Автореферат (Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами), страница 8

Вкачестве последних использовались прецизионные пьезоэлектрическиедатчики Kistler (Швейцария) и PCB (США), а также оригинальныеволоконно-оптические преобразователи, разработанные в ОИВТ РАН.Волоконная оптика использовалась также в режиме пленочного кипения дляизучения характеристик паровых оболочек. Помимо зондовых измерений вопытах проводились визуальные наблюдения с применением скоростных(Redlike MotionScope 1000) и обычных (Canon MV500i) цифровыхвидеокамер.В процессе исследований было решено несколько методических вопросов.В частности, с целью определения времени и площади соприкосновенияохладителя с нагревательной поверхностью был разработан иэкспериментально обоснован электроконтактный метод их определения.Другая решенная методическая задача связана с оценкой влиянияимпульсного теплового воздействия на показания пьезоэлектрическихмембранных датчиков давления.

Показано, что это воздействие приводит к30генерации «паразитного» знакопеременного сигнала, который можноошибочно трактовать как низкочастотные знакопеременные пульсациидавления. В подразделе также проанализированы погрешности определениятемпературы и давления, вызванные инерционностью применяемыхизмерительных методик.В главе 3.4 представлены результатыпроведенныхэкспериментальныхисследований.Эксперименты с жидкометаллическимикаплями. Полученные опытные данныеподтвердилиработоспособностьпредложенныхоригинальныхметодикисследований, в частности, возможностьа)дробления висящих перегретых оловянныхкапель при контакте с холодной водой.

Былоустановлено, что для нагретых на воздухеоловянных капель сход паровой пленки носитспокойный характер, не приводящий кдроблению расплава. Фрагментация принагреве оловянной капли наблюдается тольков случае соприкосновения охладителя соб)«свежей»поверхностьюрасплава,выдавленного из капилляра. Вид конечныхфрагментов дробления оловянных капельпоказан на рис.

17. Формы осколков всущественнойстепенизависятоттемпературырасплава(температурныйдиапазон исследований составлял 200 – 7000С) и свидетельствуют о разных механизмахв) его фрагментации.Результаты экспериментов, проведенных вдиапазоне температур (300 – 1600) 0С наодиночных оловянных и стальных каплях,нагретых с помощью токов высокой частоты(300 кГц), свидетельствуют, во-первых, чторежимы пленочного кипения недогретой водынажидкометаллическихкапляхиметаллических сферах отличаются темпомг)охлаждения нагретых тел, который дляРис.

17. Фотографии оловянныхкапель значительнофрагментов:(а)–тонкая жидкометаллическихфрагментация; (б) – пористая больше.Наиболеевероятнаяпричинасреда; (в) – застывшие струи; (г) – интенсификации теплообмена – образованиеотсутствие фрагментации.поверхностных волн на жидкометаллической31капле при отрыве парового пузыря с границы раздела фаз пар –охлаждающая жидкость (вода).В-вторых, специфика стальных капель при нагреве на воздухе, помимообразования волнистой поверхности, состоит в генерации большогоколичества жидкометаллических брызг – искр (рис.

18а), вылетающих снагретого тела (капельная эрозия металла). В условиях нагрева в инертнойсреде аргона поведение стальной гладкой капли имеет другую интереснуюособенность, связанную с образованием жидкометаллических кумулятивныхструй, «выстреливающих» из воронок, образующихся на горячем теле.Механизм образования подобных струй и воронок требует дополнительного(рис. 18б) изучения.Процесс искрообразования является причиной того, что на каплях стали,нагретых на воздухе и погруженных в холодную воду, режим пленочногокипения не наблюдается, а имеет место интенсивное пузырьковое кипение,которое препятствует взрывной фрагментации расплава. Поэтому, можнопредположить, что на воздухе, в условиях горения кориума, составнойчастью которого является расплавленная сталь, возникновение спонтанногопарового взрыва по механизму, связанного с коллапсом паровых оболочек,маловероятно.б)а)Рис.

18. Фотографии стальной капли (шарикоподшипниковая сталь ШХ15), нагретой ввоздушной среде – капельная эрозия стали на воздухе (а) и в атмосфере аргона (б).Температура капли ≈ 1600 0С.Экспериментыствердымиметаллическимиповерхностямиполусферическойформы.Какотмечалосьвыше,опытысжидкометаллическими каплями характеризуются слабой повторяемостьюрезультатов. Постоянно воспроизводимый взрывной сход паровой пленкинаблюдается на перегретых телах, изготовленных из нержавеющей стали.Исследования на подобных образцах с торцевой поверхностьюполусферической формы позволили выявить особенности развития иразрушения паровых пленок при атмосферном давлении в диапазонахизменения температур нагревателя 150 – 700 0С и охлаждающей воды, 15 –95 0С. Было установлено существенное различие сходов пленки при большихи малых недогревах (менее 20 0С) охлаждающей воды; в последнем случаевзрывное разрушение паровой оболочки не наблюдается.

