Отзыв оппонента 2 (Теплофизические проблемы получения стабильных капельных потоков с минимальным разбросом по скорости и размерам капель)

ОТЗЫВ официального оппонента на диссертационную работу Бухарова Александра Васильевича "ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ СТАБИЛЬНЫХ КАПЕЛЬНЫХ ПОТОКОВ С МИНИМАЛЬНЫМ РАЗБРОСОМ ПО СКОРОСТИ И РАЗМЕРАМ КАПЕЛЬ", представленную на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 01.04.14 — «Теплофизика и теоретическая теплотехника». Актуальность работы. Проблемы разработки и создания криогенных корпускулярных мишеней при исследовании фундаментальных проблем ядерной физики, а также капельных холодильников излучателей для мощных космических и транспортных энергосистем на современном этапе развития энергетики являются чрезвычайно актуальными.

Во многих случаях традиционные системы охлаждения, в том числе и на базе тепловых труб, неприемлемы, поскольку их масса может значительно превышать массу всей энергосистемы. В связи с этим проблема обеспечения заданных тепловых режимов работы оборудования и его конструктивных элементов является весьма актуальной в энергетике, радиоэлектронной, лазерной, авиационной и ракетно-космической технике, химической и пищевой промышленности. Поэтому необходимы совершенно иные, нетрадиционные подходы к решению данной проблемы, которой посвящена рецензируемая диссертация. Использование криогенной корпускулярной мишени в качестве элемента лазерных технологий позволит: изучать вещество в экстремальном состоянии; создавать компактные ускорители заряженных частиц (электронов, протонов и тяжелых ионов); даст возможность производить изотопы и разрабатывать новые методы в ядерной медицине; создавать новые источники излучения для микро и наноэлектроники.

Одной из важнейших задач в области космических систем и технологий является создание новых перспективных систем теплоотвода от космических аппаратов. С точки зрения максимального теплоотвода особый интерес представляют радиационные капельные холодильники излучатели - КХИ. В излучателях такого типа используются монодисперсные капельные потоки из вязких жидкостей. Особенно эффективно использование КХИ в тех случаях, когда мощность теплоотвода от космического аппарата превышает 100 кВт, а при мощностях больших 10 МВт конкуренцию КХИ не может составить ни одна из существующих систем теплоотвода.

Автором предлагается метод решения данной проблемы путем использования в системах охлаждения монодисперсных потоков капель. Это может оказаться весьма эффективным, поскольку делает системы охлаждения более компактными и легкими по сравнению с обычными трубчатопластинчатыми теплообменными аппаратами (ТОА). Кроме того, КХИ обладают следующими преимуществами перед традиционными ТОА: излучающая поверхность КХИ нечувствительна к воздействию потоков микрометеоритов и оружия направленного действия; обеспечивает простоту развертывания в космосе и в сложенном положении занимает малый объем в грузовом отсеке транспортного корабля. Следует отметить, что идея использования поверхности частиц дисперсных потоков вещества в открытом космосе в качестве теплообменной поверхности принадлежит отечественным ученым Базарову В.Г.

и Душкину А. Л. К сожалению, автор этого не указал. В работе поставлена основная цель — создание, на базе существующей и предлагаемой автором технологии, моделей высокоэффективных компактных "капельных" ТОА (КХИ), способных передавать большие тепловые потоки при малой массе и создание научной базы для разработки и конструирования таких теплообменников, а также создание установок по получению криогенных корпускулярных мишеней, что позволит изучать вещество в экстремальном состоянии; создавать компактные ускорители заряженных частиц (электронов, протонов и тяжелых ионов); даст возможность производить изотопы и разрабатывать новые методы в ядерной медицине; создавать новые источники излучения для микро и наноэлектроники и т.п.

Поскольку получение монодисперсных потоков капель является чрезвычайно трудной задачей, то автор естественно уделяет большое внимание вопросам каплеобразования. При этом он детально теоретически (гл. 2) и экспериментально (гл. 3 — 5) исследует механизмы процесса каплеобразования, что позволило ему, впервые получить оригинальные результаты, несмотря на то, что проблема каплеобразования исследуется уже около 200 лет. В основе предыдущих исследований в области получения и использования монодисперсных потоков капель лежит известная линейная теория Релея— Вебера. В данной работе автор указывает на области, в которых данная теория нуждается в уточнении (области глубокого вакуума и криогенные температуры).

