Диссертация (Теплофизические проблемы получения стабильных капельных потоков с минимальным разбросом по скорости и размерам капель), страница 5

Представлены методика и данные экспериментальных исследований влияния скачка уплотнения на разрушение капель водорода диаметром от 30 мкм до 50 мкм при прохождении капель через шлюзы разной длины и с разным выходным диаметром. Установлено, что капли сдиаметром большим50 мкм не успевают замёрзнуть в шлюзах длинойменьшей 5 см и, в силу этого, разрушаются на выходе из шлюза.

На основании сравнения экспериментальных результатов с результатами расчётов получена эмпирическая оценка температуры переохлаждения капель водорода,хорошо согласующаяся с расчётной оценкой температуры переохлаждения,основанной на вероятности образования зародышей новой фазы в среде переохлажденной жидкости.

Используя шлюзы длиной более 12 см, полученывысокоскоростные монодисперсные потоки твёрдых гранул, и впервые установлено, что распределения гранул по углу вылета из шлюза и по скоростисоответствуют нормальному распределению.На основании сравнения всей совокупности экспериментальных результатов с результатами численных расчётов с использованием модели теплофизических процессов получения криогенных корпускулярныхмишенейсделан вывод, что модель, в целом, адекватно описывает теплофизическиепроцессы и может быть использована для определения характеристик криогенных корпускулярных мишеней.В выводах представлены наиболее важные научные результаты, полученные при выполнении всей диссертационной работы.Методы исследования, достоверность и обоснованность полученных результатов. Основным методологическим подходом, реализованным21в диссертационной работе, является экспериментальное обоснование всехтеоретических выводов и расчётных результатов.При проведении экспериментальных исследований использовались какизвестные, так и специально разработанные методики.

Используемые методики дополняли друг друга и обеспечивали независимый контроль экспериментальных данных.Основной экспериментальной методикой являлась фиксация и запоминание исследуемых процессов с помощью современных методов высокоскоростной записи изображений.

Фиксация процессов происходила в течениекороткого времени экспозиции (порядка 0,1 мкс) с помощью двух цифровыхвидеокамер, расположенных под углом девяносто градусов друг к другу.Обработка записанных изображений осуществлялась в режиме «on line» спомощью специально разработанного программного обеспечения.

Использование двух камер, короткого времени экспозиции и специального программного обеспечения позволяло определять параметры исследуемых процессов с высоким пространственным и временным разрешением.Достоверность полученных основных положений и выводов в диссертации подтверждена:оценкой величины погрешности измерений, постанов-кой специальных тестовых экспериментов, сравнением с экспериментальными и теоретическими результатами других авторов.Научная новизна работы заключается в следующем:1. Проведены систематические исследования теплофизических и конструкционныхпроблем создания нового класса космических теплообменни-ков – капельных холодильников излучателей.2.

Для широкого диапазона изменения динамической вязкости рабочейжидкости (0,004 Па∙с < η <0,3 Па∙с) экспериментально исследовано влияниевязкости на основные характеристики капиллярного распада струй – на ростамплитуды возмущения и на оптимальную частоту распада:– установлено, что при большой вязкости жидкости η > 0,04 Па∙с ско-22рость роста волны возмущения замедляется. Чем больше вязкость, тем больше волна возмущения становится нелинейной, причём начало нелинейныхэффектов приближается к месту истечения струи. Рост волны возмущенияперестаёт быть монотонным и не может быть описан в рамках линейнойтеории Рэлея-Вебера;– впервые обнаружено, что при вязкости η > 0,005 Па∙с (Oh-1 < 20) ипри малых скоростях (Re<20) влияние вязкости и скорости жидкости на величину оптимального волнового числа оказывается более существенным,чем предсказывает теория.

В этой области отличие между экспериментальноизмеренным оптимальным волновым числом и числом, рассчитанным потеории Рэлея-Вебера, может достигать сорока процентов.3. Экспериментально исследовано влияние давления окружающей среды на устойчивость капельных потоков, и определены значения минимальных относительных среднеквадратичных начальных отклонений поперечной и продольной скоростей капель.4.

