМАК и обслуживает от одного до четырёх крейтов с контроллерами М2. Обмен информацией происходит последовательным кодом .по одному коаксиальному кабелю с использованием широтно - импульсной модуляции (рис.6).

Диалог между Ml и М2 построен по принципу "Команда - Ответ" независимо от вида выполняемой в крейте команды и один -цикл занимает 0.5 мс. Сообщение типа "Команда" содержит информацию вида (С; n; a; f; data), а сообщение типа "Ответ" - (х; q; l; data). Знак "'" указывает, что символы относятся к крейтам расширения ветви КАМАК. Под данные data отведено 16 разрядов. Обмен информацией сопровождается контролем по чётности и количеству импульсов. В блоке Ml реализован режим "Поиск L"'. Блоки Ml и М2 при имеющихся в них схемах ввода/вывода могут работать при расстоянии между ними до 500 метров. К числу достоинств применения созданного комплекта аппаратуры для организации связи следует отнести высокую помехоустойчивость, лёгкость организации связи и наличие сервисных блоков, повышающих эффективность эксплуатации этой аппаратуры. При

КРЕЙТ-КОНТРОЛЛЕР

Рис.6. Организация связи и временные соотношения информационных импульсов.

этом высокая надёжность безошибочной передачи в этой системе достигается комплексно: высокий уровень сигнала при широтно -импульсной модуляции, выполнение команды в управляемом крейте только в случае правильности приёма информации, контроль по чётности информационного сообщения и по количеству импульсов в нём, предварительная начальная установка в блоке М2 перед приёмом каждого информационного сообщения, синхронизация.

Четвёртая глава посвящена методикам организации экспериментов. В начале главы проводится оценка режимов питания экспериментального образца, имеющего в зависимости от решаемой задачи от одного до шести ТВЭ, с целью определения оптимального режима работы УМ. Показано, что в случае использования мощности тепловыделения в качестве параметра при исследованиях с применением ТВЭ с совмещённым нагревателем - термодатчиком (сопротивление нагрузки УМ в этом случае находится в диапазоне 1+6 кОм) наиболее оптимальным является работа УМ в режиме стабилизации мощности (погрешность менее 4%, которая определяется характеристиками УМ). При использовании режимов стабилизации напряжения или тока относительное изменение мощности тепловыделения будет соответственно около 500% и свыше 80%.

В следующей части этой главы приведена методика калибровки управляющего канала, цель которой состоит в определении зависимости РВЫХ=£(И), где N - код соответствующего управляющего канала ЦАПа. Отличительная особенность калибровки заключается в том, что эквивалентное сопротивление выберётся максимальным из рабочего диапазона. Связано это со свойствами ТВЭ и характеристиками УМ.

Следует отметить, что измерение сопротивления ТВЭ в режиме нагрева и охлаждения осуществляется разными способами, поэтому и методики калибровки измерительных каналов различны для каждого режима.

Измерение сопротивления ТВЭ и уровня мощности в ней в режиме нагрева производится путём одновременного определения мгновенных значений сигналов, пропорциональных току и напряжению в ТВЭ. Применение такой организации измерений дополнительно повышает достоверность результатов. В задачу калибровки входит определение зависимостей вида ^=£(1 ) и нц=£(ин), где и - коды соответствующих АЦП, 1Н и ин - ток и напряжение на сопротивлении ТВЭ. Отличительная особенность применяемой методики состоит в том, что зависимости по току и напряжению снимаются одновременно за один цикл по всему диапазону, что существенно сокращает время калибровки. Достигается это выбором определённого значения и использованием режима стабилизации напряжения УМ.

Цель калибровки измерительного канала в режиме охлаждения

заключается в получении зависимости N=£(1? _), где N - код АЦП, измеряющего ток в ТВЭ, ^ -сопротивление имитирующее ТВЗ. В этом случае особенность состоит в том, что на ТВЭ подаются измерительные импульсы напряжения (амплитудой 6 В и длительностью 1СК20 мкс) и определяется величина тока в ТВЭ.

Следует отметить, что полученные в результате калибровок измерительных каналов зависимости ы^с^), ыц= ^(ин) и ы=£(Кэкв) были нелинейны. Поэтому при измерениях применялась кусочно линейная аппроксимация этих зависимостей. Число узловых точек в каждом конкретном случае выбиралось исходя из требуемой точности измерения.

>—

НЕТ

Рис-7. Блок-схема алгоритма проведения исследований.

