Диссертация (Теплофизические проблемы получения стабильных капельных потоков с минимальным разбросом по скорости и размерам капель), страница 3

Разработка и создание автоматизированной экспериментальной установки для комплексного исследования теплофизических и конструкционных проблем получения из вязких жидкостей стабильных капельных потоков с минимальным разбросом по скорости и размерам капель. Разработкагенератора монодисперсных капель, стабильно работающего при температурах до 400 К, и тестирование различных технологий изготовления выходныхсопел насадок.5. Исследование, применительно к капельным холодильникам излучателям, следующих теплофизических и конструкционных проблем: влияниявязкости рабочей жидкости на характеристики режима перехода от капельного режима к струйному режиму; влияния вязкости на рост амплитудывозмущения и на оптимальную частоту распада; влияния давления окружающей среды на поперечную и продольную устойчивость капельных потоков.Структура и краткое содержание диссертационной работы.

Структурно работа состоит из введения, 5-и глав, основных выводов и списка литературы. Работа содержит 390 страницы текста, в том числе: 134 рисунка,8 таблиц. Библиография насчитывает 286 наименований.В первой главепредставлен анализ литературы по вопросам, связан-ным с получением и использованием стабильных капельных потоков с минимальным разбросом по размерам и скорости для решения проблем теплоотвода от космических аппаратов и для создания технологий, основанных12на взаимодействии вещества в виде криогенных корпускулярных мишеней свысокоэнергетичными пучками.

Дано описание принципа работы, преимуществ, основных характеристик, возможных конструкций установок по получению криогенных корпускулярных мишеней и систем теплоотвода откосмических аппаратов – капельных холодильников излучателей. Сформулированы основные конструкционные и теплофизические проблемы криогенных корпускулярных мишеней и капельных холодильников излучателей. Отмечено, что экспериментальное исследование этих проблем осложненоследующими обстоятельствами: малым размером капель и гранул (от нескольких микрон до одного миллиметра); большими скоростями (до 100 м/с);высоким вакуумом; наличием низких температур (от 16 К до 90 К) при исследовании криогенных корпускулярных мишеней и высоких температур (до400 К) при исследовании капельных холодильников излучателей.

Показано,что главной нерешённой проблемой остаётся получение стабильных монодисперсныхкапельных потоков с разбросом по размерам и скорости, непревышающим 0,1%. Подчёркивается, что решение данной проблемы невозможно без усовершенствования существующих и развития новых методовизмерений характеристик капельных потоков, без проведения дополнительных исследований капиллярного распада жидких струй в широком диапазонетемператур (от 16 К до 400 К).На основании анализа литературы сформулирована цель диссертационной работы и основные задачи для её достижения.Во второй главе на основании анализа имеющейся литературы показано, что на момент начала исследований, представленных в диссертации, несуществовало надёжных экспериментальных методик одновременного измерения основных характеристик вынужденного капиллярного распада струй(ВКРС) и характеристик, образующихся в результате распада струй монодисперсных капельных потоков.

Представлено описание специально разработанной для решения задач, поставленных в диссертации, методологии автоматизированной прецизионной диагностики характеристик ВКРС и ка-13пельных потоков. Дано подробное описание методологии, рабочих алгоритмов, аппаратурного оформления и программного обеспечения. С помощьюспециально поставленных экспериментов подтверждена работоспособность иэффективность автоматизированной прецизионной диагностики, и определена её погрешность.

Отмечено, что разработанные оригинальные методикии программное обеспечение существенным образом расширяют возможностиэкспериментальных исследований струй и капельных потоков. Использование этих методик программного обеспечения в дальнейших исследованияхкапельных потоков позволит повысить точность и надёжность экспериментальных результатов.Третья глава посвящена результатам комплексного исследования теплофизических и конструкционных проблем получения стабильных капельныхпотоков применительно к задаче создания нового вида космических теплообменников – капельных холодильников излучателей (КХИ).Дано подробное описание экспериментальной установки – макета КХИи отдельных её систем: вакуумной, системы подачи теплоносителя, системыгенерации монодисперсных капель и измерительной системы.

