Теплообмен и развитие кризисных явлений при плёночных течениях криогенной жидкости в условиях нестационарного тепловыделения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Суртаев Антон Сергеевич

4856105

ТЕПЛООБМЕН II РАЗВИТИЕ КРИЗИСНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ ПЛЁНОЧНЫХ ТЕЧЕНИЯХ КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ В УСЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 2011

4856105

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск).

Научный руководитель чл.-корр. РАН, доктор физико-математических наук Павленко Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Чиннов Евгений Анатольевич;

доктор физико-математических наук Виноградов Владимир Егорович

Ведущая организация: МЭИ - Московский энергетический институт

(Технический Университет), (г. Москва)

Защита состоится 16 февраля 2011 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.053.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Институте теплофизики СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН

Автореферат разослан января 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н.

В.В. Кузнецов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Пленочные течения жидкости широко используются в различных технологических процессах для интенсификации тепломассо-переноса. Режимы испарения и кипения в тонких пленках жидкости обеспечивают при малых расходах жидкости и низких температурных напорах высокую интенсивность теплообмена. Компактные испарители с пленочным течением жидкости находят применение в дистилляционных (в том числе криогенных) установках, системах охлаждения и термостабилизации (в том числе, в космических приложениях), в крупномасштабных аппаратах по ожижению природного газа, в пищевой промышленности и т.д. Пленочные течения также реализуются в снарядных и кольцевых режимах течения двухфазных потоков в канальных теплообменных системах. Использование пленочных теплообменников с управляемой нестационарной тепловой нагрузкой перспективно для разработки малогабаритных быстродействующих выпарных аппаратов.

Известно, что области высокоэффективного теплообмена при испарении и кипении в стекающих плёнках жидкости ограничены по тепловому потоку развитием кризиса. При достижении критического теплового потока жидкость отделяется частично или полностью от теплоотдающей поверхности, что сопровождается резким снижением интенсивности теплообмена и соответствующим ростом температуры поверхности, приводящим к разрушению тепловыделяющего элемента. Развитие кризисных явлений в существенной мере зависит от целого ряда факторов (режимные параметры течения, длина тепло-отдающей поверхности, физические свойства исследуемой жидкости, недог-рев жидкости относительно температуры насыщения и т.д.). Одним из важнейших факторов является нестационарность тепловыделения, в значительной степени определяющая развитие процесса теплообмена перед кризисом и достижение максимальных значений плотности теплового потока. Тепловая нестационарность является общей особенностью работы целого ряда теплообменных аппаратов и систем термостабилизации.

Вопросы, связанные с развитием теплообмена и кризисных явлений при кипении в условиях свободной конвекции при резком увеличении тепловой нагрузки, в настоящий момент исследованы всесторонне. В то же время, исследования возникновения сухих пятен при испарении, развития кризиса при кипении в стекающих плёнках жидкости в современных справочных изданиях по теплообмену ограничены условиями стационарного тепловыделения. Закономерности процессов теплообмена и развития кризисных явлений в стекающих плёнках криогенной жидкости при различных граничных условиях на тепловыделяющей поверхности (Т„ - const, q„ - const) в условиях стационарного тепловыделения исследованы недостаточно. Динамика и параметры распада плёночных течений при развитии испарения и вскипания жидкости в условиях нестационарного тепловыделения остаются не изученными.

Целью работы является:

1. Получение новых опытных данных по локальной теплоотдаче, критическим тепловым потокам в режимах испарения и кипения в стекающих плёнках жидкого азота при стационарном законе тепловыделения.

2. Исследование динамики развития теплообмена и кризисных явлений при плёночных течениях жидкости в условиях ступенчатого и периодического импульсного законов тепловыделения в широких диапазонах изменения определяющих параметров.

Научная новизна:

• Исследовано влияние плотности теплового потока на теплоотдачу при испарении в стекающих ламинарно-волновых плёнках азота при стационарном тепловыделении при граничном условии q„ - const. Анализ экспериментальных результатов показал, что опытные данные по безразмерному коэффициенту теплоотдачи в режиме интенсивного испарения не могут быть описаны в рамках существующих полуэмпирических зависимостей, полученных для высокотемпературных жидкостей.

• Впервые получены экспериментальные данные по динамике развития теплообмена и распада жидкости в стекающих плёнках при нестационарном тепловыделении. Обнаружено, что при ступенчатом законе тепловыделения в области малых чисел Рейнольдса кризис осушения в режиме подавления вскипания происходит в результате полного локального испарения жидкости в остаточном слое между гребнями крупных волн с последующим расширением сухих пятен. С увеличением числа Рейнольдса кризис осушения наступает в результате вырождения метастабильных регулярных структур. Впервые показано, что в области высоких тепловых нагрузок кризис теплообмена в стекающих плёнках жидкости определяется динамикой распространения высокоскоростных самоподдерживающихся фронтов испарения.

• Показано, что в области малых тепловых нагрузок опытные данные по времени ожидания вскипания увеличиваются с уменьшением числа Рейнольдса и для описания опытных данных необходимо учитывать испарение со свободной поверхности и вклад конвективной составляющей теплообмена. В области высоких амплитуд тепловой нагрузки экспериментальные данные по времени ожидания вскипания совпадают для различных чисел Рейнольдса и описываются расчётом для режима нестационарной теплопроводности при достижении на тепловыделяющей поверхности температуры предельного перегрева.

• Обнаружено, что при заданной неравномерности степени орошения по ширине теплоотдающей поверхности происходит последовательная смена механизмов распада пленочного течения от режима развития сухого пятна к режиму самоподдерживающихся фронтов испарения, характеризующемуся более чем на порядок высокими скоростями распространения границ.

• Впервые показано, что в процессе повторного смачивания перегретой поверхности стекающей плёнкой жидкости средняя скорость перемещения границ кипящих струй значительно превышает среднюю скорость движения границ испаряющейся плёнки. Время полного коллапса сухих пятен определяется минимальной скоростью, т.е. скоростью перемещения границ испаряющейся плёнки в межструйных зонах двумерного фронта смачивания.

• Показано, что в условиях периодического тепловыделения при больших длительностях импульсов критические значения тепловой нагрузки, соответствующие возникновению устойчивых сухих пятен, приближаются к аналогичным значениям для стационарного тепловыделения. Критические значения амплитуды импульсов, соответствующие полному осушению, определяются процессом вытеснения регулярных струй жидкости с развитым пузырьковым кипением и согласуются с результатами расчёта для равновесной плотности теплового потока.

Достоверность полученных результатов обеспечивается проведением специальных тестовых и калибровочных экспериментов с применением прецизионных датчиков и современной вторичной измерительной аппаратуры, оценкой величин погрешности измерений. Надёжность опытных данных подтверждается повторяемостью результатов опытов, сопоставлением полученных экспериментальных данных с данными математического моделирования. Автор защищает:

• Опытные данные по локальной теплоотдаче и критическим тепловым потокам в стекающих ламинарно-волновых плёнках криогенной жидкости в режиме кипения и испарения при стационарном законе тепловыделения с граничным условием на нагревателе q„ ~ const.

• Результаты экспериментального исследования динамики развития процессов теплообмена и кризисных явлений в стекающих плёнках жидкости при ступенчатом законе тепловыделения.

• Опытные данные по характерным временам развития переходных процессов в плёнке жидкости: временам ожидания вскипания, формирования регулярных структур и полного осушения теплоотдающей поверхности.

• Результаты экспериментального исследования динамики распространения самоподдерживающихся фронтов испарения в стекающих плёнках жидкости при ступенчатом законе тепловыделения.

• Результаты исследования особенностей распада стекающей пленки жидкости при ступенчатом законе тепловыделения в условиях неравномерного орошения по ширине тепловыделяющей поверхности.

• Результаты экспериментального исследования динамики повторного смачивания стекающей пленкой жидкости теплоотдающей поверхности, перегретой в импульсных режимах тепловыделения.

• Результаты экспериментального исследования развития кризисных явлений в стекающей плёнке жидкости при периодическом тепловыделении.

Практическая ценность. Результаты исследований важны при разработке теплообменников - испарителей периодического действия, управляемых быстродействующих испарителей - дозаторов, отборников состава в измерительной технике, а также при лазерной обработке материалов с использованием пленочного охлаждения для создания модифицированных поверхностей. Практические рекомендации, полученные при проведении данных исследований, необходимы для определения безопасных и устойчивых режимов работы систем термостабилизации и устройств с пульсациями тепловой мощности при плёночном охлаждении тепловыделяющих поверхностей.

Личный вклад. Разработка программного обеспечения для автоматизации экспериментального исследования, разработка и изготовление рабочих участков, проведение экспериментов, обработка, анализ и обобщение экспериментальных данных были выполнены автором самостоятельно, либо при его непосредственном участии.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на XXVIII и XXIX Сибирских теплофизических семинарах (Новосибирск, 2005, 2010); Международных научных студенческих конференциях «Студент и научно технический прогресс» (Новосибирск, 2005-2009); Всероссийской научной студенческой конференции ВНКСФ-12 (Новосибирск, 2006); XV Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Рыбинск, 2005); 4-ой и 5-ой Российских национальных конференциях по теплообмену (Москва, 2006, 2010); Всероссийских конференциях молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2006, 2007), Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2007» (Новосибирск, 2007); XVI Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Санкт-Петербург, 2007); Пятой Балтийской конференции по теплообмену (5th ВНТС) (Санкт-Петербург, 2007); Всероссийской школе - семинаре молодых учёных «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии» (Новосибирск, 2007); The Fifth International Conference on Transport Phenomena In Multiphase Systems «HEAT 2008» (Bialystok, Poland, 2008); The Third International Topical Team Workshop on Two-Phase Systems for Ground and Space Applications (Brussels, Belgium, 2008); The Fourth International Symposium on Non-Equilibrium Processes, Plasma, Combustion and Atmospheric Phenomena «NEP-CAP 2009» (Sochi, Russia, 2009); Российских симпозиумах "Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах (Новый Афон, Абхазия, 2007, 2009); The 7th International Conference on Heat Transfer, Fluid Me-

chanics and Thermodynamics «HEFAT 2010» (Antalya, Turkey, 2010); The 14th International He^t Transfer Conference «IHTC-14» (Washington, USA, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 33 работы, в том числе 8 в реферируемых журналах, из которых 5 в перечне ВАК.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объём диссертации - 153 страницы текста и 42 рисунка. Список литературы насчитывает 116 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе представлен обзор литературы по изучению процессов теплообмена и развития кризисных явлений при различных законах тепловыделения в условиях свободной конвекции и при плёночных течениях жидкости.

В первом разделе первой главы рассмотрены вопросы, связанные с теоретическими и экспериментальными исследованиями развития процессов теплообмена и кризисных явлений при вскипании жидкости в условиях большого объёма в случае резкого увеличения тепловой нагрузки. Показано, что в таких режимах тепловыделения величина критического теплового потока может быть существенно ниже величины, соответствующей наступлению кризиса кипения в условиях квазистационарного тепловыделения. При этом некоторые из режимов теплоотдачи могут быть недостаточно развиты, либо вообще отсутствовать в период до наступления кризиса теплоотдачи (в зависимости от соотношения параметров относительного давления и относительного теплового потока). Показано, что температура вскипания жидкости сложным образом зависит от скорости нарастания температуры тепловыделяющей поверхности. При высокоинтенсивных набросах тепловой мощности распад метастабильной жидкости происходит при гомогенной нуклеции, характеризующейся высокой частотой зародышеобразования. Описаны режимы развития кризиса, при которых происходит распространение самоподдерживающихся фронтов испарения при вскипании жидкости. Особое внимание уделено рассмотрению теоретических аспектов описания развития кризиса теплоотдачи при нестационарном тепловыделении в условиях свободной конвекции.