Далее в этой главе рассмотрена методика подготовки электронной аппаратуры для проведения экспериментов по исследованию влияния параметров импульсов мощности на характеристики нестационарной теплопередачи. Применяемая методика позволяет провести тестирование отдельных частей системы и предварительную отработку параметров управляющих сигналов на кэкв с последующим переключением на ТВЭ. Такая методика даёт возможность существенно сократить затраты и время на получение экспериментальных данных.

В конце главы приводится программное обеспечение, которое управляет работой системы в режимах калибровки, сбора данных и предварительного отбора данных с использованием графического представления результатов.

В пятой главе представлены некоторые результаты, полученные на

криогенном стенде ЛСВЭ ОИЯИ при использовании созданного комплекса аппаратно - программных средств. Эксперименты проводились с нормальным и сверхтекучим гелием при различных ориентациях экспериментальных образцов, в свободных условиях и в так называемых "стеснённых" условиях, когда образец помещали в канал, расположенный вокруг теплоотдающей поверхности. В этой главе приводятся те результаты, которые отражают основные характеристики созданной системы. Эти результаты получены как в соавторстве, так и отдельно другими сотрудниками ЛСВЭ ОИЯИ.

Закономерности теплопередачи к вынужденным потокам двухфазного

гелия при стационарном и импульсном нагреве исследовались в

работе^Л Условия эксперимента были следующими: массовая скорость

т=25+110 кГ/м^с, давление Р=1.25 Па, относительная энтальпия

2

х=-0.1*1, удельные тепловые потоки <3=75-5000 Вт/иг, нагрузки стационарные и импульсные, длительность прямоугольного импульса мощности находилась в пределах от 10 до 25 мс. Проведённые экспериментальные исследования выявили качественные и количественные особенности процесса нестационарной теплопередачи к потоку двухфазного гелия при одиночных импульсах, а также существенное отличие нестационарных характеристик этого процесса по сравнению со стационарными. Это особенно заметно на начальных стадиях процесса для относительно больших величин <Э и х.

В работе/6/ были получены зависимости перегрева дт(ъ,<а) в интервале времён 10 мкс - 1 мин при задании в ТВЭ удельной мощности прямоугольной формы в диапазоне от 0.17 до 10 кВт/м^. Эксперименты проводились в объёме насыщенного гелия при давлениях 0.06-0.18 МПа при горизонтальной и вертикальной ориентациях образца в свободных и стеснённых условиях.

В результате анализа полученных зависимостей лТи,<з) были обнаружены следующие эффекты:

- возникновение ярко выраженных пиков перегрева;

- развитие незатухающих колебаний температуры;

- возможность хода процесса по нескольким путям при неизменной предыстории - ветвление кривых.

Например, на рис.8 область с этими эффектами находится в интервалах перегревов от 1 до 40 К и времён от 100 мс до 64 с.

Следует особо подчеркнуть, что обнаружение этой области стало возможно только при использовании мощности тепловыделения в качестве параметра, т.е. благодаря работе созданного УМ в режиме стабилизации мощности.

Й 10°

10"4 10'3 10"2 10"1 10° 101 102 1,с

Рис.8. Зависимости перегрева дт(ъ,<з), Р=0.1 МПа.

Далее в этой главе представлены результаты7^ ^ экспериментального исследования нестационарных тепловых процессов, протекающих на границе раздела "твёрдое тело - жидкий гелий" под воздействием теплового возмущения трапецеидальной формы. Данные получены при следующих условиях: ориентация образца - вертикальная, гелий насыщенный, температура объёма - 4.23 К, длительность импульса мощности - 6.4 с с мощностью теплового импульса в 0.3+17 Вт, длительность переднего фронта импульса мощности - 20 мкс, 1 мс, 2 мс 10 мс, 100 мс, 200 мс, 1 с.

Результаты продемонстрировали существенное влияние длительности переднего фронта теплового возмущения на процесс теплопередачи. На рис.9 приведено сравнение зависимостей перегрева для двух серий экспериментов.

ю1

10°

Е—~ <1

10"1 10"2

10"4 10"3 10"2 10"1 10° 101

1,с

Рис.9. Зависимости ДТ(1;,<3) для двух значений фронтов (20 мкс и 1 с). Непрерывные линии - границы режимов, прерывистые - данные. Значения мощности зависимостей 1-8 соответственно - 16.7, 10.9, 8-54, 6.4,3.48, 1.34, 0.63,0.33 Вт.

