Диссертация (Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами), страница 48

Вероятно, что в этой ситуациилокальный всплеск давления способствует растеканию жидкости.Напротив, сравнительно высокая температура перегрева поверхностиускоряет вскипание жидкости и ухудшает смачивание нагретого тела. Тогдапроцесс превращается в совокупность высокочастотных элементарныхпроцессов «касание–вскипание» меньших объемов жидкости с порождениемпакетов импульсов меньшей амплитуды. При этом от импульса к импульсуплощадь смачиваемой поверхности возрастает.Высокая теплопроводность материала горячего тела увеличивает тепловуюинерционность системы, способствуя сохранению исходного состояния ипротиводействуя смене режимов кипения. Малотеплопроводное и хорошосмачиваемое покрытие, напротив, благоприятствует переходу в режимпузырькового кипения.Наоснованиипредставленныхвышерезультатовсизвестнойосторожностью можно предположить следующую качественную физическую353модель начального соприкосновения воды с перегретой поверхностью,сопровождающуюся образованием одиночных импульсов давления.Рис.

3.85. Возможная схема протекания процесса соприкосновения охладителя сперегретой поверхностью. I – нагретое твердое тело; II – паровая пленка; III – вода.При опускании горячего образца в холодную жидкость, вокруг полусферыобразуется паровая пленка (см. стадия 1 на рис. 3.85), причем, как показалирезультаты специально проведенных экспериментов, непосредственногокасания горячего тела и холодной жидкости при относительно медленнойскорости погружения (~0.2 мм/с) не наблюдается. Толщина паровойпрослойки достигает максимального значения, а затем, в процессе остыванияполусферы (стадия 2 на рис. 3.85), начинает утончаться. Время остыванияможет доходить до нескольких десятков минут.

На поверхности раздела пар–жидкость развиваются капиллярные волны. В какой-то момент времени(начало стадии 3) по случайным причинам возникает контакт гребня этойповерхности раздела жидкость – пар с нагретой стенкой. В нашем случаенаиболее вероятным местом этого соприкосновения представляется нижняячасть полусферы, поскольку именно там толщина паровой пленкиминимальна и составляет согласно оценочным измерениям ~20 мкм. Далее354контактирующая жидкость в течение нескольких десятков микросекундпрогревается (стадия 3) и вскипает, т.е.

образуется паровой пузырь в нижнейчасти полусферы (стадия 4). Увеличение паровой полости в течениенескольких десятков микросекунд приводит к инициированию импульсовдавления и одновременному увеличению площади смачивания охладителемнагретой поверхности (стадия 5). Затем, по мере стабилизации размеровпузыря наблюдается кратковременный (несколько десятков микросекунд)процесс оттеснения воды от горячей поверхности (стадия 6). Последующийростплощадисмачиваемойповерхности,одновременноскоторымпроисходит нагрев контактирующей жидкости (стадия 7) происходитвследствие конденсации пара и резкому (длительность – сотни мкс)схлопыванию пузыря в недогретой жидкости.Дальнейший характер процесса, а именно, образование одного илинескольких пузырей, т.е.

единичных всплесков или пакета импульсовдавления, определяется соотношением скорости смачивания и плотноститеплового потока, подводимого к жидкости (стадия 8). Затем жидкость,контактирующая по всей поверхности полусферы, вскипает (стадия 9), чтоприводит к образованию общего парового объёма.

Длительность перехода отстадии 8 к режиму развитого пузырькового кипения (стадия 9) споследующим развитием режима свободной конвекции может составитьнесколько секунд.Анализ результатов проведенных экспериментов и литературных опытныхданных позволил создать предварительную рабочую карту режимов,связывающую температуру нагретой оловянной капли с определенныммеханизмом ее дробления и характеристиками образующихся фрагментов.Было установлено, что в температурном диапазоне ~ (230 – 400) 0С имеетместо относительно медленный (характерное время – миллисекунды)процесс фрагментации капель, протекающий по термомеханическомумеханизму.

В подобных условиях наблюдаются крупные фрагментыдробления, имеющие, в основном, пустотелую или игольчатую форму.355При температурах оловянной капли 400 – 700 0С преобладает тонкоедиспергированиерасплава,сочетающеесясобразованиемпористойструктуры. Подобная структура наблюдается при фрагментации вязких средпод действием распространяющихся в них ударных волнах [3.128, 3.129].Поэтому можно предположить, что в этом температурном диапазоне имеетместокавитационно-акустическийРезультатыизмеренияимпульсовмеханизмфрагментациидавлениякапель.подтверждаютэтопредположение и свидетельствуют, что их значение при взрывном сходепаровой пленки может достигать 106 Па, т.е.

амплитуды, достаточной дляфрагментации капли. Поскольку подобные импульсы давления наблюдалисьпри температуре поверхности расплава близкой к температуре предельногоперегрева воды, т.е. существенно ниже значений начальной температурыкапли, то можно предположить, что при соприкосновении охладителя сгорячей стенкой имеют место эффекты предварительного «захолаживания»поверхности и повторного смачивания.Табл. 3.5.ТемпературнаяПреобладающийСхематическоеобласть,тип фрагментацииизображениеград. Спроцесса~(230 – 400)Термомеханическая Рис. 3.5.модель дробления~(400 – 700)> ~700КавитационноРис.