В работе рассматривается комплекс как научных, так и практических аспектов, имеющих место в "капельных" теплообменниках. Полученные результаты позволили автору сформулировать практические рекомендации для создания таких теплообменников. Кроме того автор огромное внимание уделяет вопросам каплеобразования криогенных жидкостей (гл. 4 и 5), что также позволило ему, впервые получить оригинальные результаты. На основании вышеперечисленного, можно считать рецензируемую работу, несомненно, актуальной. Достоверность и новизна полученных автором результатов определяется надежностью как известных использованных, так и специально разработанных методов диагностики процессов каплеобразования и экспериментальных исследований, а также обоснованностью допущений, принимаемых в предлагаемых методах расчета.

Используемые методики дополняли друг друга и обеспечивали независимый контроль экспериментальных данных. К наиболее интересным, полученным автором диссертационной работы результатам следует отнести: — впервые проведены комплексные исследования теплофизических и конструкционных проблем создания нового класса космических теплообменниковкапельных холодильников излучателей, в том числе и экспериментальные испытания в космосе (программы «Пелена-2» и «Капля-2»); — впервые для широкого диапазона изменения динамической вязкости рабочей жидкости (0,004 Па с < и <0,3 Па с) экспериментально исследовано влияние вязкости на основные характеристики ВКРС; — впервые установлено, что при большой вязкости жидкости т~ > 0,04 Па с скорость роста волны возмущения замедляется, с ростом вязкости волна возмущения становится нелинейной, т.е.

не может быть описана в рамках линейной теории Рэлея-Вебера; — впервые экспериментально при инжекции жидких водных струй и струй из криогенных жидкостей в среду с низким давлением обнаружен эффект отклонения струи от первоначального вертикального положения; — впервые проведены систематические исследования теплофизических и конструкционных проблем создания нового класса перспективных технологических установок по получению криогенных корпускулярных мишеней; — впервые экспериментально исследованы режимы получения тонких криогенных струй водорода, азота и аргона: режим начального получения струи, режим неустойчивости струи и режим устойчивой криогенной струи; — впервые для выходных насадок с диаметром меньше 30 мкм экспериментально обнаружена связь между суммарным количеством твердых примесей, растворенных в сжиженном рабочем газе, и временем работы; — впервые 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 области монодисперсного распада; — впервые экспериментально установлено, что нижняя граница начала области 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 экс- периментально обнаружена зависимость между значением оптимального волнового числа lс и диаметром струи П Это означает, что классическая теория Рэлея для распада тонких струй из криогенных жидкостей с диаметром меньше 30мкм не применима.

Научная новизна и ценность. Учитывая трудности получения монодисперсных потоков капель, автор диссертации большое внимание уделяет изучению особенностей процесса каплеобразования. Исследование закономерностей распространения колебаний по свободной жидкой поверхности — одна из важных научных проблем, частными случаями которой является изучение закономерностей капиллярного распада струй из вязких и из криогенных жидкостей и получение стабильных капельных потоков с минимальным разбросом по скорости и размерам капель. Однако экспериментальных работ в этой области относительно мало, особенно в условиях высокого вакуума и низких температур порядка 16 К.

В силу этого, можно утверждать, что научную ценность работы представляют полученные в ходе выполнения диссертации экспериментальные результаты, которые дадут возможность развить сушествующие и предложить новые теоретические подходы. Кроме того, использование разработанных оригинальных методик в дальнейших исследованиях капиллярного распада струй и капельных потоков позволит повысить точность и надежность получаемых результатов.

Практическая ценность заключается в том, что полученные экспериментальные результаты, разработанные расчетные модели и программы, а также полученные в результате обработки экспериментальных данных эмпирические формулы позволяют обоснованно выбирать для радиационных капельных космических теплообменников и установок по получению криогенных корпускулярных мишеней геометрические размеры и оптимальные теплофизические параметры. Разработанная на основе представленных в диссертации результатов система генерации монодисперсных потоков использовалась в космических испытаниях макета капельного радиационного теплообменника в 2008 году на станции «Мир» (программа «Пелена-2») и в 2014 году на Международной космической станции (программа «Капля-2»).