Во втором разделе первой главы представлены теоретические и экспериментальные результаты исследований гидродинамики, теплообмена и развития кризисных явлений в стекающих плёнках жидкости при стационарном законе тепловыделения. Анализ результатов исследований показывает, что в режимах испарения величина коэффициента теплоотдачи лежит выше значе-

ний, предсказываемых в соответствии с теорией Нуссельта. Результаты, полученные с использованием численного моделирования гидродинамики и теплообмена в стекающих ламинарно-волновых плёнках жидкости, показали, что интенсификация теплообмена при испарении связана с наличием дополнительной конвективной составляющей и обеспечивается за счёт вихревого движения жидкости в крупных волнах, а также вследствие утончения остаточного слоя между гребнями волн при интенсивном испарении.

В третьем разделе первой главы представлены результаты исследований переходных процессов при кипении, тепловой устойчивости очагов плёночного кипения и процессов повторного смачивания.

Из анализа литературы следует, что исследования развития кризиса при кипении и возникновения сухих пятен при испарении в стекающих плёнках жидкости при нестационарном тепловыделении в настоящий момент отсутствуют. Также в литературе практически отсутствуют опытные данные по теплоотдаче при испарении в стекающих плёнках криогенной жидкости при различных граничных условиях на теплоотдающей поверхности (q„ - const, Т„ -const). На основе проведённого анализа литературы в заключительной части данного раздела сформулированы цели и задачи настоящего исследования.

Во второй главе проведено описание экспериментальной установки, рабочих участков и методик проведения опытов.

На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки для исследования теплообмена, динамики течения и развития кризисных явлений в волновой плёнке криогенной жидкости при различных законах тепловыделения. Эксперименты проводились с использованием жидкого азота, подаваемого на экспериментальный участок на линии насыщения (Тшс = 77.4 К) при атмосферном давлении. Для исключения влияния теплопритоков извне на теплообмен на рабочем участке криогенная емкость защищена вакуумной полостью, охлаждаемыми радиационными экранами и внешней азотной ванной. Обогреваемая часть экспериментального участка располагается внутри крио-стата напротив оптических окон, через которые осуществляется визуализация течения. Расстояние от пленкоформирователя до области локального нагрева, равное 160 мм, обеспечивало течение плёнки жидкости по тепловыделяющей поверхности в режиме.гидродинамической стабилизации. Расход при стекании плёнки жидкого азота (плёночное число Re) определялся объемным методом с помощью мерной емкости, расположенной под экспериментальным участком. Система поддержания постоянного уровня для течения плёнки в стабилизированном гидродинамическом режиме, включающая блоки контроля уровня жидкости в баке постоянного уровня и в измерительном сосуде, управления источником питания резистивного нагревателя и контроля избыточного давления, была автоматизирована с помощью программного пакета LabView и платы АЦП/ЦАП L-761.

Азотный экран

1

Вакуумный насос

Г

- Бак постоянного уровня

- Датчики уровня

5 Экспериментальный и участок

| Цифровая ; скоростная \ видеокамера

г

Вакуумный Выходной резервуар насос (гелиевый сосуд)

Криостат

Датчики уровня

Мерная

Выпускной клапан

0

Нагреватель

о /

емкость Вкод™ резервуар Резервуар (гелиевый сосуд) избыточного давления

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

а)

б)

Ьак постоянного

УрСО: 1Я

Смсгема контроля ра :>:оца жудмсли

Участок гяароз/1 юьси^оской стабилизации

..Ппй-чкпоРрамичитйпк

Въюо!<ос1:орос' га» Токаюасюдащис каиера

Рам<з Оехсюлщ

"I

! 1ягрер.атйПьмаа

:>0НСГЙНГ«Н)

БйС ПОСГСЯ-Н.ОГО

урод ¡я

Рзспр&д*Л1/геп=н=1!* щеяе

11. .11 д

I

н ¿¿/юго-цифровой | интерфейс Расход:

_2_

Теплоиэап'пор

Пружины

Рис. 2. Схема экспериментального участка (а), блок-схема измерений и управления экспериментом (б).

На рис. 2 представлена схема экспериментального участка, блок-схема измерений и управления экспериментом. В качестве нагревателя использова-

лась тонкостенная фольга из константана толщиной 25-10"6 м, шириной 75-10° м и длиной вдоль течения 32-10"3, 40-10"3, 122-10"3 м, соответственно. Тепловыделение на поверхности фольги осуществлялось пропусканием стабилизированного электрического тока с использованием двух токоподводящих медных шин, расположенных на концах рабочего участка. Для устранения утечек тепла с обратной стороны фольги (между текстолитовой рамкой и участком) прокладывался слой теплоизолирующего крупносетчатого стекловолокна. Для питания нагревательной фольги использовался программируемый импульсный источник тока ГОРН-М-15/250, обеспечивающий максимальную выходную мощность 3.75-103 Вт при токе до 250 А с фронтом нарастания тепловой нагрузки не более 3 мс. Плотность теплового потока измерялась по показаниям величины тока, пропускаемого через фольгу, и разности потенциалов между клеммами, расположенными на концах рабочего участка.

Температура теплоотдающей поверхности в опытах измерялась с помощью локальных платиновых термодатчиков сопротивления HEL-700 размером 1.65x1.27-10° м и толщиной чувствительного элемента 0.25-10"3 м, установленных с обратной стороны нагревательной фольги. Визуализация переходных процессов осуществлялась через четыре оптических окна с помощью высокоскоростной цифровой видеокамеры Phantom v.7.0. Большинство записей было выполнено с частотой 10000 и 40000 кадров в секунду со временем экспозиции 80 к 22 мкс и разрешением кадров 640x480 и 320x240, соответственно. На основе обработки результатов высокоскоростной видеосъёмки были получены опытные данные по временам развития переходных процессов, скорости распространения границ осушения с различным режимом теплообмена в смоченной зоне и т. д.

Время ожидания вскипания измерялось по появлению первых пузырей на тепловыделяющей поверхности в пленочном потоке жидкости. Измерение скоростей фронтов осушения теплоотдающей поверхности и самоподдерживающихся фронтов испарения осуществлялось времяпролетным методом. При высоких тепловых потоках также измерялись количество и плотность возникающих на тепловыделяющей поверхности центров парообразования.

Температурные измерения, запись текущих значений напряжения и тока на экспериментальном участке, цифровая видеосъёмка были синхронизированы с моментом начала подачи тепловой нагрузки с помощью платы АЦП N1 PCI 6251 и программного пакета LabVievv. Синхронизация осуществлялась подачей цифрового сигнала на входы внешнего триггера платы АЦП и видеокамеры.

Погрешность определения числа Рейнольдса Re в эксперименте составляла не более 4 %, плотности теплового потока не более 5%, температуры ±0.1 К, локального коэффициента теплоотдачи не более 15 %, скорости фронтов осушения не более 20 %, времени ожидания вскипания не более 1.5 %.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования локального теплообмена и развития кризисных явлений при испарении и кипении в стекающих плёнках жидкого азота в условиях квазистационарного закона тепловыделения в диапазоне изменения числа Рейнольдса (Re = 60 1700).

На рис. 3 представлены экспериментальные данные по величине локального коэффициента теплоотдачи в зависимости от плотности теплового потока

при испарении и кипении жидкого азота в различных точках нагревательной поверхности для числа Рейнольдса Re = 830. Как видно из рисунка, в области относительно малых тепловых нагрузок, соответствующих режиму испарения, величина локального коэффициента теплоотдачи увеличивается. Сравнение опытных данных по безразмерному коэффициенту теплоотдачи с данными других

, ^ авторов [Pavlenko. Lei, 1997;

Рис. 3. .Экспериментальные данные по локальному . . _

, , Мацех, Павленко, 20051. полукоэффициенту теплоотдачи в зависимости от ' ' 1

плотности теплового потока при испарении и ки- энными при испарении жид-пении жидкого азота в различных точках нагрева- кого азота на толстостенных тельной поверхности. Re = 830. I - расстояние от высокотеплопроводных нагре-начала зоны тепловыделения. вательных поверхностях с гра-

ничным условием, близким к Т„ - const, и с наиболее известными в литературе расчётными зависимостями для ламинарно-волнового режима течения плёнок жидкости представлено на рис. 4. Опытные данные, полученные в данной работе, совпадают с данными авторов [Pavlenko, Lei, 1997; Мацех, Павленко, 2005] в области тепловых нагрузок q > 104 Вт/м2 до развития кипения в плёнке. В тоже время, опытные данные, полученные при испарении стекающей плёнки жидкого азота, как видно из рис. 4, не могут быть описаны полуэмпирическими зависимостями, представленными в литературе. Как показал анализ данных по распределению локальной толщины интенсивно испаряющейся стекающей плёнки жидкого азота, полученных с использованием методики, представленной в работе [Pavlenko et al., 2002], в диапазоне изменения числа Рейнольдса (Re = 40 + 800) происходит существенное уменьшение толщины остаточного слоя жидкости на масштабе прохождения нескольких длин волн. Из анализа поведения волнового профиля при различных тепловых нагрузках следует, что повышение

5000 а I = 16 мм о I = 22 мм

4000 3000 2000 а Q 8 ö с Q а О □

1000 • О

, 1 1 л ,

о -.-1—.—|-.—1-.—I—.—|-.-1-.—|-

0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4 0

q-10", Вт/м2

интенсивности теплообмена при испарении связано со значительным локальным утончением протяженного остаточного слоя между трехмерными волнами высокой амплитуды на поверхности плёнки жидкости.

На рис. 5 представлены опытные данные по величине критической плотности теплового потока, соответствующей образованию устойчивых сухих пятен на поверхности нагревателя. На рисунке также для сравнения представлены расчёты по модели [Pavlenko, Lei, 1997] описания кризиса в режиме испарения, по тепловому балансу для полного испарения набегающей

, Гр'г \

пленки жидкости (qnш.п = -—--)

и по гидродинамической модели описания развития кризиса полного осушения при кипении [Mudawar et al., 1987]. Видно, что в области малых чисел Рей-нольдса (Re < 300) опытные данные удовлетворительно описываются расчётом по модели [Pavlenko, Lei, 1997]. Опытные данные по величине критической плотности теплового потока при развитии кипения в области более высоких чисел Рейнольдса, как видно из графика, лежат существенно ниже зависимости [Mudawar et al., 1987]. Поэтому величина критической плотности теплового потока с граничным условием на поверхности, близким к q„ - const, не может быть описана в рамках гидродинамической модели, предложенной в работе [Mudawar et al., 1987].

В четвёртой главе приведены результаты экспериментального исследования динамики развития теплообмена и кризисных явлений в стекающих ламинарно-волновых пленках азота при ступенчатом тепловы-

Опытные данные: ° q=10KßT/M'

о q = 1.5 кВт/м? А Мацех, Павленко (2005) Pavlenko, Lei (1997) Расчётные зависимости. Nusselt (1916) Chun, Seban (1971) Alhusseini et al. (1998)

Ре

Рис. 4. Зависимость безразмерного коэффициента теплоотдачи при испарении ¡Ун* от числа Ие на входе. Сравнение опытных данных с расчетными зависимостями.

Опытные данные q п:

■ 1=32 мм Расчётные зависимости. -qn >.i по тепловому балансу

......q г при испарении по модели [Pavlenko, Lei. 1997]

---q по модели [Mudawar el al., 1987}

100

Re

1000

Рис. 5. Зависимость критической плотности теплового потока в стекающей плёнке жидкого азота от числа Рейнольдса на входе.

делении. Также в данной главе рассмотрены вопросы, касающиеся особенностей распада плёночного течения жидкости при неравномерном орошении по ширине тепловыделяющей поверхности и динамики повторного смачивания перегретой поверхности стекающей плёнкой жидкости.

Сравнение результатов опытов при различных законах тепловыделения показало, что критические плотности теплового потока при ступенчатом подводе тепла совпадают с величинами, полученными в случае квазистационарного тепловыделения, и лежат в диапазоне цсп = 1,5-104 + 4-104 Вт/м: в зависимости от числа Рейнольдса /?е.