На основе экспериментальных данных авторами этой работы был установлен универсальный характер карты режимов нестационарной теплопередачи и предложен метод точного расчёта границ режимов, а также новая модификация карты режимов.

В работе^/ приведены экспериментальные данные по исследованию нестационарной теплопередачи к вынужденным потокам двухфазного гелия от шестиканального образца, т.е. исследовались пространственные характеристики теплопередачи. Результаты были получены в виде зависимостей перегрева дт поверхности образца от времени t после подачи прямоугольного импульса мощности. Ориентация образца была горизонтальной, а массовая скорость такова, что реализовывались расслоёные режимы течения двухфазного гелия при давлении 1.3x10^ Па.

В результате анализа зависимостей лТи.д) (рис.10) можно выделить характерные режимы нестационарной теплопередачи и оценить

различие в степени интенсивности процессов для верхней и нижней образующих образца, что связано с расслоением потока гелия в охлаждающем канале.

<1

102

ю1

10° 10"1

Р=126 кПа

ч* 'V

• •

ю1 ю2 ю3 ю4 ю5 юб

I, мкс

Рис.10. Зависимости перегрева лти.д) поверхности образца: * -ля верхней образующей, . - для нижней образующей, 1 - 9100 Вт/м^ - 4540 Вт/м2, ш=48 кГ/м2с, х=0.32, Р=126 кПа.

Проводились также эксперименты, в которых в качестве криогента использовался сверхтекучий гелий. Эти эксперименты показали ряд отличий при использовании сверхтекучего гелия по сравнению с нормальным. В частности, авторы этой работы7^''на основе полученных экспериментальных данных определили относительно малое время установления стационарных режимов отвода тепла и сравнительно большое время наступления кризиса. Кроме этого, в определённых условиях получены качественно новые данные: обнаружена область переходов,- характеризующаяся пиками перегрева теплоотдающей поверхности, и следующее за ней ускоренное наступление кризиса, обусловленное турбулизацией сверхтекучего гелия.

Кроме экспериментов по изучению нестационарной теплопередачи в режиме нагрева, проводились исследования характеристик теплопередачи в режиме охлаждения. В результате этих исследований было определено поведение зависимостей перегрева дт(ъ,<а) после отключения мощности в зависимости от уровня мощности в импульсе, ориентации

экспериментального образца и температуры гелия^9/ Основные результаты работы

1. Сформулированы основные требования к комплексу аппаратно программных средств с целью получения экспериментальных данных по влиянию формы теплового импульса и геометрии эксперимента на динамику тепловых процессов в системах с нормальным и сверхтекучим гелием в цикле "нагрев - охлаждение" с использованием экспериментальных образцов, у которых тепловыделяющие поверхности одновременно служат в качестве датчиков температуры.

2. Проведён анализ режимов питания экспериментального образца. Сделан вывод о том, что при исследованиях с применением экспериментального образца с совмещённым нагревателем термодатчиком наиболее оптимальной является работа УМ в режиме стабилизации мощности. Разработаны и внедрены методики с соответствующей аппаратурой и программное обеспечение для подготовки электронной системы к экспериментам.

3- Разработан и создан комплекс аппаратно - программных средств, который позволяет в широких пределах проводить исследования по влиянию формы теплового импульса и геометрии эксперимента на характеристики нестационарной теплопередачи к нормальному и сверхтекучему гелию. В частности реализованы следующие возможности:

- с помощью созданного УМ обеспечивается режим стабилизации мощности тепловыделения в широких пределах изменения сопротивления ТВЭ (1 * 6 кОм) и мощности в нём (0+40 Вт) с точностью стабилизации не хуже 4% и временем реакции при работе на быстроменяющуюся во времени нагрузку не более 20 мкс;

- задаётся практически любая форма импульса мощности тепловыделения, т.е. такие параметры как амплитуда, фронт, длительность и скважность;

- многоканальная система .питания ТВЭ (шесть каналов) с соответствующими каналами управления позволяет исследовать пространственные (по углу и длине экспериментального образца) характеристики нестационарной теплопередачи;

- схемное решение УМ с помощью подсистем управления и измерения позволяет определять температуру тепловыделяющей поверхности ТВЭ как в режиме нагрева, так и в режиме охлаждения с контролем подводимой мощности.

