Отзыв оппонента 2 (Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами)

ОТЗЫВофициального оппонента на диссертационную работуИвочкина Юрия Петровича“Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов сжидкометаллическими рабочими телами”,представленную на соискание ученой степенидоктора технических наук по специальности01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника.Диссертационная работа Ивочкина Юрия Петровича посвящена изучениюмеханизмов ряда сложных термогидродинамических, а также МГД процессов,протекающих с участием жидкого металла.Актуальность работы.Жидкие металлы (ЖМ) благодаря высоким значениям теплопроводности,электропроводности и температуры кипения успешно используютсяв качестветеплоносителей в разных областях энергетики, например, в атомных электростанциях набыстрых нейтронах, в солнечных МГД - генераторах или в бланкетах проектируемыхтермоядерных электростанций, в компактных высокотемпературных теплообменниках, вкачестве токосьемников в сверхпроводящих устройствах.

По очевидным причинамгорячиежидкиеметаллыЭлектровихревые теченияявляютсяосновным(ЭВТ) имеютрабочимместо,теломнапример,вметаллургии.в сильноточныхтехнологических процессах, связанных, в частности, с электрошлаковой сваркойметаллов, а также с их переплавом электродуговым и электрошлаковым способами.Описание сложных термогидродинамических и МГД течений в жидких металлахактуально и для прогнозирования целого ряда эндогенных геологических процессов вовнутренних слоях планет.

Все это подчеркивает высокую научную актуальность темыдиссертационной работы.Считаю, что диссертационная работа Ю. П. Ивочкина является значительнымшагом в этом направлении.Перечень новых научных результатов, полученных автором, весьма обширен.С точки зрения оппонента наиболее важными и принципиальными из них являютсяследующие:1. Разработан ряд оригинальных измерительных методик для исследованиятермогидродинамических процессов с жидкометаллическими рабочими телами:методика измерения двух мгновенных компонент скорости в жидких металлах спомощью волоконно-оптических преобразователей; созданы оригинальныеволоконно-оптические датчики давления, изготовленные из стекла или металла.

На12.3.4.5.основе разработанных волоконно-оптических систем измерения перемещенийпредложены и реализованы на практике различные конструкции датчиков,предназначенные для исследования динамики поведения границы раздела фаз пар –жидкость. Развит электроконтактный методоценки параметров (площади ивремени) соприкосновения холодной воды с перегретой поверхностью при сменережимов кипения охладителя.Диссертантом выполнены пионерские экспериментальные исследования поизучению структуры турбулентных электровихревых течений в условиях,моделирующих термогидродинамические и МГД процессы в различныхплавильных и сварочных агрегатах.

Впервые применительно к проблемамэлектрошлаковой сварки и электрошлакового переплава на ртутных моделяхисследованы поля скорости турбулентных электровихревых течений. Выявленыобщие закономерности, связывающие скорость электровихревых течений с силойэлектрического тока и геометрическими характеристиками установок. Выделенодва характерных режима течения ЭВТ без наличия и с присутствием азимутальнойзакрутки. Показано, что в условиях отсутствия азимутальной закрутки ЭВТ посвоей структуре представляет тороидальный вихрь, создающий на поверхностирасплава течение, сходящееся к малому электроду. Установлено, что в подобныхобстоятельствах поля скорости осевого потока в контейнерах, имеющихполусферические и цилиндрические формы, вблизи малого электрода обобщаютсязависимостями, характерными для струйных течений.

Выявлено, что осевоевращение жидкости в горизонтальной плоскости обусловлено взаимодействиемэлектрического тока, растекающегося по жидкому металлу, с внешнимимагнитными полями, включая магнитное поле Земли. Посредством измеренияскоростей в объеме токонесущей жидкости впервые экспериментальноподтверждено, что азимутальная закрутка электровихревого потока приводит кгенерации вторичного тороидального вихря, циркулирующего в вертикальнойплоскости. Возникшее вторичное движение кардинальным образом изменяетструктуру ЭВТ, резко замедляя вертикальную составляющую течения.Разработана математическая модель, на ее основе в электродинамическомприближении получены численные результаты для полей скорости, температуры иконцентрации в полусферической ванне, достоверность которых подтвержденаэкспериментом.