Ниже приведены результаты по динамике развития кризисных явлений и теплообмена в условиях ступенчатого тепловыделения при плотностях теплового потока, превышающих стационарные критические значения, для различных чисел Рейнольдса на входе. При малых числах Рейнольдса и относительно небольших тепловых потоках (рис. 6 а) распад пленочного течения жидкости происходит в результате возникновения локальных сухих пятен при испарении остаточного слоя жидкости между гребнями крупных волн и быстрого распространения межфазных границ с вытеснением смоченных зон. Развитие кризиса осушения в данных режимах обусловлено механизмом продольной теплопроводности в нагревателе и реализуется распространением температурного возмущения по теплоотдающей стенке, возникающего в зоне крупномасштабных сухих пятен. При больших зна-возникают при вскипании жидкости. Размеры крупномасштабных несмоченных зон начинают монотонно расти вниз по потоку. Затем формируется регулярная структура со струями жидкости и крупномасштабными несмоченными зонами между ними.

Одним из важнейших результатов данного исследования является разработка карт режимов развития теплообмена и кризисных явлений в стекающих

а

Рис. б. Фрагменты видеосъемки переходных процессов в стекающем плёнке азота, а - Re = 111; q = 5.6-104 Вт/м:: б - Re = 847: q - 6.0-104 Вт/м2 (формирование метастабильных регулярных структур).

чениях числа Рейнольдса (рис. 6 б) сухие пятна

плёнках насыщенной жидкости. Границы стадий нестационарной теплопроводности до момента закипания (т„к), формирования регулярных структур (тф.с), области I, II на графике, соответственно, и вытеснения струй жидкости до полного осушения теплоотдающей поверхности (т„ж.т), область III, в зависимости от степени орошения и плотности теплового потока представлены на рис. 7 (а, б). Вертикальная сплошная линия соответствует критической плотности теплового потока, при которой на теплоотдающей поверхности возникают стабильные сухие пятна (qc.„). Пунктирная вертикальная линия qxap ограничивает справа область тепловых потоков, при которых до момента полного осушения реализуется режим метастабильных регулярных структур с кипящими струями жидкости и крупномасштабными несмоченными зонами между ними (рис. 6 б). Анализ опытных данных показывает, что величина qxap заметно снижается с уменьшением числа Рейнольдса. В пределе, для самого наименьшего значения числа Рейнольдса (рис. 7 а) промежуточная стадия с мета-стабильными регулярными структурами вырождается. Более раннее полное осушение теплоотдающей поверхности при высоких числах Рейнольдса относительно расчетной зависимости для полного испарения пленки жидкости связано со значительным выбросом жидкости в виде капель при вскипании.

ß Опытные данные: 600-, 1 б Опытные данные: ■ т

400- 500 | *

300- Расчётные зависимости: 400- 1 \ 11 1 S 1 о"

---- ; 1 Расчётные зависимости

200 100- lll" Ч I .....■',„„(Re„=111' « «■. 1 *"»■•<■•..... --! ■'■Jfllf. i о о о с ООО JfrV'-l s в. « II ■ г-' 1 1 '*'-.. * & ,, . -t-i-V'-i ----т (ДТ, =26К) ......(ReB>=847) -i.l.t.4-4.1 .

5 10 15 20 25 30 5 10 15 20 25 30

q-10J Вт/м2 Я-Ю^Вт/м2

Рис. 7. Характерные времена развития процессов теплообмена и кризисных явлений, (а, б): Re = 111; 847. соответственно. I. II - стадии прогрева пленки жидкости до момента вскипания и развития регулярных структур; III - стадия вытеснения струй жидкости до полного осушения. Точками на графике указаны опытные данные по временам ожидания вскипания - г„ д, формирования регулярных структур - г,дс, и полного осушения -г„,,„,„. Линии - расчеты ти к при АТ„К = 26 К и т„ж„ с использованием данных по средней толщине пленки <5 = <5,.,,.

Экспериментальные данные по времени ожидания вскипания в зависимости от теплового потока представлены на рис. 8 для двух значений числа Рейнольдса. Такие характерные зависимости были получены для всех исследованных чисел Рейнольдса в диапазоне изменения этого параметра Re = 60 +

1700. Сплошная линия на графике соответствует расчёту времени достижения

на теплоотдаюшей поверхности значения наиболее вероятной температуры вскипания жидкости в исследованном диапазоне изменения теплового потока по результатам обобщения опытных данных для ступенчатого тепловыделения в условиях свободной конвекции [ТБикатоЮ е1 а!., 1980; Рау|епко, СЬекИоуюЬ, 1991]. Пунктирная линия соответствует расчёту с использованием в качестве порога вскипания температуры предельного перегрева жидкого азота [Байдаков, 1995; ОгасИ, Риске, 1996]. Результаты расчётов получены из решения уравнения нестационарной теплопроводности при ступенчатом подводе тепла с учётом инерционности теплоотдающей стенки [Боришанский, Фокин, 1967]. Характерные значения времен прорастания теплового слоя до свободной поверхности остаточного слоя жидкости для рассматриваемых чисел Рейнольдса нанесены на график горизонтальными пунктирными линиями.

Опытные данные по времени ожидания вскипания в диапазоне тепловых нагрузок с/ < 30 Вт/см2 для числа Рейнольдса Ке = 1300 лежат заметно ниже данных, полученных для Ке = 200. Связано это с тем, что в более тонких слоях жидкости испарение развивается раньше, что приводит к снижению темпа роста температуры нагревателя и к увеличению времени достижения порога закипания по сравнению с более толстыми плёнками. В области более высоких тепловых нагрузок {ц > 30 Вт/см"), когда тепловой слой не успевает прорасти до свободной поверхности, даже для наиболее тонких плёнок жидкости опытные данные по времени ожидания вскипания перестают зависеть от числа Рейнольдса.

Из графика следует, что в исследованном диапазоне изменения плотности теплового потока с/ < 30 Вт/см" экспериментальные данные для двух приведённых значений числа Рейнольдса лежат существенно выше расчёта, соответствующего вскипанию при температуре предельного перегрева жидкости. Для малых чисел Рейнольдса, как было отмечено выше, это связано с тем, что

70 60

50

о 40 « 3020 10 о

Опытные данные:

□ Ие = 1300

о Не - 200

Расчётные зависимости:

ю -при дТн1=26К

р ----1>1придт> =дТ-п=32К -

\ \о \'Ро \ и О \ля о. • ...... (Ие=г00) .......!,„„ (Ке=1300)

10 20 30 40 50 60 70 80

Вт/м2

Рис. 8. Зависимость времени ожидания вскипания в пленке азота от плотности теплового потока при набросе. Линии - расчёты :„ по зависимости [Боришанский, Фокин. 1967] для различных температурных напоров закипания и расчеты времени прорастания теплового слоя до свободной поверхности в остаточном слое плёнки жидкости г„„,„, для Ке = 200: 1300.

нестационарный теплообмен в плёнке жидкости характеризуется интенсивным стоком тепла через межфазную поверхность вследствие развития испарения. Для наиболее толстых плёнок при Яе = 1300, как было отмечено в работах [М1уага, 1999; Ас1отек е1 а1., 2000; 01е12е е1 а1., 2008, 2009], развитая волновая структура на поверхности плёнки жидкости (ламинарно-волновой и турбулентный режимы течения) вносит дополнительный вклад в теплообмен при нестационарном прогреве плёнки за счёт циркуляционного движения жидкости внутри гребней крупных волн. Следовательно, при расчёте нестационарного профиля температуры и времён ожидания вскипания в плёнке жидкости для данного диапазона изменения плотности теплового потока необходимо учитывать как дополнительную конвективную составляющую теплообмена, связанную с движением крупных волн по поверхности плёнки, так и развитие испарения со свободной поверхности. Из графика также видно, что расчёт с заданием механизма нестационарной теплопроводности и условием достижения температуры предельного перегрева при вскипании жидкости удовлетворительно описывает опытные данные в области более высоких значений плотности теплового потока. Это объясняется тем, что при высоких плотностях теплового потока толщина нарастающего теплового слоя существенно меньше толщины остаточного слоя плёнки жидкости и вязкого подслоя в гребнях волн. Поэтому испарение со свободной поверхности не успевает развиваться на момент вскипания жидкости, конвективные течения в гребнях волн также не оказывают влияния на температурный профиль в тонком тепловом слое у теплоотдающей поверхности в данных условиях.

Как показали результаты визуализации взрывного вскипания в стекающей плёнке жидкости при высокоинтенсивных набросах тепла, вскипание происходит по всей поверхности тепловыделяющего элемента в узком временном интервале. Максимальное значение частоты зародышеобразования, полученное в экспериментах, достигает величины J ~ 1018 м"3-с"'. Данное значение хорошо согласуется с опытными данными, полученными в работах [БшИа, ВгосПе, Бетига, 1987; Байдаков, 1995]. В этих исследованиях было показано, что температура нагревателя в момент вскипания жидкости при высоких набросах тепловой мощности достигает значений температуры предельного перегрева.

На рис. 9 представлены фрагменты высокоскоростной видеосъёмки развития кризиса в области относительно невысоких значений плотности теплового потока < с; < 30-104 Вт/м3). Из фотографий, представленных на данном рисунке видно, что в местах образования первых паровых пузырей инициируются самоподдерживающиеся фронты испарения. Наблюдаемая скорость их роста изменялась в пределах 2 -МО м/с в зависимости от плотности теплового потока и температурных напоров вскипания, соответственно. Распространение фронтов приводило к выбросу основной части жидкости с поверхности тепловыделения и последующему её полному осушению. Анализ

видеоданных показывает, что распространение фронтов испарения в стекающей по плоской вертикально расположенной поверхности волновой плёнке

...................................................— _ жидкости имеет ряд

||р характерных особенно-

Цз динамикой развития

• 4 ; Л* при вскипании жидко"* "г^ЗЯШ сти в Условиях свобод-В щ " ной конвекции. При Ь. ' ...Лмв, ¡за®1 , Тк низких тепловых пото-

ках в динамическом процессе движения фронта испарения непрерывно возникают новые ветвящиеся боковые паровые полости,

заполняющие всю тепловыделяющую поверхность. Таким образом, в результате развития возмущений и формирования новых паровых полостей непрерывно удлиняющиеся линии фронтов испарения имеют сложную изогнутую форму, напоминающую вид

Рис. 9. Фрагменты видеосъемки распространения фронтов испарения в стекающей плёнке азота, йе = 200; д= 13.3-104 Вт/м2.

2

>

Опытные данные: о Re=200 о Re=1300 Расчётные зависимости:

---1

-2 °

-----3

14 16 18 20

26 28 30 32

фрактальных кластеров. Подобные структуры наблюдались в экспериментах [Lauterborn, Schmitz, Judt, 1993; Коверда и др. 2005] при акустической кавитации, вызываемой в жидкости звуковыми волнами высокой интенсивности.

Экспериментальные данные по зависимости скорости распространения самоподдерживающегося фронта испарения в стекающей плёнке жидкости от перегрева поверхности относительно температуры насыщения для двух значений числа Рейнольдса представлены на рис. 10. Расчёты по модели [Авксентюк, Овчинников, 1996], представленные на графике линией 1, удовлетворительно описывают экспериментальные данные только при высоких перегревах жидкости. Расчёты по модели [Павленко, Лель, 1999] (линия 2)

22 24

лТ, К

Рис. 10. Зависимость средней скорости самоподдерживающегося фронта испарения в стекающей плёнке азота от перегрева жидкости для различных чисел Рейнольдса. 1 - расчёт по модели [Авксентюк, Овчинников. 1996]; 2, 3 - расчёт по моделям [Павленко, Лель, 1999].

