Диссертация (Теплофизические проблемы получения стабильных капельных потоков с минимальным разбросом по скорости и размерам капель)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования «Национальный исследовательский университет«МЭИ»На правах рукописиБУХАРОВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯСТАБИЛЬНЫХ КАПЕЛЬНЫХ ПОТОКОВ С МИНИМАЛЬНЫМРАЗБРОСОМ ПО СКОРОСТИ И РАЗМЕРАМ КАПЕЛЬСпециальность 01.04 .14 – Теплофизика и теоретическая теплотехникаДиссертация на соискание ученой степенидоктора технических наукМосква – 20162ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МОНОДИСПЕРСНЫХТЕХНОЛОГИЙ1.1.

Монодисперсные технологии................................................................ ....... 341.2. Криогенные корпускулярные мишени.................................................. ...... 351.2.1. Принцип работы криогенных корпускулярных мишеней ивозможные схемы применения............................................................................ 351.2.2. Теплофизические проблемы криогенных корпускулярныхмишеней.........................................................................................................

........ 451.2.3. Конструкционные проблемы криогенных корпускулярныхмишеней.......................................................................................................... ....... 591.3. Капельные холодильники излучатели..................................................... .... 621.3.1. Проблемы теплоотвода от космических аппаратов............................. .. 621.3.2. Принцип работы капельных холодильников излучателей...................

. 671.3.3. Теплофизические проблемы капельных холодильниковизлучателей...................................................................................................... ..... 691.3.4. Конструкционные проблемы создания капельных холодильниковизлучателей..................................................................................................... ...... 791.3.5. Экспериментальные исследования капельных холодильниковизлучателей..................................................................................................... ......

891.4. Постановка задач исследования............................................................... .... 921.4.1. Проблемы криогенных корпускулярных мишеней и постановказадач исследования........................................................................................ ....... 921.4.2.

Проблемы капельных холодильников излучателей и постановказадач исследования.......................................................................................... ..... 963ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ2. 1. Методология определения характеристик ВКРС................................... ... 992. 2.

Методология определения основных параметров капиллярногораспада жидких струй................................................................................. ....... 1042.2.1. Методика получения и обработки изображений................................ .. 1052.2.2. Методика определения параметров ВКРС: длины нераспавшейсячасти струи, угла отклонения струи от вертикали, формы и диаметраструи и капель, скорости струи и капель..................................................... .... 1102.3. Описание программы определения основных параметров ВКРС.......

.. 1182.4. Тестирование методик и программного обеспечения........................... ... 1232.5. Выводы................................................................................................... ...... 124ГЛАВА 3. КАПИЛЛЯРНЫЙ РАСПАД СТРУЙ ВЯЗКИХЖИДКОСТЕЙ3.1. Экспериментальная установка для комплексного исследованиятеплофизических и конструкционных проблем получения стабильныхкапельных потоков.......................................................................................

...... 1263.2. Исследование характеристик переходных режимов............................ ... 1493.2.1. Переходный режим от капельного к струйному............................. ... 1513.3. Капиллярный распад струй вязких жидкостей..................................... ....

1653.3.1. Влияние вязкости на рост амплитуды возмущения............................ . 1693.3.2. Влияние вязкости жидкости на оптимальную частотураспада...........................................................................................................

...... 1793.4. Влияние давления окружающей среды на поперечную ипродольную устойчивость капельных потоков........................................... .... 1863.4.1. Факторы, влияющие на изменение первоначальной структурыкапельного потока...............................................................................................

1863.4.2. Экспериментальное исследование влияние давления окружающейсреды на устойчивость капельных потоков.................................................. ... 1913.5. Выводы.................................................................................................... ..... 2004ГЛАВА 4. РАСЧЁТНАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХПРОЦЕССОВПОЛУЧЕНИЯ КРИОГЕННЫХ КОРПУСКУЛЯРНЫХ МИШЕНЕЙ4.1. Инжекция жидких испаряющихся капиллярных струй в средус низким давлением......................................................................................

...... 2064.2.Расчётная модель теплофизических процессов получениякриогенных корпускулярных мишеней...................................................... ...... 2184.3. Программа расчёта характеристик капель и гранул.......................... ...... 2254.4. Результаты расчёта характеристик капель и гранул........................... ..... 2344.5.

Выводы.................................................................................................. ....... 241ГЛАВА 5. КАПИЛЛЯРНЫЙ РАСПАД И ПОЛУЧЕНИЕ ТВЁРДЫХГРАНУЛ (МИШЕНЕЙ) ИЗ КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ5.1. Экспериментальная установка потеплофизических и конструкционныхкомплексному исследованиюпроблем получения криогенныхкорпускулярных мишеней......................................................................... ....... 2445.2. Получение жидких криогенных струй................................................... ...