Показано, что даже магнитное поле Земли способно вызватьосевую закрутку расплава в промышленных ваннах, влекущую за собой изменениегидродинамической структуры всего ЭВТ. Определены границы формированиявторичных циркуляционных потоков в меридиональной плоскости. Выявленоявление неустойчивости существования гидродинамической системы ЭВТ с двумятороидальными вихрями, которое подтверждается результатами измеренийтемпературы в объеме токонесущей жидкости.

Оценено влияние внешнего МП наинтенсивность перемешивания и время плавления металлов.С помощью взаимно дополняющих друг друга экспериментальных и расчетныхисследований изучено влияние деформации свободной поверхности расплава нахарактеристики ЭВТ. Показано, что оттеснение электропроводящей жидкости отповерхности малого электрода, вызванное пинч-эффектом, приводит куменьшениюплощадисоприкосновениярасплавасэлектродом,сопровождающееся ростом интенсивности электровихревых течений, и впредельном случае – образованию электродугового пробоя.В рамках экспериментального изучения спонтанной фрагментации расплава припаровом взрыве при исследовании вскипания недогретой воды на перегретыхтелах (в том числе на металлических каплях) построена оценочная температурнаякарта режимов фрагментации металлических капель.

Показано, что при ~250 < Т <400 0С преобладает термомеханический механизм их разрушения, а при более26.высоких значениях Т может иметь место тонкая фрагментация расплава,вызванная, предположительно, ударно-волновыми эффектами. Экспериментальнообосновано предположение, что длительная временная задержка или полноеотсутствие фрагментации капель при малых (~20 оС для воды) недогревахохладителя связаны с резкой интенсификацией режима его испарения. Увеличениепарообразования приводит к росту толщины парового слоя и затрудняет контактжидкости с перегретой каплей.На основании результатов одновременных совместных измерений давления,параметров контакта и температур охладителя и горячего тела – металлическогообразца полусферической формы описана реалистичная схема протеканияначального этапа соприкосновения воды с перегретой поверхностью.

Установлено,что характер разрушения паровой пленки (спокойный или взрывной) всущественной степени определяется наличием и толщиной слоя окислов нанагретой поверхности. Показано, что взрывному сходу паровой пленки,сопровождающемуся пакетом импульсов давления миллисекундной длительности,предшествует контактжидкости с греющей поверхностью. Определенызависимости амплитуды и формы пакетов импульсов давления от температуры исвойств нагретой поверхности. Выявлено, что максимальные амплитуды импульсовдавления (~ 1 МПа) наблюдаются в диапазоне температур горячего тела, близких к«стационарной» температуре предельного перегрева охладителя (для воды ~3000С),достигнутые значения которыхвполне достаточны для инициирования(триггеринга) тонкой фрагментации группы соседних капель горячей жидкости ипарового взрыва.Все полученные в диссертационной работе результаты обладают безусловнойновизной.Диссертантом впервые систематически исследованы метрологическиехарактеристики оригинальных волоконно-оптических преобразователейскорости иобосновано их применение для изучения турбулентных потоков жидких металлов прикомнатных температурах.

С помощью волоконно-оптических датчиков выявлен рядновых термогидродинамических и МГД эффектов, свидетельствующих об увеличениигенерации скоростных возмущений под действием МП и его разнонаправленном влияниина теплоотдачу от нагретого цилиндра. Впервые с помощью волоконно–оптическихдатчиковскоростиполученыколичественныеопытныеданныепотонкойгидродинамической структуре электровихревых течений в объеме токонесущей жидкости.Впервые с помощью экспериментальных и расчетных методов доказано, что малыевнешние магнитные поля (включая МП Земли), имеющие компоненту параллельную осиустановки, являются причиной парадоксальной азимутальной закрутки электровихревыхтечений с осевойсимметрией. Впервые продемонстрирована практическая важностьучета воздействия слабых магнитных полей на процессы электрошлаковой сварки ипереплава металлов. С помощью экспериментальных и расчетных методов получен новыйоригинальный материал по деформации свободной поверхности электровихревыхтечений, а также по влиянию электровихревых течений, управляемых внешнимпродольным магнитным полем, на процессы плавления и перемешивания металла.3Впервые проведены эксперименты и получены опытные данные по синхроннымизмерениям параметров контакта охладитель (вода, имеющая температуру нижетемпературы кипения) – перегретая поверхность, импульсов давления в охладителе, атакже температур воды и горячего тела.