-1 -2

--3

удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными при умеренных перегревах жидкости, однако при повышении температурного напора экспериментальные данные начинают отклоняться от расчётной зависимости. В работе авторов [Павленко, Лель, 1999] было показано, что развитие неустойчивости Ландау на межфазной границе фронта испарения при высоких перегревах жидкости, когда выполняется условие д„,, > приводит к возникновению мелкомасштабных быстрорастущих возмущений, в результате чего средняя скорость распространения фронта увеличивается. Результаты расчетов с использованием обобщающей зависимости, предложенной в работе [Павленко, Лель, 1999] при обработке большого массива опытных данных с учетом влияния на скорость фронта мелкомасштабных быстрорастущих возмущений для условий большого объёма, показаны пунктирной линией 3. Как видно, расчет, полученный с учётом развития возмущений, более удовлетворительно описывает опытные данные и при высоких перегревах жидкости.

Для исследования динамики развития кризисных явлений при неравномерном орошении по ширине тепловыделяющей поверхности стекающей плёнкой жидкости в экспериментах задавалась искусственно созданная в поперечном направлении (относительно течения плёнки) неравномерность распределения локального расхода жидкости. Как показали результаты визуализации переходного процесса, на первом этапе в области наиболее тонкой плёнки образование сухого пятна происходит в результате полного локального испарения жидкости без вскипания. Далее происходит перемещение границы осушения в область более толстой плёнки в режиме распространения температурного возмущения в тепло-отдающей стенке. При достижении необходимых температурных напоров в смоченной зоне, соответствующих пороговому значению числа Якоба Мпо1„ инициируется самоподдерживающийся фронт испарения. На данной стадии

20 22 24 26 28 30 32 т, МС

Рис. 11. Скорость распространения границы осушения на различных стадиях развития переходных процессов в зависимости от времени. Яесг = 160; ц = 15.9-104 Вт/м2. 1 - данные для скорости роста сухого пятна на первой стадии: 2 - данные для скорости распространения фронта испарения на второй стадии; 3 - расчёт скорости распространения температурного возмущения в теплоотдающей стенке в режиме медленной автоволны по методике [Павленко, Стародубцева, 2003].

процесса скорость распространения паровых полостей в пленке жидкости определяется количеством накопленного тепла в жидкости перед вскипанием. Опытные данные по скорости фронтов для разных режимов распространения зоны осушения представлены точками на рис. 11 в зависимости от времени. Из графика видно, что скорости осушения на стадии развития самоподдерживающегося фронта более чем на порядок выше, чем скорость осушения при распространении сухих пятен в режиме определяющего влияния механизма продольной теплопроводности в стенке нагревателя.

В последнем разделе главы представлено исследование повторного смачивания перегретой поверхности стекающей плёнкой жидкости. В экспериментах теплоотдающая поверхность полностью осушалась при нестационарном нагреве до температуры Т„ ~ 700 К. На рис. 12 представлены фрагменты высокоскоростной видеосъемки процесса повторного смачивания перегретой

Рис. 12. Фрагменты видеосъемки процесса повторного смачивания после скачкообразного сброса тепловой нагрузки. Яе = 1700. а - г = 1.5; б - 2.5 с; т - время с момента сброса тепловой нагрузки.

поверхности. Как видно из фотографий, фронт смачивания не является плоским в поперечном направлении. Практически на входе перегретой поверхности возникают регулярные струи жидкости, в нижней части которых развивается интенсивное кипение. В межструйных зонах на границе несмоченной поверхности формируются валики жидкости, теплообмен в которых определяется преимущественно режимом испарения. При этом средняя скорость движения границы кипящих струй значительно превышает среднюю скорость перемещения границы испаряющейся пленки. Очевидно, что время полного коллапса сухих пятен определяется минимальной скоростью, т.е. скоростью перемещения границ испаряющейся пленки в межструйных зонах. Полученные опытные данные по скорости повторного смачивания находятся в удовлетворительном согласии с результатами расчётов по методике [Павленко, Стародубцева, 2003].

В пятой главе представлены результаты экспериментального исследования развития кризисных явлений в стекающей плёнке криогенной жидкости при периодическом импульсном тепловыделении. В ряде случаев режимы с периодической генерацией паровой фазы могут использоваться в различных устройствах, например, в [Okuyama, Takehara, Iida, 2005].

В исследовании рассмотрены два режима развития кризисных явлений. Для первого режима определялись условия возникновения устойчивых сухих пятен на поверхности нагревателя при достижении плотности теплового потока с/'еР. Для второго режима определялись критические тепловые потоки q"i!',„.{,,„, соответствующие наступлению кризиса полного осушения. На рис. 13 приведены значения критических плотностей теплового потока при периодическом законе тепловыделения в зависимости от длительности импульсов тепловой нагрузки. В исследовании промежуток времени между импульсами задавался равным длительности импульса тепла (г/ = г,). Количество импульсов в эксперименте варьировалось таким образом, чтобы величина критической плотности теплового потока не зависела от этого параметра, изменяющегося в опытах в диапазоне от 50 до 300. Линиями 5, б на рисунке указаны критические плотности теплового потока qcm соответствующие возникновению устойчивых сухих пятен при стационарном тепловыделении для данного режима течения.

Увеличение критического теплового потока при значении числа Рейнольдса Re = 630 при уменьшении длительности импульсов тепловыделения связано с изменением параметров закипания жидкости. Оценка минимальной критической плотности теплового потока qcm рассчитанной по модели [Pavlenko, Lei, 1997] для более низкой степени орошения с использованием

мин.расч . , гл

данных по волновым характеристикам, дает значение qcn r = 1.25-1Ü Вт/м2 при Re = 230. Как видно из рис. 13, полученная оценка удовлетвори-

6x10

5x10*

4x10'

5

ш 3x1 о4

"о.

О"*

2x10

1x102"

= -1

Расчёт q по методике " - 2

[Павленко, Стародубцева. 2003] - 3

\ о - 4

0 О G С О О С

1 о о о о о о \ ---- 5

IT " "---6

1.0 1.5

Т,+Т„С

Рис. 13. Зависимости критических плотностей теплового потока от периода импульсов тепловыделения. 1,3- для Яе = 230 и Яе = 630. соответственно; 2, 4 - Чкрос\ш ДДЯ ^е ~ ^ЗО и

Не = 630, соответственно; 5, 6 - Цсп при стационарном тепловыделении для Яе = 230 и Яе = 630. соответственно.

тельно согласуется с величинами критической плотности теплового потока, соответствующими возникновению сухих пятен в режиме испарения при низких числах Рейнольдса, как при стационарном тепловыделении, так и при периодическом тепловыделении в области высоких значений периода импульсов. В работе [Pavlenko et al., 2002] было показано, что энергетический спектр волнового движения в адиабатических условиях характеризуется наличием преобладающей частоты. Расчёт с использованием наиболее вероятной частоты прохождения крупных волн, соответствующий максимальной оценке критической плотности теплового потока, при которой возникают устойчивые сухие пятна, даёт значение д "°кс-гасч = 2.6-104 Вт/м2. Из рисунка видно, что

величина критического теплового потока ¡7"/? ПРИ уменьшении периода импульсов изменяется в зоне, ограниченной расчётными значениями <7С"'"'рисч и

лшкс.расч Чс.п

В тоже время значения критических плотностей теплового потока Чнрж-уш* как видно из рис. 13, для двух исследованных чисел Рейнольдса совпадают в пределах погрешности эксперимента. Анализ данных высокоскоростной видеосъёмки показал, что кризис осушения в данном диапазоне изменения числа Рейнольдса обусловлен процессом вытеснения возникающих мета-стабильных кипящих струй жидкости с поверхности нагревателя. В соответствии с [Павленко, Стародубцева, 2003; Мацех, Павленко, 2005] вытеснение смоченных зон при пленочном течении жидкости, обусловленное перемещением межфазных границ вследствие механизма продольной теплопроводности в теплопередающей стенке, происходит при превышении порогового значения теплового потока на тепловыделяющей поверхности, так называемого равновесного теплового потока q¡H„¡ [Петухов, Ковалёв, 1962]. Для сравнения на рис. 13 представлена расчётная оценка величины критического теплового потока, соответствующего кризису осушения. Как видно из рисунка, расчёт удовлетворительно согласуется с полученными экспериментальными данными для критического теплового потока, соответствующего кризису осушения при периодическом законе тепловыделения.

В заключении представлены основные результаты работы:

1. Получены новые опытные данные по локальным коэффициентам теплоотдачи и критическим тепловым потокам в стекающей ламинарно-волновой плёнке жидкости при стационарном тепловыделении. Выявлено, что опытные данные по величине безразмерного коэффициента теплоотдачи при испарении для плёночного течения азота лежат существенно выше известных полуэмпирических зависимостей, полученных для высокотемпературных жидкостей.

2. Впервые исследована динамика распада стекающей ламинарно-волновой пленки жидкости при ступенчатом тепловыделении. Построены карты режимов, определяющих стадии развития процессов теплообмена и кризисных явлений в плёнках жидкости в широком диапазоне изменения теплового потока и числа Рейнольдса. Показано, что в области малых чисел Рей-нольдса кризис осушения происходит при подавлении вскипания в результате полного локального испарения жидкости в остаточном слое с последующим распространением сухих пятен. С увеличением числа Рейнольдса кризис осушения наступает в результате вырождения метастабильных регулярных структур. В области высоких тепловых нагрузок кризис определяется динамикой распространения высокоскоростных самоподдерживающихся фронтов испарения.

3. Получен широкий массив опытных данных по времени ожидания вскипания. Показано, что в области малых тепловых нагрузок опытные данные увеличиваются с уменьшением числа Рейнольдса и для описания характерных времён ожидания вскипания необходимо учитывать испарение со свободной поверхности и вклад конвективной составляющей теплообмена. В области высоких амплитуд тепловой нагрузки экспериментальные данные совпадают для различных чисел Рейнольдса и описываются расчётом для режима нестационарной теплопроводности при достижении на тепловыделяющей поверхности температуры предельного перегрева.

4. Установлено, что при заданной неравномерности степени орошения по ширине теплоотдающей поверхности происходит последовательная смена механизмов распада пленочного течения от режима расширения сухого пятна к режиму самоподдерживающихся фронтов испарения, характеризующемуся более чем на порядок высокими скоростями распространения.

5. Экспериментально показано, что в процессе повторного смачивания перегретой поверхности стекающей плёнкой жидкости средняя скорость перемещения границ кипящих струй значительно превышает среднюю скорость движения границ испаряющейся плёнки. Время полного коллапса сухих пятен определяется скоростью перемещения границ испаряющейся плёнки в межструйных зонах двумерного фронта смачивания.

6. В исследовании изучена динамика развития критических явлений, связанных с образованием устойчивых «сухих» пятен, и кризисом полного осушения в стекающих плёнках жидкости при периодическом законе тепловыделения. Экспериментально показано, что в условиях периодического тепловыделения при больших длительностях импульсов критические значения амплитуды тепловой нагрузки, соответствующие развитию незамы-ваемых сухих пятен, приближаются к аналогичным значениям, полученным для стационарного тепловыделения. Критические значения амплитуды импульсов, соответствующие полному осушению, определяются процессом вытеснения регулярных струй жидкости с развитым пузырьковым

кипением и согласуются с результатами расчётов для равновесного теплового потока.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Павленко А.Н., Мацех A.M., Печёркин В.В., Кнеер Р., Лель В.В., Суртасв А.С. Теплообмен и кризисные явления при интенсивном испарении в стекающих волновых плёнках жидкости // Теплофизика и Аэромеханика,

2006. Т. 13. №1. С. 93-105. (из перечня ВАК)

2. A. Pavlenko, A. Surtaev, A. Chernyavski, О. Volodin Liquid Decay and Me-tastable Regular Structures in the Falling Films at Nonstationary Heat Release // Proc. of Intern. Baltic Heat Transfer Conf. «Advances in Heat Transfer» (keynote lecture). Saint-Petersburg. Russia, 2007. Vol. 1. P. 23-33.

