Автореферат (Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами), страница 9

Сходство в температурных условиях возникновения колебанийпаровых полостей около нагретых поверхностей и фрагментации горячихжидкометаллических капель, падающих в воду, позволяет предположить, чтоотсутствие дробления капель при малых недогревах теплоносителя можетбыть обусловлено увеличением толщины парового слоя, затрудняющимвозможность прямого контакта холодной жидкости и горячей поверхности.Результатыпроведенныхчисленныхрасчётовнестационарныхтемпературных полей нагретого образца в режимах пленочного ипереходного кипения свидетельствуют о совпадении экспериментальных ирасчетных данных при значениях задаваемых в расчетах значенияхкоэффициентов теплоотдачи α ≈ 270 Вт/м2К и α ≈106Вт/м2К в условияхспокойной пленки и при ее взрывном разрушении, соответственно.Последний результат предполагает, что в режиме переходного кипенияплотность теплового потока, отводимого от нагретой поверхности можетдостигать ~ 108 Вт/м2.На основе визуальных наблюдений, анализа продуктов дробления ирезультатов совместных измерений импульсов давления, площади смоченнойповерхности и температуры предложены: качественная схема начальногоэтапа соприкосновения воды с перегретой поверхностью; уточненнаятемпературная карта режимов дробления, предполагающая доминированиекавитационно-акустического механизма при тонкой фрагментации капель.В заключении 3.6 к разделу III перечислены основные результатыисследований механизмов вскипания недогретых жидкостей на горячихповерхностях.

Применительно к вопросам возникновения и развитияспонтанного парового взрыва отмечается, что: 1) отсутствие фрагментациипри малых значениях недогрева охладителя можно объяснить резкимувеличением толщины парового слоя, что препятствует соприкосновениюводы с горячей поверхностью; 2) значение амплитуд импульсов давления привзрывном разрушении паровых оболочек может достигать ~ 106Па, чтодостаточно для фрагментации соседних капель и инициировании ПВ; 3)механизм «тонкой» фрагментации расплава, наиболее вероятно, обусловленударно-волновыми эффектами внутри капли, которые недостаточно полноосвещены в литературе и требуют дальнейшего изучения.ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫПри участии автора и под его частичным или полным руководством:1.Разработанрядоригинальныхизмерительныхметодик,приспособленных для исследования термогидродинамических процессов сжидкометаллическими рабочими телами при комнатных температурах.1.1.

Разработана методика измерения двух мгновенных компонентскорости в жидких металлах с помощью волоконно-оптическихпреобразователей. Отработана технология изготовления датчиков влабораторных условиях, а также исследованы их метрологическиехарактеристики. Основные параметры датчиков: скоростной диапазон (в35пересчете на поток ртути) 0.1 – 15 см/с; измерительный объем –0.6×0.03×0.03 мм3; температурная область – до ~ 1000C; динамическийдиапазон 0 – 200 Гц (динамические искажения менее 1.2 %). Установлено,что магнитные и электрические поля в требуемом исследовательскомдиапазоне (изменений чисел Стюарта N = 0 – 0.05 и плотностиэлектрического тока j ≤ 107А/м) не влияют на их показания.Разработаны аналоговая аппаратура и программные продукты длявосстановления мгновенных значений двух компонент скорости позначениям величин выходных электрических сигналов.

На примере задачи опоперечном обтекании цилиндра потоком ртути в магнитном полеподтверждена работоспособность и научная эффективность примененияволоконно-оптических датчиков.1.2. Созданы оригинальные волоконно-оптические датчики давления,изготовленные из стекла или металла. Экспериментально и теоретическиисследованы их метрологические характеристики, которые определяютсяцелями исследований. Показано, что по своим геометрическим размерам,чувствительностиидинамическомудиапазонуразработанныепреобразователи не уступают мембранным датчикам других типов, авозможность изготавливать их самостоятельно в лабораторных условияхупрощает проведение опытов.

Волоконно-оптические датчики обладаютслабой зависимостью показаний от внешних электромагнитных полей, чтопозволяет использовать их в сильноточных процессах для оценкидостоверности показаний других преобразователей давления.1.3. На основе разработанных волоконно-оптических систем измеренияперемещений предложены и реализованы на практике различныеконструкции датчиков, предназначенные для исследования динамикиповедения границы раздела фаз пар – жидкость.1.4. Развит малоинерционный (характерная частота измерений 1 МГц)электроконтактный метод оценки параметров (площади и времени)соприкосновения холодной воды с перегретой поверхностью при сменережимов кипения охладителя.

Определены методические ограничения,связанные с использованием пьезоэлектрических датчиков давления вусловиях импульсного температурного воздействия на поверхность ихчувствительных элементов.2. Выполнены пионерские экспериментальные исследования по изучениюструктуры турбулентных электровихревых течений в условиях,моделирующих термогидродинамические и МГД процессы в различныхплавильных и сварочных агрегатах.2.1. Совместно с латвийскими коллегами (ИФ АН Латв. ССР) впервыеприменительно к проблемам электрошлаковой сварки и электрошлаковогопереплава на ртутных моделях исследованы поля скорости турбулентныхэлектровихревых течений. Продемонстрирована эффективность примененияволоконно-оптических датчиков скорости для изучения ЭВТ.