2835.2.1. Экспериментальная проверка результатов расчетов основныхконструкционных элементов криогенной корпускулярной мишени......... ... 2835.2.2. Влияние примесей на устойчивое получение жидкихкриогенных струй......................................................................................... ...... 2945.3. Капиллярный распад и получение твёрдых гранул (мишеней)из криогенных жидкостей...........................................................................

....... 3075.3.1. Режимы получения криогенных струй.............................................. ..... 3185.3.2. Капиллярный распад криогенных струй из жидкого водорода,азота и аргона.............................................................................................. ........ 3215.3.3. Получение твёрдых гранул из криогенных жидкостей.................... ..

3385.4. Выводы.................................................................................................. ....... 344ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ......................... .... 350Условные обозначения................................................................................. ...... 358Список использованных источников...........................................................

..... 3635ВВЕДЕНИЕАктуальность проблемы. В последние десятилетия возрос интерес киспользованию дисперсных систем в различных технологических процессах.Результатом этого стало появление нового вида технологий, так называемыхмонодисперсных технологий или МД технологий. Основу МД технологийсоставляют монодисперсные потоки сферических частиц размером от нескольких микрон до одного миллиметра с разбросом по размерам и скорости,не превышающим 0,1%.Исследованием проблем получения и практического использования монодисперсных потоков в последние годы занимаются многие ведущие исследовательские центры и фирмы как у нас в стране, так и за рубежом.

ВРоссии в этом направлении работают учёные из Ракетно-космическая корпорация «Энергия», ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», МАИ, МЭИ, МГТУ, ИТЭФ,С-ПбГПУ. Среди зарубежных научных центров можно отметить Институтядерной физики в г. Юлих (FZJ, Германия), университет в г. Упсала (Швеция), Вашингтонский университет, НАСА, «Боинг» (Boeing), «МакдоннеллДуглас Аэроспейс» (McDonnell Douglas Aerospace) и «Грумман»(Grumman).В настоящее время МД технологии широко используются в следующихобластях науки и техники: энергетике, машиностроении, химической промышленности, металлургии, медицине, биотехнологиях и т.д.Кроме уже известных вариантов появились и новые технологические варианты.

Среди них наиболее интересными и перспективными является использование монодисперсных потоков для решения проблем теплоотвода откосмических аппаратов и для создания технологий, основанных на взаимодействии вещества в виде криогенных корпускулярных мишеней с высокоэнергетичными пучками.В общем виде криогенные корпускулярные мишени представляют собой поток твёрдых монодисперсных гранул из криогенных жидкостей, обладающих следующими уникальными свойствами: высокой светимостью, ма-6лой дисперсией по скорости и размеру гранул (мишеней), возобновляемостью.Благодаря уникальным свойствам, использование криогенных корпускулярных мишеней перспективно при исследовании фундаментальных проблем ядерной физики. Мишени такого типа уже являются элементом следующих научных программах: «WASA CELSIUS» (Швеция); программа исследований на протонном ускорителе ИТЭФ и ряд других.

В ближайшеевремя создание криогенных корпускулярных мишеней планируются на ускорителях в г. Юлих (Германия) и в г. Ланьчжоу (Китай). Криогенная корпускулярная мишень рассматривается как наиболее важный элемент будущихэкспериментов на новом европейском ускорителе ФАИР (Facility forAntiproton and Ion Research – FAIR) в Дармштадте (Германия). Ожидается,что эксперименты будут проводиться с высокоэнергетичными пучкамиэнергией до 15 ГэВ и станут дополнением к исследованиям, осуществляемымна Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.Развитие лазерных технологий сделало возможным получение ультракоротких лазерных импульсов высокой интенсивности.

Взаимодействие таких импульсов с веществом мишени приводит к образованию плазмы и к появлению различных корпускулярных и электромагнитных излучений. Например, образующаяся в результате взаимодействия плазма может служитьисточникомультрафиолетового излучения с экстремально малой длинойволны λ ≈ 13 нм (extreme ultra violet – EUV). Это означает, что плотность насыщения микросхем полупроводниковыми элементами при тех же размерахможно увеличить в 20 раз.Из имеющихся экспериментальных данных следует, что длина волныизлучения плазмы, вид корпускулярного и электромагнитного излучения зависят как от вещества мишени, так и от интенсивности, и длительности лазерных импульсов.