3. Павленко A.H., Стародубцева И.П., Суртаев А.С. Особенности эволюции сухих пятен на тепловыделяющих поверхностях при пленочном течении жидкостей // Теплофизика и Аэромеханика, 2007. Т. 14. №4. С. 535-544. (из перечня ВАК)

4. Павленко А.Н., Суртаев А.С., Мацех A.M. Переходные процессы в стекающих пленках жидкости при нестационарном тепловыделении // ТВТ,

2007. Т.45. №6. С. 905-916. (из перечня ВАК)

5. A.N. Pavlenko, A.S. Surtaev, О.A. Volodin, A.N. Chernyavskiy Development of Heat Transfer and Crisis Phenomena in Falling Wavy Liquid Films at Nonstationary Heat Release // Proc. of Fifth International Conference on Transport Phenomena In Multiphase Systems «HEAT 2008». Bialystok. Poland, 2008. Vol. 2. P. 131-138.

6. Pavlenko A.N., Surtaev A.S. Breakdown of a Falling Wave Liquid Film during Nonstationary Heat Release // Heat Transfer Research, 2008. Vol. 39. Issue 6. P. 509-517.

7. Pavlenko A.N., Surtaev A.S., Chernyavskiy A. N., Volodin O.A. Liquid Decay and Metastable Regular Structures in the Falling Films at Nonstationary Heat Release//Heat Transfer Research, 2009. Vol. 40. Issue l.P. 17-29.

8. A.N. Pavlenko, V.P. Koverda, V.N. Skokov, A.V. Reshetnikov, A.V. Vinogradov and A.S. Surtaev Dynamics of Transition Processes and Structure Formation in Critical Heat-Mass Transfer Regimes During Liquid Boiling and Cavitation // Journal of Engineering Thermophysics, 2009. Vol. 18.№ l.P. 20-38. (из перечня ВАК)

9. Суртаев А.С., Павленко А.Н. Кризисные явления в стекающих плёнках жидкости при периодически изменяющейся тепловой нагрузке // Теплофизика и Аэромеханика, 2009. Т. 16. №3. С. 485-496. (из перечня ВАК)

10. Pavlenko A.N., Surtaev A.S., Pyatkov A.S., Chernyavskiy A.N., Starodubtseva I.P., Tsoi A.N. Transitional Processes and Crisis Phenomena in Falling Wavy Liquid Films at Boiling and Evaporation under Nonstationary Heat Release //

Proc. of the 7th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics HEFAT 2010. Antalya. Turkey, 2010. P. 1109-1114.

11. Павленко A.H., Суртаев A.C., Цой A.H., Пятков А.С. Распад стекающих волновых плёнок жидкости при нестационарном тепловыделении // Труды 5-ой Российской национальной конференции по теплообмену, 2010. Т.4. С. 131-134.

12. Стародубцева И.П., Павленко А.Н., Суртаев А.С. Динамика повторного смачивания перегретой поверхности стекающей плёнкой жидкости // Труды 5-ой Российской национальной конференции по теплообмену, 2010. Т.4. С. 169-172.

13. Pavlenko A.N., Surtaev A.S., Pyatkov A.S., Chernyavskiy A.N., Starodubtseva I.P., Tsoi A.N. Decay of the Falling Wavy Liquids Films at Nonstationary Heat Release // Proc. of the 14th International Heat Transfer Conference «1НТС-14».Washington.USA, 2010. 8 p.

14. Surtaev A.S., Pavlenko A.N. Development of Crisis Phenomena in Falling Wavy Liquid Films at Nonstationary Heat Release // Microgravity Science and Technology, 2010. Vol. 22. Issue 2. P. 215-221.

Обозначения: с - удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг-К); g — ускорение силы тяжести, м-с2; q - плотность теплового потока, Вт/м2; L - длина тепловыделяющей поверхности, м; г - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; J - частота зародышеобразования,

м"3с'; Nu* = a f^/g)1 SIX - модифицированное число Нуссельта; Ja = . число Якоба; Re

гр

= 4-Г/у- пленочное число Рейнольдса; г- время, с; АТ= Т- Т11ас-температурный напор, К; V-скорость, м/с; a = ql AT - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); 5 - толщина, м; Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); Г - степень орошения, м2/с; г - кинематическая вязкость, м2/с; р - плотность, кг/м3;

Индексы: ' - относится к жидкости;" - относится к пару; кр - критический; кр.осуш - кризис осушения; м.г - межфазная граница; н - относится к нагревателю; н.к — начало вскипания; нас — относится к линии насыщения; н.Л - неустойчивость Ландау; п.исп - полное испарение; п.осуш - полное осушение; пор - пороговое значение; пер - периодический; п.п - предельный перегрев; с.п - сухое пятно; тепл - тепловой слои; ф.с - формирование структур; хар - характерный.

Подписано к печати 12 января 2011 г. Заказ № 4 Формат 60x84/16. Объем 1 уч.-изд. л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 1.

I I

Список принятых обозначений.

Введение.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ИЗУЧЕНИЮ

ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА И КРИЗИСНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЗАКОНАХ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ И ПРИ ПЛЁНОЧНЫХ ТЕЧЕНИЯХ

ЖИДКОСТИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1. Кризис теплоотдачи и развитие процессов теплообмена при нестационарном тепловыделении в условиях свободной конвекции.

1.1.1. Развитие процессов теплообмена.

1.1.2. Вскипание метастабилъной жидкости.

1.1.3. Динамика развития кризиса теплоотдачи.

1.1.4. Модели для расчёта критической плотности теплового потока при нестационарном тепловыделении.

1.2. Плёночные течения жидкости в адиабатических и неадиабатических условиях.

1.2.1. Динамика стекающих волновых плёнок жидкости.

1.2.2. Теплообмен в стекающих плёнках жидкости при стационарном тепловыделении.

1.2.3. Развитие кризисных явлений при плёночных течениях жидкости.

1.3. Автоволновые процессы при кипении.

1.4. Выводы, постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА И КРИЗИСНЫХ ЯВЛЕНИЙ В СТЕКАЮЩИХ

ПЛЁНКАХ ЖИДКОСТИ.

2.1. Экспериментальная установка.

2.2. Экспериментальный участок.

2.3. Методика измерений и проведения опытов.

2.4. Оценка погрешности измерений.

ГЛАВА 3. ТЕПЛООБМЕН И КРИТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ

СТАЦИОНАРНОМ ЗАКОНЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ.

ГЛАВА 4. РАЗВИТИЕ КРИЗИСНЫХ ЯВЛЕНИЙ, ДИНАМИКА РАСПАДА

ПЛЁНОЧНОГО ТЕЧЕНИЯ ПРИ СТУПЕНЧАТОМ ЗАКОНЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ КРИЗИСНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ НЕРАВНОМЕРНОМ ОРОШЕНИИ.

4.1. Развитие кризисных явлений в стекающих плёнках жидкости при ступенчатом подводе тепла.

4.2. Время ожидания вскипания.

4.3. Исследование динамики распространения самоподдерживающихся фронтов испарения.

4.4. Особенности развития кризисных явлений при неравномерном орошении.

4.5. Динамика повторного смачивания перегретой поверхности стекающей плёнкой жидкости.

ГЛАВА 5. РАЗВИТИЕ КРИЗИСНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ ЗАКОНЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ.

ВЫВОДЫ.

Актуальность работы. Пленочные течения жидкости широко используются в различных технологических процессах для- интенсификации тепломассопереноса. Режимы испарения и кипения в, тонких пленках жидкости обеспечивают при малых расходах жидкости и низких температурных напорах высокую интенсивность теплообмена. Компактные испарители с пленочным течением жидкости находят применение в дистилляционных (в том числе криогенных) установках, системах охлаждения и термостабилизации (в том числе, в космических приложениях), в крупномасштабных аппаратах по ожижению природного газа, в пищевой промышленности и т.д. Пленочные течения также реализуются в снарядных и кольцевых режимах течения двухфазных потоков в канальных теплообменных системах. Использование пленочных теплообменников с управляемой нестационарной тепловой нагрузкой перспективно для1-разработки малоинерционных испарителей - дозаторов подготовки смесей заданных объема и состава, малогабаритных быстродействующих выпарных', аппаратов, систем бесконтактного отбора микрообъемов жидкости" в измерительном оборудовании для диагностики состава различных сред.

Известно, что области высокоэффективного теплообмена при испарении и кипении в стекающих плёнках жидкости ограничены по тепловому потоку развитием кризиса. При достижении критического теплового потока жидкость отделяется частично или полностью от теплоотдающей поверхности, что сопровождается резким снижением интенсивности теплообмена и соответствующим ростом температуры поверхности, приводящим к разрушению тепловыделяющего элемента.

В настоящее время известно несколько механизмов, приводящих к возникновению на нагревательной поверхности сухих пятен в гравитационно-стекающих плёнках жидкости при стационарном законе тепловыделения. Во-первых, это — разрыв нагреваемой пленки под действием термокапиллярных сил или так называемого эффекта Марангони в условиях недогретой до температуры насыщения жидкости. Во-вторых, кризисные явления с образованием устойчивых сухих пятен могут наступать в результате локального утончения в остаточном слое волновой плёнки жидкости при испарении. В-третьих, ухудшение теплоотдачи связано с оттеснением плёночного потока от тепловыделяющей поверхности паровой прослойкой и развитием кризиса кипения.

Развитие кризисных явлений в существенной мере зависит от целого ряда факторов (режимные параметры течения, длина тепловыделяющей поверхности, физические свойства исследуемой жидкости, недогрев жидкости относительно температуры насыщения и т.д.). Одним из важнейших факторов является нестационарность тепловыделения, в значительной степени определяющая развитие процесса теплообмена перед кризисом и достижение максимальных значений плотности теплового потока. Тепловая нестационарность является общей особенностью работы целого ряда теплообменных аппаратов и систем термостабилизации. Известно, например, что величины предельных (критических) тепловых потоков при вскипании жидкости в условиях ступенчатого тепловыделения в большом объеме жидкости существенно ниже соответствующих значений/ при стационарной тепловой нагрузке.

Вопросы, связанные с развитием теплообмена и кризисных явлений при кипении в условиях свободной конвекции при резком увеличении тепловой нагрузки, в настоящий момент исследованы всесторонне. В то же время, исследования возникновения сухих пятен при испарении, развития кризиса при кипении в стекающих плёнках жидкости в современных справочных изданиях по теплообмену ограничены условиями стационарного тепловыделения. Закономерности процессов теплообмена и развития кризисных явлений в стекающих плёнках криогенной жидкости при различных граничных условиях на тепловыделяющей поверхности (Тн -const, qH - const) в условиях стационарного тепловыделения исследованы

10 недостаточно. Динамика' и параметры распада плёночных течений при развитии испарения и вскипания жидкости в условиях нестационарного тепловыделения остаются не изученными.

Целью работы является:

1. Получение новых опытных данных по локальной теплоотдаче, критическим тепловым потокам в режимах испарения и кипения в стекающих плёнках жидкого азота при стационарном законе тепловыделения.

2. Исследование динамики развития теплообмена и кризисных явлений при плёночных течениях жидкости в условиях ступенчатого и периодического импульсного законов тепловыделения в широких диапазонах изменения определяющих параметров.

Научная новизна;

• Показано влияние плотности теплового потока на теплоотдачу при испарении в стекающих ламинарно-волновых плёнках азота при стационарном тепловыделении при граничном условии qH - const. Анализ экспериментальных результатов показал, что опытные данные по безразмерному коэффициенту теплоотдачи в режиме интенсивного испарения не могут быть описаны в рамках существующих полуэмпирических зависимостей, полученных для высокотемпературных жидкостей.