4. Разработаны и созданы комплект аппаратуры и структура информационного сообщения, обеспечивающие в условиях сильных электромагнитных помех связь аппаратуры криогенного стенда с удалённой (до 500 метров) ЭВМ- Связь организована последовательным

кодом с использованием широтно - импульсной модуляции и аппаратно -программным контролем правильности передаваемого сообщения с призводительностью до 10 Кбайт/с. Число подключаемых крейтов КАМАК -от одного до четырёх.

5. С помощью созданного комплекса аппаратуры, программного обеспечения и методик получен ряд качественно новых экспериментальных данных по нестационарной теплопередаче к нормальному и сверхтекучему гелию. В частности: обнаружена область тепловой неустойчивости в статическом нормальном гелии при нагрузках, близких к стационарной величине кризиса кипения; исследовано влияние длительности переднего фронта импульса мощности на характеристики теплопередачи; получена количественная информация э пространственных характеристиках нестационарной теплопередачи к зынужденному потоку двухфазного гелия.

5. Созданный коплекс аппаратно - программных средств в настоящее зремя используется в дальнейших исследованиях по нестационарной теплопередаче к нормальному и сверхтекучему гелию, а отдельные части этого комплекса также нашли применение и в других системах^''

Работы, опубликованные по теме диссертации: .. А-И.Губанов, В.Д.Инкин, В.Ф.Минашкин. Аппаратура расширения }етви КАМАК. В кн: Всесоюзная конференция "Автоматизация научных «¡следований на основе применения ЭВМ". Тезисы докладов. Изд-во СО Ш СССР, Новосибирск, 1981, с.58.

В.Д.Инкин, В.Ф.Минашкин, Ю.П.Филиппов. Комплекс электронной шпаратуры для проведения исследований на тепловой модели :верхпроводящего магнита. Сообщение ОИЯИ, 8-85-756, Дубна, 1985, 6 с. I. В.М.Микляев, В.Ф.Минашкин, А.В.Скрыпник, Ю.П.Филиппов, 'еплопередача к вынужденному потоку гелия при стационарном и (мпульсном нагреве. В кн.: Тезисы докладов Международного симпозиума Теплообмен в криогенных системах". Изд-во АН УССР, Харьков, 1985, .37-38.

:. В.Ф.Минашкин, С.В.Романов, С.Ю.Селюнин, Ю.П.Филиппов. Электронная истема для исследования нестационарных тепловых процессов, ообщение ОИЯИ, Р10-88-902, Дубна, 1988, 14 с.

. В.Ф.Минашкин. Усилитель мощности для исследования нестационарных епловых процессов. Сообщение ОИЯИ, Р10-89-547, Дубна, 1989, 13 с-В.М.Микляев, В.Ф.Минашкин, С.Ю.Селюнин, И.А.Сергеев, • В.Скрыпник, Ю.П.Филиппов'. Нелинейные эффекты при моделировании епловых режимов сверхпроводящих магнитов в условиях импульсного нерговыделения. В кн.: Труды 13 Международной конференции по

ускорителям частиц высоких энергий. Новосибирск: Наука, 1987, т.2, с.53-58.

7. Yu.P.Filippov, V.F.Minashkin and I.A.Sergeyev. Transient Heat Transfer into Liquid Helium under Controlled Heat Generation. In: Advances in Cryogenic Engineering, Plenum Press, New York, 1990, vol.35, p.387-394.

Цитированная литература: 8. В.М.Микляев, И.А.Сергеев, Ю.П.Филиппов. Особенности нестационарной теплопередачи к сверхтекучему гелию. ИФЖ, 1988, т.54, №6,с.950-956.

9. Yu.P.Filippov and I.A.Sergeyev. Transient Thermal Recovery of

st

Preheated Solid in a Liquid Helium Bath -1 Report. In: Proceedings LTEC90, Institute of Criogenics, Southampton, 1990, p.113.

10. Л.В.Дубовик, В.Д.Инкин, Л.И. Косухина, В.Н.Лысяков, В.Ф.Минашкин, А.А.Мозелев, В.П.Николаев, Т.П.Саенко, А.В.Смирнов, Г.А.Филина. Автоматизированная система управления коллективным ускорителем тяжёлых ионов 0И5Ш. В кн: Всесоюзная конференция "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ". Тезисы докладов. Изд-во СО ОН СССР, Новосибирск, 1981, с.94.

Рукопись поступила в издательский отдел 5 июля 1995 года.