3.8акустическаямодель дробленияФрагментацияпрактическиненаблюдается из-забольшой толщиныоксидного слояФотографии фрагментовРис. 3.17а, рис. 3.47 а) и б).Рис. 3.17d, рис. 3.45 а) и б)Рис. 3.17b, рис. 3.45 г)В области температур T ~> 7000С фрагментация практически ненаблюдается, что, по-видимому, связано с образованием на поверхностиоловянных капель толстого слоя окислов в процессе их относительнодлительного остывания в режиме пленочного кипения. Описанная картатемпературных режимов, позволяет, на наш взгляд, целенаправленнеепроводить будущие экспериментально-расчетные исследования, уделив356большее внимание относительно мало изученному, но важному дляпонимания тонкой фрагментации, кавитационно-акустическому механизмудробления капель.В заключении отметим, что полученные опытные данные стимулировалинескольконаучныхгруппкуглубленному исследованиювопросов,связанных с изучением устойчивости парового слоя [3.130 – 3.132] ивлиянием неравновесных граничных условий на процессы тепломассообмена[1.133, 1.134].3.5.4.

Выводы1. Результаты численных оценок, выполненных на основе известныхкритериальных 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 механизмов свободнойконвекции. В подобных условиях имеют место интенсификация испаренияжидкости и резкий рост толщины паровой оболочки. Сходство втемпературных условиях возникновения колебаний паровых полостей околонагретых поверхностей и фрагментации горячих жидкометаллическихкапель, падающих в воду, позволяет предположить, что отсутствиедробления капель при малых недогревах теплоносителя также может бытьобусловленоувеличениемтолщиныпаровогослоя,затрудняющимвозможность прямого контакта холодной жидкости и горячей поверхности.2.

На основе визуальных наблюдений, анализа затвердевших осколковкапель и результатов совместных измерений импульсов давления, площадисмоченной поверхности и температуры предложены: качественная схема начального этапа соприкосновения воды с перегретойповерхностью; уточненная температурная карта режимов фрагментации, предполагающаядоминированиекавитационно-акустическогофрагментации капель.механизмапритонкой3573.6. Заключение по разделу IIIПроцессы, предшествующие исопутствующиекризисурежимапленочного кипения важны для понимания механизмов возникновения иразвития парового взрыва. Представленное исследование направлено наизучение методом физического моделирования особенностей кипениянедогретой жидкости в процессе спонтанной фрагментации горячегожидкометаллического теплоносителя.

При решении задач, поставленных вданном разделе диссертации, был выполнен ряд инженерно-конструкторскихи научных работ, основные результаты которых сводятся к следующему.1. Проведен анализ литературных данных по влиянию кипения напроцесс фрагментации горячего теплоносителя в недогретой жидкости.Проанализированы существующие гипотезы диспергирования крупных(порядка сантиметра) перегретых капель при разрушении окружающих ихпаровых пленок. Результаты анализа свидетельствуют о недостаточномэкспериментальном обосновании описанных в литературе теорий спонтаннойтонкой фрагментации капель горячей жидкости в холодном теплоносителе, атакже подтверждают необходимость получения дополнительных опытныхданныхпохарактеристикампроцессасходапаровойпленкиисопутствующих ему явлений.2.

Применительно к вопросу об изучении начальной стадии паровоговзрыва разработаны методики и созданы экспериментальные установки дляисследованиялокальныхтепловыхигидродинамическихпроцессов,протекающих при смене режимов кипения на горячих твердых ижидкометаллических поверхностях.3. На базе современной измерительной аппаратуры создана системасинхронизированного мониторинга процесса разрушения парового слоя,включающая в себя, помимо набора обычных и скоростных видеокамер,высокочастотныедатчикидавления,микрофоны,малоинерционныетермопары, а также оригинальные волоконно-оптические преобразователидавления и толщины парогазовой оболочки собственной разработки и358изготовления.

Предложен и реализован на практике малоинерционный методконтроляконтактаиоценкипараметров(площадиивремени)соприкосновения холодной воды с горячей поверхностью.4. Исследованы методические вопросы, связанные с использованиемпьезоэлектрическихдатчиковдавлениявусловияхимпульсноготемпературного воздействия на поверхность их чувствительного элемента.5. Установлено, что характер разрушения паровой пленки (спокойныйили взрывной) определяется, в частности, наличием и толщиной слояокислов на нагретой поверхности. Для поверхностей без окислов или столстым (несколькомкм ивыше) малотеплопроводным покрытиемхарактерен спокойный переход от пленочного кипения к пузырьковому. Наслабо окисленных поверхностях или поверхностях с тонким (менее 1 мкм)малотеплопроводным покрытием имеет место взрывное разрушение паровойоболочки, сопровождающееся выбросом струй и значительными импульсамидавления.

Выполнены оценочные расчеты нестационарных температурныхполей для «чистых» поверхностей и поверхностей с малотеплопроводнымпокрытием, результаты которых подтверждают тезис об определяющемвлиянии теплофизических свойств на характеристики сход паровой пленки.6. Экспериментально показано, что при малых (менее ~ 20 оС) недогревахводыдотемпературынизкочастотныхнасыщенияколебанийимеетповерхностиместоразделаэффектгенерации«пароваяпленка –жидкость». Подобные колебания вызваны интенсификацией испарения споверхности раздела вследствие исчерпания возможности отвода тепла отповерхности раздела вглубь воды и имеют значительную амплитуду.