• Впервые получены экспериментальные данные по динамике развития теплообмена и распада жидкости в стекающих плёнках при нестационарном тепловыделении. Обнаружено, что при ступенчатом законе тепловыделения в области малых чисел Рейнольдса кризис осушения в режиме подавления вскипания происходит в результате полного локального испарения жидкости в остаточном слое между гребнями крупных волн с последующим расширением сухих пятен. С И увеличением числа Рейнольдса кризис осушения наступает в результате вырождения метастабильных регулярных структур. Впервые показано, что в области высоких тепловых нагрузок кризис теплообмена в стекающих плёнках жидкости определяется динамикой распространения: высокоскоростных самоподдерживающихся фронтов испарения; Показано, что в области малых тепловых нагрузок опытные данные по времени ожидания вскипания увеличиваются с уменьшением числа Рейнольдса и для описания опытных данных необходимо учитывать испарение со свободной поверхности и вклад конвективной составляющей теплообмена. В области высоких амплитуд тепловой нагрузки экспериментальные данные по времени ожидания вскипания совпадают для различных чисел Рейнольдса и описываются расчётом для режима нестационарной теплопроводности при достижении на тепловыделяющей поверхности температуры предельного перегрева.

Обнаружено- что при заданной неравномерности степени орошения по ширине теплоотдающей поверхности происходит последовательная смена механизмов распада пленочного течения от режима развития сухого пятна к режиму самоподдерживающихся фронтов- испарения^ характеризующемуся более чем на порядок: высокими скоростями-распространения границ.

Впервые показано, что в процессе повторного! смачивания перегретой поверхности стекающей плёнкой жидкости средняя скорость перемещения- границ кипящих струй значительно превышает среднюю скорость движения/ границ испаряющейся плёнки. Время полного коллапса сухих пятен определяется минимальной скоростью, т.е. скоростью перемещения границ испаряющейся плёнки в межструйных зонах двухмерного фронта смачивания.

Показано, что в условиях периодического тепловыделения при больших длительностях импульсов - критические значения тепловой нагрузки, соответствующие возникновению устойчивых сухих пятен, , приближаются« ■ 12 к аналогичным значениям для стационарного тепловыделения. Критические значения амплитуды импульсов, соответствующие полному осушению, определяются процессом вытеснения регулярных струй жидкости с развитым пузырьковым- кипением и согласуются с результатами расчёта для равновесной плотности теплового потока.

Достоверность полученных результатов обеспечивается проведением специальных тестовых и калибровочных экспериментов с применением прецизионных датчиков и современной вторичной измерительной аппаратуры, оценкой величин погрешности- измерений. Надёжность опытных данных подтверждается повторяемостью результатов опытов, сопоставлением полученных экспериментальных, данных с данными математического моделирования.

Практическая ценность. Результаты исследований важны при разработке теплообменников - испарителей периодического действия, управляемых быстродействующих испарителей - дозаторов, отборников состава в измерительной технике, а также при лазерной обработке материалов с использованием пленочного охлаждения для создания модифицированных^ поверхностей. Практические рекомендации, полученные при проведении данных исследований, необходимы для определения безопасных и устойчивых режимов работы систем термостабилизации и устройств с пульсациями тепловой мощности при плёночном охлаждении тепловыделяющих поверхностей.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на XXVIII и XXIX Сибирских теплофизических семинарах (Новосибирск, 2005, 2010); Международных научных студенческих конференциях «Студент и научно технический прогресс» (Новосибирск, 2005-2009); Всероссийской научной

13 студенческой конференции ВНКСФ-12 (Новосибирск, 2006); XV Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Рыбинск, 2005); 4-ой и 5-ой Российских национальных конференциях по теплообмену (Москва, 2006, 2010); Всероссийских конференциях молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2006, 2007), Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2007» (Новосибирск, 2007); XVI Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Санкт-Петербург, 2007); Пятой Балтийской конференции по теплообмену (5th ВНТС) (Санкт-Петербург, 2007); Всероссийской школе - семинаре молодых учёных «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии» (Новосибирск, 2007); The Fifth International Conference on Transport Phenomena In Multiphase Systems «HEAT 2008» (Bialystok, Poland, 2008); The Third International Topical Team Workshop on Two-Phase Systems for Ground and Space Applications (Brussels, Belgium, 2008); The Fourth International Symposium on Non-Equilibrium Processes, Plasma, Combustion and Atmospheric Phenomena «NEPCAP' 2009» (Sochi, Russia, 2009); Российских симпозиумах "Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах (Новый Афон, Абхазия, 2007, 2009); The 7th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics «HEFAT 2010» (Antalya, Turkey, 2010); The 14th International Heat Transfer Conference «1НТС-14» (Washington, USA, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 33 работы, в том числе 8 в реферируемых журналах, из которых 5 в перечне ВАК.

Личный вклад автора. Данная работа выполнена в 2003 — 2010 гг. в лаборатории низкотемпературной теплофизики (зав. лаб., чл.-корр. РАН, д.ф.-м.н. А. Н. Павленко) Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО

14

РАН. Постановка задач исследований осуществлена диссертантом совместно с научным руководителем А. Н. Павленко. Разработка программного обеспечения для автоматизации экспериментального исследования, разработка и изготовление рабочих участков, проведение экспериментов, обработка, анализ и обобщение экспериментальных данных были выполнены автором самостоятельно, либо при его непосредственном участии.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю чл.-корр. РАН А. Н. Павленко за анализ и обсуждение результатов, ведущему электронику Р. М. Салаватову и слесарю МСР П. И. Анофрикову за своевременную и высококвалифицированную помощь при подготовке экспериментальных участков, автоматизации экспериментального стенда и проведении экспериментов.

Основные результаты работы опубликованы в следующих реферируемых журналах:

1. Павленко А.Н., Мацех A.M., Печёркин В.В., Кнеер Р., Лель В.В., Суртаев А.С. Теплообмен и кризисные явления при интенсивном испарении в стекающих волновых плёнках жидкости // Теплофизика и Аэромеханика. - 2006. - Т.13, №1. - С. 93-105. (из перечня ВАК)

2. Павленко А.Н., Стародубцева И.П., Суртаев А.С. Особенности эволюции сухих пятен на тепловыделяющих поверхностях при пленочном течении жидкостей // Теплофизика и Аэромеханика. -2007. - Т. 14, №4. - С. 535-544. (из перечня ВАК)

3. Павленко А.Н., Суртаев А.С., Мацех A.M. Переходные процессы в стекающих пленках жидкости при нестационарном тепловыделении // ТВТ. - 2007. - Т.45, №6. - С. 905-916. (из перечня ВАК)

4. Pavlenko A.N., Surtaev A.S. Breakdown of a Falling Wave Liquid Film during Nonstationary Heat Release // Heat Transfer Research. - 2008. -Vol.39, Issue 6. - P. 509-517.

5. Pavlenko A.N., Surtaev A.S., Chernyavskiy A. N., Volodin O.A. Liquid Decay and Metastable Regular Structures in the Falling Films at Nonstationary Heat Release // Heat Transfer Research. - 2009. - Vol. 40, Issue 1,-P. 17-29.

6. A.N. Pavlenko, V.P. Koverda, V.N. Skokov, A.V. Reshetnikov, A.V. Vinogradov and A.S. Surtaev Dynamics- of Transition Processes and Structure Formation in Critical Heat-Mass Transfer Regimes During Liquid Boiling and Cavitation // Journal of Engineering Thermophysics. - 2009. - Vol. 18, № 1. - P. 20-38. (из перечня ВАК)

7. Суртаев А.С., Павленко А.Н. Кризисные явления в стекающих плёнках жидкости при периодически изменяющейся тепловой нагрузке // Теплофизика и Аэромеханика. - 2009. - Т. 16, №3. -С. 485-496. (из перечня ВАК)

8. Surtaev A.S., Pavlenko A.N. Development of Crisis Phenomena in Falling Wavy Liquid Films at Nonstationary Heat Release // Microgravity Science and Technology. - 2010. - Vol.22, Issue 2. - P. 215-221.

Результаты исследований опубликованы в следующих трудах и сборниках ' тезисов отечественных и зарубежных конференций:

1. Суртаев A.C. Экспериментальное исследование теплообмена при испарении в стекающих по вертикальной поверхности нагрева волновых плёнках жидкого азота // Сборник тезисов XLIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно технический прогресс» Физика. Новосибирск. — 2005. — С. 36.

2. Павленко А.Н., Мацех A.M., Печёркин В.В., Кнеер Р., Лель В.В., Суртаев A.C. Исследование динамики течения и теплообмена при интенсивном испарении в стекающих волновых плёнках жидкости // Сборник тезисов XXVIII Сибирского теплофизического семинара. Новосибирск. - 2005. - С. 171-172.

3. Павленко А.Н., Мацех A.M., Печёркин В.В., Кнеер Р., Лель В.В., Суртаев A.C. Исследование динамики течения и теплообмена при интенсивном испарении в стекающих волновых плёнках жидкости // Труды XXVIII Сибирского теплофизического семинара. Новосибирск. - 2005. - Доклад №90.

4. Павленко А.Н., Суртаев A.C., Мацех A.M. Локальный теплообмен и переходные процессы при различных законах тепловыделения в, стекающих волновых пленках жидкости // Труды 4-ой Российской национальной конференции по теплообмену. Москва. — 2006. — Т.1. -С. 175-178.

5. Суртаев A.C. Исследование локального теплообмена и кризисных явлений в стекающих плёнках жидкости при' нестационарном тепловыделении // Материалы Всероссийской научной студенческой конференции ВНКСФ-12. Новосибирск. - 2006. - С. 331-332:

6. Суртаев A.C. Переходные процессы и кризисные явления в стекающих плёнках азота при ступенчатом тепловыделении // Сборник тезисов IX Всероссийской школы-конференции молодых ученых "Актуальные- вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики". Новосибирск. —2006. - С. 113-114.

7. Суртаев A.C. Динамика развития кризисных явлений при нестационарном тепловыделении в стекающих плёнках жидкого азота // Сборник тезисов XLIV Международной научной студенческой конференции «Студент и научно технический прогресс» Физика. Новосибирск. - 2006: - С. 48.

8. Павленко А.Н., Суртаев A.C. Распад стекающей плёнки при вскипании жидкости в условиях нестационарного тепловыделения // Сборник тезисов IV Российского совещания «Метастабильные состояния и флуктуационные явления». Екатеринбург. — 2007. — С. 20.

9. Павленко А.Н., Суртаев А.С., Чернявский А.Н., Володин О.А. Исследование быстропротекающих процессов тепломассопереноса при термостабилизации стекающей плёнкой жидкости в условиях нестационарной тепловой нагрузки // Труды Международного научного конгресса «ГЕО-СИБИРЬ-2007». Новосибирск. — 2007. -Т.5.-С. 168-172.

10. Чернявский А.Н., Суртаев А.С. Расчёт времени ожидания вскипания в стекающих плёнках жидкого азота при нестационарном тепловыделении // Сборник тезисов XLV Международной научной студенческой конференции «Студент и научно технический прогресс». Новосибирск. - 2007. - С. 85.

11. Суртаев А.С., Чернявский А.Н. Распад стекающей волновой плёнки жидкости при нестационарном тепловыделении // Труды XVI Школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. Санкт-Петербург. -2007. -Т.1. — С. 125-129.

12. A. Pavlenko, A. Surtaev, A. Chernyavski, О. Volodin Liquid Decay and Metastable Regular Structures in the Falling Films at Nonstationary Heat Release // Proc. of Intern. Baltic Heat Transfer Conf. «Advances in Heat Transfer» (keynote lecture). Saint-Petersburg. Russia. - 2007. - Vol.1. -P: 23-33.

13. Суртаев A.C., Володин О.А. Распад плёночного течения криогенной жидкости при нестационарных тепловых нагрузках высокой интенсивности // Сборник тезисов Всероссийской школы-семинара молодых ученых "Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии". Новосибирск. - 2007. - С. 123-124.

14. Чернявский А.Н., Суртаев А.С. Расчёт времени ожидания вскипания в стекающих плёнках жидкого- азота при ступенчатом законе тепловыделения // Сборник тезисов Всероссийской школы-семинара молодых ученых "Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии". Новосибирск. -2007. - С. 125-126.