Установкасоздана на кафедре низких температур МЭИ и предназначена для исследования проблем получения стабильных капельных потоков из вязких жидкостей. Представлены метрологические характеристики и особенности применения используемых датчиков давления, температуры иисполнительныхэлементов.

Отмечено, что обработка показаний датчиков, контроль процессаполучения капиллярных струй и капель, визуализация всей полученной информации и управление системами экспериментальной установки осуществляются в режиме «on line» с помощью автоматизированной системы управления и контроля. Для работы системы используется специально разработанное программное обеспечение.Подробно описан разработанныйгенератор монодисперсных капель иотмечено, что основным достоинством генератора является постоянство амплитуды давления в различных точках насадки. Представлены результаты14тестирования различных технологий изготовления выходных насадок и экспериментов по определению амплитудно-частотной характеристики генератора и влияния на неё температур до 400 К. Подчёркнуто, что пренебрежение влиянием на величину начальной амплитуды частоты возбуждения итемпературы может привести к получению некорректных физических результатов.

Представлены результаты специально поставленных экспериментов по получению плотных струйных потоков с минимальным угловым отклонением осей струй друг от друга.Отмечено, что у КХИ имеется ряд технических проблем, связанных соспецификой движения космических аппаратов в условиях вакуума и отсутствия сил тяжести.

Эксперименты на космической станции «Мир» [150-152]показали, что в нестационарных режимах (начальный пуск и переход с одной орбиты на другую) возможен как переход струйного режима в капельный, так и переход капельного режима в струйный. В результате, струи теплоносителя становятся нестабильными, капельный поток разрушается, ибольшая часть теплоносителя не доходит до коллектора. Представлены методика и данные экспериментальных исследований по влиянию на смену одного режима другим: температурырабочей жидкости, вязкости жидкости,скорости истечения и выходных диаметров сопел насадки.Для диапазона изменения динамической вязкости η от 0,004 Па∙с до0,3Па∙с представлены результаты экспериментов по изучению влияния вязкости жидкости на рост амплитуды возмущения и на оптимальную частотураспада.

Отмечено, что используемая в настоящее время для описания капиллярного распада вязких жидкостей теория Рэлея-Вебера основана на независимой эволюции отдельных гармоник, составляющих начальный гармонический сигнал. Подчёркнуто, что результаты экспериментов для жидкостей с малой вязкостью достаточно хорошо согласуются с теорией РэлеяВебера и с данными других авторов. Однако для жидкостей с большой вязкостью обнаружено существенное отклонение экспериментальных данныхот предсказаний теории Рэлея-Вебера, что может служить свидетельством15влияния нелинейного взаимодействиягармоник друг на друга, не учиты-ваемых теорией.

Отмечено, что изучение нелинейных эффектов ВКРС важнос научной точки зрения, так как позволит определить: границы применимости теории Рэлея-Вебера для монодисперсного распада струй вязких жидкостей, основные параметры монодисперсного распада и возможный разброскапель по скорости и размерам. С практической точки зрения знание параметров монодисперсного распада необходимо для получения максимальноготеплоотвода и минимальных потерь теплоносителя капельной пелены. В результате обработки всей совокупности экспериментальных данных полученаэмпирическая формула, связывающая оптимальное волновое число km с числами Re и Oh.Представлен анализ литературы, посвящённой изучению факторов,влияющих на изменение первоначальной структуры капельного потока.

Показано, что на изменение первоначальной структуры потока сильное влияниеоказывают: внешнее давление, взаимодействие капель друг с другом в результате испарения и конденсации молекул на их поверхности и начальныйразброс скоростей отдельных капель потока. Отмечено, что в большинствепроведённых расчётно-теоретических исследований нет сопоставления полученных результатов с опытными данными, поскольку экспериментальныхработ в этой области из-за сложности проведения экспериментов крайне мало. Сделан вывод, что к настоящему моменту общая картина влияния давления окружающей среды и начального разброса скоростей капель на поперечную и продольную неустойчивость капельных потоков отсутствует.Дано подробное описание методики, и приведены экспериментальныерезультаты по исследованию влияния давления окружающей среды на устойчивость капельных потоков.