Показано, что привзрывном вскипании жидкости охлаждение полусфер сходно с процессомостывания фрагментирующейся оловянной капли, а темп охлаждения (~300320С/c) существенно (около 3-х раз) выше, чем при спокойном разрушениипарового слоя. С помощью видеосъемки обнаружен и описан режимколебательного состояния пленки пара около горячих поверхностей.Обнаружено, что подобные колебания, имеющие характерную частотунесколько десятков Гц и амплитуду ~ 200 мкм, могут возникать только приопределённых соотношениях температур нагретой поверхности иохладителя, что также характерно для процесса фрагментации капель.Было замечено, что растворенные в воде газы и находящиеся в ее объемечастицы окалины уменьшают устойчивость парового слоя и приводят кпреждевременному разрушению (сходу) паровой пленки при более высокихзначениях температуры нагретой поверхности.

Результаты измерениядавления внутри паровой полости выявили наличие характерныхнизкочастотных пульсаций данной величины, связанные, по всейвероятности, с попаданием в паровую полость пузырей газов, растворенных вохладителе.При проведении исследований взрывного разрушения паровой оболочкиоколо горячего тела (полусферы) было установлено, что данный процесссопровождается пульсациями знакопеременного давления. Было обнаружено,что вне зависимости от температуры воды, импульсы давления достигаютмаксимальных значений при температуре полусферы близкой к температурепредельного перегрева охладителя Тпп. При температурах поверхностивблизи и ниже Тпп пульсации давления представляют собой отдельныеположительные короткие (десятки мкс) импульсы давления, достигающиезначений 106 Па и выше, разделённые относительно продолжительными (~1мс) временными интервалами.

При температурах поверхности больших, чемТпп датчики фиксируют пакеты знакопеременных импульсов давления,частота которых увеличивается с ростом температуры нагретой поверхности.Р, КПа102001612-108-2040Время t , мс01234-30а)100.04860.0230 мкс40.00Сигнал с датчикадавления, ВD экв. , ммПадение напряжения, В2420-0.0200.10.20.30.40.5Время t, мсб)Рис.

19. Характерный вид совместных осциллограмм давления и эквивалентногодиаметра пятна контакта. Образец полусферы из нержавеющей стали – (а). (б) –иллюстрация, поясняющая методику определения времени прогрева. Температураполусферы 210 0С, температура охлаждающей воды – 60 0С.Совместно с мониторингом температуры охладителя и нагретого тела, вопытах одновременно проводились синхронные (точность синхронизации1мкс) измерения эквивалентного диаметра смоченной поверхности и33давления в момент схода (разрушения) паровой пленки.

Данные измеренияпозволяют получить дополнительную количественную информацию омеханизмах соприкосновения охладителя с горячей стенкой, касающуюся, вчастности, времени прогрева холодной жидкости перед ее вскипанием.Характерный вид полученных экспериментальных кривых показан на рис.19. Из представленных графиков видно, что взрывному сходу паровойпленки предшествует прямой контакт жидкости с греющей поверхностью,после которого с выдержкой в несколько десятков микросекунд генерируетсяимпульс давления. Время задержки вскипания уменьшается с ростомтемпературы поверхности (рис. 20).

Можно предположить, что на этомвременном интервале происходит прогрев тонкого пристенного слояжидкости до температуры предельного перегрева (кинетический переход вметастабильное состояние) и его гомогенное взрывное вскипание.Было установлено, что с увеличением температуры охладителяуменьшается значение максимальной амплитуды в пакете импульсовдавления, которое при температуре воды 900С не превышало 104 Па. Данные,представленные на рис.21, характеризуются существенным разбросомопытных значений (при одинаковой температуре охладителя экспериментыповторялись 10 – 15 раз), что связано с множеством случайных факторов,влияющих на процесс соприкосновения охладителя с нагретой поверхностьюв широком (190 – 3500C) диапазоне изменения ее температуры.Рис. 20.

Зависимость времени прогрева водыперед ее вскипанием от температурыполусферы. Температура воды: 1 – 20 0С, 2 –60, 3 – 80.Рис.21.Характернаязависимостьмаксимального давления от температуры воды.1 – полусфера, 2 – датчик давления, 3 – вода, 4– паровая прослойка. 5 – L = 5 ммВ главе 3.5 представлены результаты анализа экспериментальных данных.Полученная оригинальная информация позволяет по-новому объяснитьнекоторые особенности протекания режимов кипения на перегретыхповерхностях применительно к вопросу о взрывном взаимодействии расплав– охладитель.Результаты численных оценок, выполненных на основе известныхэмпирических зависимостей, подтвердили гипотезу, что колебательныйрежим существования паровой пленки возникает в условиях, когданевозможно все тепло, поступающее от нагревателя к поверхности разделафаз пар – жидкость, отвести в охладитель посредством механизма свободной34конвекции.