Для широкого диапазона изменения динамической вязкости рабочейжидкости (0,004 Па∙с < η <0,3 Па∙с) экспериментально исследовано, применительно к нестационарным режимам КХИ (начальный пуск и переход с одной орбиты на другую), влияние вязкости рабочей жидкости на переходструйного режима в капельный и капельного режима в струйный:– установлено, что общим для сопел с разными выходными диаметрами является превышение давления прямого перехода (от капельного режимак струйному) над давлением обратного перехода (от струйного режима к капельному);–впервыеобнаружено,чтовобластибольшихвязкостей0,02 Па∙с < η <0,3 Па∙с и малых скоростей струй (Oh >1, Re <2) границы начала области рэлеевского распада для обоих режимов перехода смещены вобласть больших чисел Вебера и по-разному зависят от числа Вебера.5.

В ходе экспериментов по инжекции жидких струй в среду с низкимдавлением обнаружен эффект отклонения струи от первоначального верти-23кального положения. Эффект впервые зафиксирован для водных струй и дляструй из криогенных жидкостей. Эксперименты показали, что направлениезагиба выбирается струёй случайным образом. Однако выбранное направление при малой величине загиба со временем не меняется. При больших углахзагиба наблюдается периодическое скачкообразное изменение направления, атакже колебания нераспавшейся части струи;– впервые экспериментально установлено, что эффект начинает проявляться при давлении окружающей среды в четыре раза меньше давления, соответствующего давлению насыщенных паров жидкости при данной температуре.6. Проведены систематические исследования теплофизических и конструкционныхпроблем создания нового класса перспективных технологиче-ских установок по получению криогенных корпускулярных мишеней.7.

Впервые экспериментально исследованы режимы получения тонкихкриогенных струй водорода, азота и аргона – режим начального полученияструи, режим неустойчивости струи и режим устойчивой криогенной струи:– обнаружены новые нерэлеевские режимы неустойчивости струй, иопределены параметры области их существования;– определены параметры областиустойчивого распада криогенныхструй.8. Исследовано влияние примесей, растворённых в сжиженном рабочемгазе, на время работы установок по получению криогенных корпускулярныхмишеней:– впервые для сопел с диаметром меньше 30 мкм экспериментально обнаружена связь между суммарным количеством твёрдых примесей, растворённых в сжиженном рабочем газе, и временем работы.9.

Проведены систематические исследования капиллярного распада жидких криогенных струй:– впервые получен монодисперсный распад тонких струй водорода, азота и аргона (диаметр от 5 мкм до 30 мкм), и определены параметры области24монодисперсного распада;– впервые экспериментально установлено, что нижняя граница началаобласти рэлеевского распада для криогенных струй из водорода, азота и аргона смещается в область меньших скоростей и диаметров;– впервые для струй азота и водорода с диаметром меньше 30 мкм экспериментально обнаружена зависимость между значением оптимальноговолнового числа km и диаметром струи Dj. Это означает, что классическаятеория Рэлея для распада тонких струй из криогенных жидкостей с диаметром меньше 30 мкм не применима.10. Проведены экспериментальные исследования теплофизических процессов устойчивого прохождения каплями шлюзов и получения твёрдых гранул (мишеней):– впервые экспериментально установлено, что капли с диаметромбольше 50 мкм в результате переохлаждения не успевают замёрзнуть в шлюзах длиной меньше 5см и, в силу этого, под влиянием скачка уплотненияразрушаются на выходе из шлюза.

Для капель водорода получена эмпирическая оценка температуры переохлаждения;– получены высокоскоростные монодисперсные потоки твёрдых гранулводорода, и для таких потоков впервые исследована функция распределениягранул по углу вылета из шлюза и вид распределения гранул по скорости.Установлено, что распределение гранул по углу вылета из шлюза и распределение гранул по скорости соответствуют нормальному распределению, иопределены значения среднеквадратичного углового отклонения капель поуглу вылета и относительное среднеквадратичное отклонение капель по скорости.Научная ценность.

Изучение закономерностей распространения колебаний по свободной жидкой поверхности является одной из важных научных проблем, частными случаями которой является изучение закономерностей распространения колебаний по свободной поверхности тонких струй из25вязких и из криогенных жидкостей. Однако экспериментальных работ в этойобласти относительно мало. Вызвано это сложностью как самого объекта исследования, малым размером капель и гранул (от нескольких микрон до одного миллиметра) и их большими скоростями (до 100 м/с), так и большимифинансовыми затратами, необходимыми для создания экспериментальногооборудования и проведения экспериментов в широком диапазоне температурот 16 К до 400 К и в условиях высокого вакуума.В силу этого, научная ценность работы заключается в полученных экспериментальных результатах, которые дадут возможность развить существующие и предложить новые теоретические подходы.