15. A.N. Pavlenko, A.S. Surtaev, О.А. Volodin, A.N. Chernyavskiy Development of Heat Transfer and Crisis Phenomena in Falling Wavy Liquid Films at Nonstationary Heat Release // Proc. of Fifth International Conference on Transport Phenomena In Multiphase Systems «HEAT 2008». Bialystok. Poland. - 2008. - Vol.2. - P. 131-138.

16. A.N. Pavlenko, A.S. Surtaev Development of crisis phenomena in falling wavy liquids films at nonstationary heat release // Abstract of'the Third Int. Topical Team Workshop on Two-Phase Systems for Ground and Space Applications. Brussels. Belgium. - 2008. - P. 72.

17. Павленко А.Н., Суртаев А.С. Динамика распада стекающих волновых плёнок жидкости при нестационарном тепловыделении // Сборник тезисов 7-го Российского симпозиума "Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах. Новый Афон. Абхазия. - 2009. - С. 12.

18. A.N. Pavlenko, A.S. Surtaev Decay of the Falling Wavy Liquid Films at Nonstationary Heat Release // Proc. of Fourth International Symposium on Non-Equilibrium Processes, Plasma, Combustion and Atmospheric Phenomena «NEPCAP 2009». Sochi. Russia. - 2009. - P. 110-116.

19. Павленко A.H., Суртаев A.C., Цой A.H., Пятков А.С. Распад стекающих волновых плёнок жидкости при нестационарном тепловыделении // Труды 5-ой Российской национальной конференции по теплообмену. - 2010. - Т.4. - С. 131-134.

20. Стародубцева И.П., Павленко А.Н., Суртаев А.С. Динамика повторного смачивания перегретой поверхности стекающей плёнкой жидкости // Труды 5-ой Российской национальной конференции по теплообмену. - 2010. - Т.4. - С. 169-172.

21. Павленко А.Н., Суртаев А.С., Цой А.Н. Вскипание и развитие кризисных явлений в стекающих плёнках при нестационарном тепловыделении // Сборник тезисов XXIX Сибирского теплофизического семинара. Новосибирск. - 2010. - С. 155-156.

22. Павленко А.Н., Суртаев А.С., Цой А.Н. Вскипание и развитие кризисных явлений в стекающих плёнках при нестационарном тепловыделении // Труды XXIX Сибирского теплофизического семинара. Новосибирск. - 2010. - Доклад №33.

23. Pavlenko A.N., Surtaev A.S., Pyatkov A.S., Chernyavskiy A.N., Starodubtseva I.P:, Tsoi A.N. Transitional Processes and Crisis Phenomena in Falling Wavy Liquid Films at Boiling and Evaporation under Nonstationary Heat Release // Proc. of the 7th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics HEFAT 2010. Antalya. Turkey. - 2010. - P. 1109-1114.

24. Pavlenko A.N., Surtaev A.S., Pyatkov A.S., Chernyavskiy A.N., Starodubtseva I.P., Tsoi A.N. Decay of the Falling Wavy Liquids Films at Nonstationary Heat Release // Abstract of 14th International Heat Transfer Conference «1НТС-14». Washington. USA. - 2010. - 2p.

25. Pavlenko A.N., Surtaev A.S., Pyatkov A.S., Chernyavskiy A.N., Starodubtseva I.P., Tsoi A.N. Decay of the Falling Wavy Liquids Films at Nonstationary Heat Release // Proc. of the 14th International Heat Transfer Conference «1НТС-14». Washington.US A. - 2010. - 8p.

1. Авксентюк Б.П., Овчинников В.В. О динамике парообразования в воде // Сибирский физ.-техн. журн. 1992. - № 1. - С. 3-9.

2. Авксентюк Б.П., Овчинников В.В. Модель фронта испарения // ТВТ. — 1996. -Т. 34, №5. -С. 806-809.

3. Авксентюк Б.П., Овчинников В.В. Третий кризис теплоотдачи при ступенчатом теплоподводе // ПМТФ. 2001. - Т. 42, № 5. - С. 143-151.

4. Алексеенко C.B., Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г. Волновое течение пленок жидкости. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние. - 1992. - 256 с.

5. Алексеенко C.B., Назаров А.Д., Павленко А.Н., Серов А.Ф., Чехович В.Ю. Течение пленки криогенной жидкости по вертикальной поверхности // Теплофизика и аэромеханика. 1997. - Т. 4, № 3. - С. 307-318.

6. Альтов В.А, Зенкевич В.Б., Кремлёв М.Г., Сычёв В.В. Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем. М.: Издательский дом МЭИ. - 2008. -461 с.

7. Андреев В.К., Деев В.И., Савин А.Н. Исследование перехода к пленочному кипению гелия при ступенчатом набросе тепловой нагрузки // Инж.-физ. журн. 1985. - Т. 48, № 4. - С. 551-554.

8. Афанасьев С.Ю., Жуков С.А., Ечмаев С.Б. Исследование теплообмена при недогретом пузырьковом кипении в условиях стабилизации температуры проволочного нагревателя. Часть 2 // ТВТ. 1996. - Т.34. - С. 712-719.

9. Афанасьев С.Ю., Жуков С.А. Условия инициирования пузырькового режима кипения в пленочный // Кипение и конденсация: международный сборник научных трудов. Рига: Рижский Технический Университет, Кафедра теплоэнергетики. - 1997. - С. 48-58.

10. Байдаков В.Г. Перегрев криогенных жидкостей — Екатеринбург: УрО РАН. — 1995.-264 с.

11. Беляев Н.М., Рядно A.A. Методы нестационарной теплопроводности. М.: Высшая школа. - 1978. - 328 с.

12. Боришанский В.М., Фокин Б.С. Ухудшение температурного режима при внезапном увеличении тепловой нагрузки поверхности нагрева, расположенной в большом объеме жидкости // Тр. ЦКТИ, Ленинград. 1965. -Т. 58.-С. 58-63.

13. Боришанский В.М., Фокин Б.С. Возникновение кризиса теплоотдачи при нестационарном наращивании теплового потока // Тр. ЦКТИ, Ленинград. -1967.-Т. 78.-С. 31-62.

14. Буевич Ю.А., Мансуров В.В., Наталуха И.А. Автоколебательные процессы на тепловыделяющих поверхностях и третий кризис кипения // ТВТ. 1987. -Т.25.-С. 1161-1168.

15. Веркин Б.И., Кириченко Ю.А., Русанов К.В. Теплообмен при кипении криогенных жидкостей. Киев: Наукова думка. - 1987. - 262 с.

16. Вишнев И. П., Елухин Н. К., Мазаев В. В. Теплоотдача при кипении жидкого кислорода, стекающей пленкой // Труды МЭИ. 1968. - №2. — С. 3-13.

17. Воронцов Е. Г. Температуропроводность стекающих пленок // ТОХТ. 1999. - Том. 33, №2. - С. 117-127.

18. Габараев Б.А., Ковалев С.А., Молочников Ю.С. и др. Повторное смачивание и автоволновая смена режимов кипения // ТВТ. 2001. - Т. 39, № 2. - С. 322— 334.

19. Гогонин И.И., Дорохов А.Р. К обобщению опытных данных по критическим тепловым потокам в стекающих пленках жидкости // Известия Сибирского Отделения Академии Наук СССР. Сер. технических наук. 1980. - Вып. 2., №8.-С. 100-103.

20. Гогонин И.И. Теплообмен при кипении жидкости в пленке, движущейся под действием силы тяжести // ИФЖ. 2010. - № 4. - С. 821-826.

21. Гимбутис Г. Теплообмен при гравитационном течении пленки жидкости. — Вильнюс: Мокслас. 1988. - 232 с.

22. Григорьев В. А., Дудкевич А. С. Кипение криогенных жидкостей в тонкой пленке // Теплоэнергетика. 1970. - № 2. - С. 54-57.

23. Григорьев В. А., Павлов Ю. М., Аметистов Е. В. Кипение криогенных жидкостей. М.: Энергия. - 1977. - 288 с.

24. Деев В. И., Куценко К. В., Лаврухин А. А. и др. Методика расчёта ; динамических характеристик кризиса кипения воды при быстром нагреве теплоотдающей стенки // Инженерная физика. 2006. - № 4. - С. 32-37

25. Капица П.Л. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости // ЖЭТФ. — 1948.-Т. 18, вып. Г.-С. 3-28.

26. Кириченко Ю.А., Козлов С.М., Русанов К.В. и др. Теплообмен при'кипении' азота и вопросы охлаждения высокотемпературных сверхпроводников. — Киев: Наукова думка. 1992. - 592 с.

27. Ковалев С.А. Об устойчивости режимов кипения // ТВТ. 1964. - Т. 2, № 5. -С. 780-788.

28. Коверда В.П., Скоков В.Н., Решетников A.B., Виноградов A.B. Пульсации с l/f-спектром мощности при акустической кавитации воды // ТВТ. — 2005. — Т. 43, №4. -С. 631-636.

29. Кутателадзе С.С. Гидромеханическая модель кризиса теплообмена в кипящей жидкости при свободной конвекции // ЖТФ. 1950. - Т. 20, № 11.- С. 13891392.

30. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. — Изд. 5-е перераб. и доп. — М.: Атомиздат. 1979. - 416 с.

31. Луцет М.О. Предельная скорость переключения режимов кипения // Письма в ЖТФ. 1998. - Т.24, Вып.9. - С. 21 - 27.

32. Мацех A.M., Павленко А.Н. Особенности теплообмена и кризисных явлений в стекающих плёнках криогенной жидкости // Теплофизика-и Аэромеханика. -2005.-Т. 12, №1.-С. 105-119.

33. Обухов С.Г. Динамика смены режимов теплообмена при набросе тепловой нагрузки, многократно превышающей критическую // Изв. ВУЗов. Авиационная техника. 1999. - № 2. - С. 48-50.

34. Овчинников В.В. Экспериментальное исследование фронтов испарения при гетерогенном вскипании. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Новосибирск. — 1998. — 150с.

35. Павлов П.А. Динамика вскипания сильно перегретых жидкостей. — Свердловск: УрО СО АН СССР. 1988. - 248 с.

36. Павлов Ю.М., Бабич В.И. Расчет кризиса теплоотдачи при быстром росте ; теплового потока на поверхности кипения // Теплоэнергетика. 1987. - № 2. -С. 8-12.

37. Павленко А.Н. Переходные процессы при кипении и испарении // Дисс. на соискание ученой степени д.ф.- м. н. Новосибирск. - 2001. - 449 с.

38. Павленко А.Н., Стародубцева И.П., Мацех A.M. Влияние граничных условий на динамику развития очагов пленочного кипения // Теплофизика и Аэромеханика. 2003. - Т. 10, № 4. - С. 611 - 628.

39. Павленко А.Н., Чехович В.Ю. Исследование кризиса теплоотдачи при нестационарном тепловыделении // Кипение и конденсация: Сб. науч. тр. — Новосибирск. 1986. - С. 66-85.

40. Павленко А.Н., Лель В.В. Приближенная расчетная модель самоподдерживающегося фронта испарения // Теплофизика и аэромеханика. 1999. - Т. 6, № 1. - С. 111-123.

41. Петухов Б.С., Ковалев С.А. Методика и некоторые результаты измерения критической нагрузки при переходе от пленочного режима к пузырьковому // Теплоэнергетика. 1962. - № 5. - С. 65-72.

42. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А., Соловьев С.Л. Теплообмен в ядерных энергетических установках. Москва: Издательский дом МЭИ. -2003. - 548с.

43. Скоков В.Н., Коверда В.П., Скрипов В.П., Ивакин В.Б., Семёнова Н.М. Неравновесные фазовые переходы в системе сверхпроводящая плёнка-жидкий азот // ТВТ. 1996. - Т.34. - С. 802-806.

44. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии / В.П. Скрипов, E.H. Синицын, П.А. Павлов и др. Отв. ред. Г.В. Чернышова. М.: Атомиздат. - 1980. - 208 с.