Выявлены36общие закономерности, связывающие скорость электровихревых течений ссилой электрического тока и геометрическими характеристиками установок.2.2. На специально созданной установке ОИВТ РАН (рабочий участок –полусферический контейнер с малым центральным электродом; рабочие тела– эвтектический сплав In–Ga–Sn или ртуть) в интервале значений параметраэлектровихревого течения 2×106 ≤ S ≤ 8.5×109 с помощью волоконнооптических преобразователей проведены количественные измерения скоростиэлектровихревых течений, созданных постоянным электрическим током.Выделено два характерных режима течения ЭВТ без наличия и сприсутствием азимутальной закрутки.

Показано, что в условиях отсутствияазимутальной закрутки ЭВТ по своей структуре представляет тороидальныйвихрь, создающий на поверхности расплава течение, сходящееся к маломуэлектроду. Установлено, что в подобных обстоятельствах поля скоростиосевого потока в контейнерах, имеющих полусферические и цилиндрическиеформы, вблизи малого электрода обобщаются зависимостями, характернымидля струйных течений.Выявлено, что осевое вращение жидкости в горизонтальной плоскостиобусловлено взаимодействием электрического тока, растекающегося пожидкому металлу, с внешними магнитными полями, включая магнитное полеЗемли. Посредством измерения скоростей в объеме токонесущей жидкостивпервые экспериментально подтверждено, что азимутальная закруткаэлектровихревого потока приводит к генерации вторичного тороидальноговихря, циркулирующего в вертикальной плоскости. Возникшее вторичноедвижение кардинальным образом изменяет структуру ЭВТ, резко замедляявертикальную составляющую течения во всей ванне вплоть до локальныхизменений его направления.2.3.

Разработана математическая модель и в электродинамическомприближении выполнены расчеты полей скорости, температуры иконцентрации в полусферической ванне. Достоверность полученныхчисленных результатов подтверждена экспериментом.Проведена оценка влияния внешних (в том числе слабых) магнитных полейна структуру ЭВТ и продемонстрирована ошибочность подхода,игнорирующего данное взаимодействие. Показано, что даже магнитное полеЗемли способно вызвать осевую закрутку расплава в промышленных ваннах,влекущую за собой изменение гидродинамической структуры всего ЭВТ.Пренебрежениеподобнымэффектомприпроведениирасчетовэлектрошлаковой сварки и переплавки металлов может привести кполучению некорректных физических результатов.Определены границы формирования вторичных циркуляционных потоков вмеридиональнойплоскости.Выявленоявлениенеустойчивостисуществования гидродинамической системы ЭВТ с двумя тороидальнымивихрями, которое подтверждается результатами измерений температуры вобъеме токонесущей жидкости.

Оценено влияниевнешнего МП на37интенсивность перемешивания и время плавления металлов. Установленанеоднозначность этого воздействия.2.4. С помощью взаимно дополняющих друг друга экспериментальных ирасчетных исследований изучено влияние деформации свободнойповерхности расплава на характеристики ЭВТ. Показано, что оттеснениеэлектропроводящей жидкости от поверхности малого электрода, вызванноепинч-эффектом, приводит к уменьшению площади соприкосновениярасплава с электродом, сопровождающееся ростом интенсивностиэлектровихревых течений, и в предельном случае – образованиюэлектродугового пробоя.3.

Экспериментально, применительно к проблеме спонтаннойфрагментации расплава при паровом взрыве, исследовано вскипаниенедогретой воды на перегретых телах (в том числе на металлических каплях).3.1. На основании результатов проведенных опытов и анализалитературных данных представлена оценочная температурная карта режимовфрагментации оловянных капель. Показано, что при ~250 < Т < 400 0Спреобладает термомеханический механизм их разрушения, а при болеевысоких значениях Т может иметь место тонкая фрагментация расплава,вызванная, предположительно, ударно-волновыми эффектами.3.2. Экспериментально обосновано предположение, что длительнаявременная задержка или полное отсутствие фрагментации капель при малых(~20 оС для воды) недогревах охладителя связаны с резкой интенсификациейрежима его испарения.

Увеличение парообразования приводит к ростутолщины парового слоя и затрудняет контакт жидкости с перегретой каплей.3.3. На основании результатов одновременных совместных измеренийдавления, параметров контакта и температур охладителя и горячего тела –металлического образца полусферической формы описана возможная схемапротекания начального этапа соприкосновения воды с перегретойповерхностью. Установлено, что характер разрушения паровой пленки(спокойный или взрывной) в существенной степени определяется наличием итолщиной слоя окислов на нагретой поверхности.