45. Толубинский В.И., Островский Ю.Н., Писарев В.Е. Нестационарный кризис кипения при различных начальных тепловыделениях // Теплофизика и теплотехника. 1975. - Вып. 29. - С. 3-5.

46. Толубинский В.И., Островский Ю.Н., Писарев В.Е. «Нестационарный» кризис теплоотдачи при кипении // Теплофизика и теплотехника. — 1976. -Вып. 30.-С. 82-86.

47. Толубинский В.И., Островский Ю.Н., Писарев В.Е. Температурный режим поверхности нагрева при кипении в условиях резкого повышения мощности // Теплофизика и теплотехника. 1977. - Вып. 32. - С. 3-6.

48. Толубинский В.И., Островский Ю.Н., Писарев В.Е. Задержка кипения при* нестационарном теплообмене с фазовыми превращениями // Теплофизика и теплотехника. 1978. - Вып. 34. - С. 57-60.

49. Толубинский В.И. Теплообмен при кипении. Киев: Наукова Думка. - 1980. -316с.

50. Трифонов Ю.А. Влияние волн конечной амплитуды на испарение стекающей по вертикальной стенке пленки жидкости // ПМТФ. 1993. - Т. 34, № 6. - С. 64-71.

51. Холпанов Л.П., Шкадов В.Я. Гидродинамика и тепломассоперенос со свободной поверхностью. М.: Наука. - 1990. - 271 с.

52. Цой А.Н., Луцет М.О. Вскипание гелия-П, гелия-I и азота при нестационарном тепловыделении // Инж.-физ. журн. 1986. - Т. 51, № 1. - С. 5-9.

53. Adomeit P., Leefken A., Renz U. Experimental and numerical investigations on wavy films // In Proceedings of the 3rd European Thermal Sciences Conference (ed. E. W. P. Hahne, W. K. Heidemann & K. Spindler). 2000. - Vol. 2. - P. 1003-1009.

54. Alhusseini A.A., Tuzla K., Chen J.C. Falling film evaporation of single component liquids // Int. J. Heat Mass Transfer. 1998. - Vol. 41, № 12. - P. 1623-1632.

55. Asai A. Application of the nucleation theory to the design of bubble jet printers // Jpn. J. Appl. Phys. 1989. - Vol. 28. - P. 909-915.

56. Bourouga В., Gilles J. Roles of heat transfer modes on transient cooling by quenching process // Int. J. Mater. Form. 2009. - DOI 10.1007/sl2289-009-0645-z.

57. Bohn M.S., Davis S.H. Thermocapillary breakdown of falling liquid film at high Reynolds numbers // Int. J. Heat Mass Transfer. 1993. - Vol. 36. - P. 18751881.

58. Blum J., Liittich Т., Marquardt W. Temperature wave propagation as a route from nucleate to film boiling // Proceedings of the second int. symposium on two-phase flow. Modeling and experimentation. 1999. - Vol. 1. - P. 137-144.

59. Brauer H. Strömung und Wärmübergang bei Reisel-filmen. Düsseldorf: VDY -Forschungsheft. - 457. - 1956. - № 22. -P. 5-40.

60. Chai L.H., Shoji M., Peng X. F. Dry patch interaction caused by lateral conduction in transition boiling // Int. J. Heat Mass Transfer. 2001. - Vol. 44. - P. 4169-4173.

61. Chang H.-C, Demekhin E.A. Complex wave dynamics on thin films. Elsevier. -2002.-402 p.

62. Chun K.R., Seban R.A. Heat transfer to evaporating liquid films // J. Heat Transfer. 1971. - Vol. 93, № 4. - P. 391-396.

63. Chinnov E.A., Kabov O.A., Marchuk I.V., Zaitsev D.V. Heat transfer and breakdown of subcooled falling water film on a vertical middle size heater // Int. J. Heat and Technology. 2002. -Vol. 20, No 1. - P. 69-78.

64. Cooper M.G., Lloyd A.P. The microlayer in nucleate pool boiling // Int. J. Heat Mass Transfer. 1969. - Vol. 12, № 8. - P. 895-913.

65. Deev V.l., Oo H.L., Kharitonov V.S., Kutsenko K.V., Lavrukhin A.A. Critical heat flux modeling in water pool boiling during power transients // Int. J. Heat Mass Transfer. 2007. - Vol. 50, № 19-20. - P. 3780-3787.

66. Dietze G.F., Leefken A., Kneer R. Investigation- of the back flow phenomenon in falling liquid films // J. Fluid Mech. 2008. - Vol. 595. - P. 435-459:

67. Dietze, G.F., Al-Sibai F., Kneer R. Experimental study of flow separation in laminar falling liquid films // J. Fluid Mech. 2009. - Vol. 637. - P. 73-1041

68. Drach V., Fricke J. Transient heat transfer from smooth surfaces into liquid nitrogen // Cryogenics. 1996. - Vol. 36, № 4. - P. 263-269.

69. Drach V., Sack N., Fricke J. Transient heat transfer from surfaces of defined roughness into liquid nitrogen // Int. J. Heat Mass Transfer. 1996. - Vol. 39, № 9.-P. 1953-1961.

70. Dua S. S., Tien C. L. An experimental investigation of falling-film rewetting // Int. J. Heat Mass Transfer. 1978. - Vol. 21. - P. 955-965.

71. Faw R.E., Vanvlect R.J. and Schmidt D.L. Pre-presserization effects on initiation of subcooled pool boiling during pressure and power transients // Int. J. Heat Mass Transfer. 1986. - Vol. 29; № 9. - P. 1427-1437.

72. Frost D:L. Dynamics of explosive boiling of a droplet // Phys. Fluids. 1988. -Vol. 31, №9.-P. 2554-2561.

73. Fujita T., Ueda T. Heat transfer to falling films and film breakdown-II. Saturated liquids film with nucleate boiling // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1978. - Vol. 21.-P. 109-118.

74. Girratano P.J. Transient boiling heat transfer from two different heat sources: small diameter wire and thin film flat surface on a quartz substrate // Int. J. Heat Mass Transfer. 1984. -Vol. 27, № 8. - P. 1311-1318.

75. Gogonin I.I., Dorokhov A.R., Bochagov V.N. Stability of «dry patches» in thin falling liquid films // Fluid. Mech. Sov. Res. 1979. - Vol. 8. - P. 103-109.

76. Harkonen M. Heat transfer to evaporating falling films of water and sugar/water solution // Warme- und Stoffiibertragung. 1994. - Vol. 29. - P. 349-353.

77. Jayanti S., Hewitt G.F. Hydrodynamics and heat transfer of wavy thin film flow // Int. J. Heat Mass Transfer. 1997. - Vol. 40. - P. 179-190.

78. Katto Y. Critical heat flux // Int. J. Multiphase Flow. 1994. - Vol. 20. - P. 53-90.

79. Miyara A. Numerical, analysis on flow dynamics and heat transfer of falling liquid films with interfacial waves // Heat Mass Transfer. 1999. - Vol. 35. - P. 298-306.

80. Mudawar I.A., Incropera T.A. and Incropera F.P. Boiling heat transfer and-critical heat flux in liquid film falling on vertically-mounted heat sources // Int. J. Heat Mass Transfer. 1987. - Vol. 30. - P. 2083-2095.

81. Nusselt W. Die Oberflachenkondensating des Wasserdampfes // Zeitsehrist VDI. -1916.-Bd. 60.-P. 541-546.

82. Oker E., Merte H. A study of transient effects leading up to inception of nucleate boiling // Proceedings of the 6th International Heat Transfer Conference, Toronto. 1978. - Vol. 5. - P. 139-144.

83. Okuyama K., Takehara R., Iida Y. Pumping action by boiling propagation in a microchannel // Microscale Thermophysical Engineering. 2005. - Vol. 9. — P. 119-135.

84. Park H.K. Pressure generation and measurement in the rapid vaporization of water on a pulsed-laser-heated surface // J. Appl. Phys. 1996. - Vol; 80. - P. 40724081.

85. Park C. D., Nosoko T. Three-dimensional wave dynamics on a falling film and associated mass transfer // AIChE Journal. 2003. - Vol. 49, №11. - P. 27152727.

86. Pavlenko A.N., Chekhovich V.Yu. Heat transfer crisis at transient heat release // Russian Journal of Engineering Thermophysics. 1991. - Vol. 1, № 1. - P. 73-92.

87. Pavlenko A. N., Lei V. V., Serov A. F., Nazarov A.D. and Matsekh A.M. Wave amplitude growth and heat transfer in falling intensively evaporating liquid film // J. Eng. Thermophys. 2002. - Vol. 11-, № 1. - P. 7-43.

88. Pavlenko A. N., Lei V.V. Heat transfer and crisis phenomena in falling films of cryogenic liquid // Russian Journal of Engineering Thermophysics. 1997. - Vol. 7.-P. 177-210.

89. Pavlenko A.N., Lei V.V. Model of self-maintaining evaporation front for superheated liquids // Proceedings of the Third Intern. Conf. on Multiphase Flow, ICMF-98. 1998. - № 4.

90. Portalski S. Eddy formation in film flow down a vertical plate // Ind. Engng Chem. Fundam. 1964. - Vol. 3, № 1. - p. 49-53.

91. Reinke P., Yadigaroglu G. Explosive vaporization of superheated liquids by boiling fronts // Int. J. of Multiphase Flow. 2001. - Vol. 27. - P. 1487-1516.

92. Schagen A., Modigell M. Local film thickness and temperature distribution measurement in wavy liquid films with a laser-induced luminescence technique // Exp. Fluids. 2007. - Vol. 43. - P. 209-221.

93. Sinha D.N., Brodie L.C., Semura J.S. Young F.M. Premature transition to stable, film boiling initiated by power transients in liquid nitrogen // Cryogenics. 1979: - № 4. — P. 225-230.

94. Sinha D.N., Brodie L.C., Semura J.S. Liquid to vapor homogeneous nucleation in liquid-nitrogen // Phys. Rev. B.,- 1987. Vol 36, № 11. - P. 4082-4085.

95. Steward W.G. Transient helium heat transfer. Phase I static coolant // Int. J. Heat Mass Transfer. - 1978. - Vol. 21, № 7. - P. 863-874.

96. Tsukamoto O. and Uyemura T. Observation of bubble formation mechanism of liquid nitrogen subjected to transient heating // Adv. Cryogenic Eng. 1980. -Vol. 25.-P. 476-482.

97. Ueda T., Inoue M. and Nagatome S. Critical heat flux and droplet entrainment rate in boiling of falling liquid films // Int. J. Heat Mass Transfer. 1981. - Vol. 7. - P. 1257-1266.

98. Unal C., Daw V., Nelson R. Unifying the controlling mechanisms for, the critical heat flux and quenching: the ability of liquid to contact the hot surface // ASME J. Heat Transfer. 1992. - Vol. 114. - P. 972-982.

99. Wang J. Preliminary analysis of rapid boiling heat transfer // Int. Comm. Heat Mass Transfer. 2000. - Vol. 27, No. 3. - P. 377-388.

100. Weise F., Scholl S. Evaporation of pure liquids with increased viscosity in a falling film evaporator // Heat Mass Transfer. 2009. - Vol. 45. - P. 1037-1046.

101. Wilke W. Wärmeübergang an Rieselfilme // VDI Fortschritte. 1962. - Vol. 490.

102. Yamamouchi A. Effect of core spray cooling in transient state after loss-of-coolant accident // J. Nucl. Sei. Tech. 1968. - Vol. 5. - P. 547-558.

103. Zhukov S.A., Barelko V.V., Merzhanov A.G. Wave processes on heat generating surfaces in pool boiling // Int. J. Heat Mass Transfer. 1980. - Vol. 24, № 1. — P.

104. Zuber N. Hydrodynamic aspects of boiling heat transfer // AEC Report No. AECU-4439. 1959.47.55.