Актуальность темы исследования. Истечение двухфазных сред исследуется в связи с процессами, происходящими в различных энергетических, криогенных и химических аппаратах. Актуальность таких исследований связана с решением проблем безопасности энергетического оборудования при аварийной разгерметизации контура теплоносителя. На последствия аварии с локальной разгерметизацией трубопровода (сосуда) высокого давления влияют различные факторы, например расход теплоносителя, форма струи и, ее динамическая реакция на элементы конструкции. Использование предельных и критических тепловых нагрузок в современном энергетическом оборудовании приводит к тому, что при разгерметизации сосуда высокого давления жидкие теплоносители оказываются в неравновесном или метастабильном состояниях с пониженной устойчивостью. В сильно перегретой метастабильной жидкости фазовое превращение может происходить по механизму взрывного вскипания [1], которое сопровождается выделением значительного количества энергии, что может приводить к гидравлическим ударам и нарушению технологических режимов. Актуальной задачей является установление закономерностей и характеристик интенсивного вскипания в перегретой жидкости при глубоких заходах в область метастабильных фазовых состояний в условиях мощного тепловыделения, приводящего к паровому взрыву.
Быстрый сброс давления в сосудах с горячей жидкостью используется как высокоэффективный способ для мелкодисперсного распыления различных веществ и топлив [2]. Взрывное вскипание нашло эффективное практическое применение в новой технике пожаротушения [3].
Экспериментальные исследования быстрой разгерметизации с парообразованием жидкости применительно к задачам описания разрыва элементов охлаждающих систем были инициированы академиком В.П. Скриповым. Проведенные в Институте теплофизики УрО РАН исследования взрывного вскипания перегретых жидкостей основаны на знании кинетики парообразования в условиях высоких перегревов. Были исследованы динамические характеристики струи вскипающей жидкости в условиях высоких перегревов и интенсивного зародышеобразования при истечении через короткие цилиндрические каналы [4,5]. Существенное влияние на динамические характеристики вскипающих потоков оказывают геометрические условия истечения, в частности, изменение формы выходного канала. В диссертационной работе были поставлены задачи экспериментального исследования динамики вскипания сильно перегретых жидкостей при истечении через щелевые каналы.
Цель работы: экспериментальное исследование динамики вскипания в плоских струях горячих воды, этанола и водных растворов этанола при разных степенях перегрева, в том числе предельных, и различных механизмах парообразования; выявление условий кризисного поведения интегральных характеристик струй - реактивной отдачи и формы; нахождение и исследование низкочастотных пульсаций с 1//- спектром в струе перегретой жидкости для обнаружения переходных режимов вскипания.
Научная новизна исследования:
1. Проведены систематические экспериментальные исследования динамических характеристик струй вскипающей воды, этанола и его водных растворов в условиях высоких и предельных перегревов при истечении через короткий щелевой канал в атмосферу.
2. Установлено влияние механизмов парообразования на эволюцию формы плоской струи вскипающей жидкости. Обнаружено кризисное поведение формы струи (полное раскрытие струи) и реактивной отдачи при истечении из сосуда высокого давления при начальных параметрах, соответствующих, как линии насыщения, так и линиям с постоянным начальным давлением (изобарам).
3. Определены геометрические условия за выходом из короткого щелевого канала, способствующие полному раскрытию струи и резкому падению ее реактивной силы.
4. Обнаружено присутствие во вскипающей струе низкочастотных пульсаций со спектром мощности, обратно пропорциональным частоте (1//- спектром) и установлена связь с переходными режимами кипения - перехода от вскипания на отдельных невзаимодействующих центрах кипения к интенсивному парообразованию на многочисленных гетерогенных центрах, при переходе от интенсивного гетерогенного парообразования к гомогенному флуктуационному вскипанию, - и с переходами к полному раскрытию струи.
Теоретическая и практическая значимость работы
Фундаментальная ценность работы связана с получением новых знаний о закономерностях вскипания и динамических характеристиках струй при разгерметизации сосудов высокого давления в условиях высоких и предельных перегревов жидкости.
Экспериментальные исследования быстрой разгерметизации сосудов высокого давления с горячей жидкостью и взрывообразным парообразованием связаны с проблемой безопасности объектов атомной энергетики, криогенной спецтехники и элементов энергетического оборудования. Результаты работы могут служить основой для выработки рекомендаций по оценке реактивных усилий струй двухфазных сред в энергонапряженных процессах. Результаты наших опытов нашли применение в модернизации пожарной техники нового поколения, использующей горячую воду в качестве противопожарного агента.
Обнаруженные крупномасштабные пульсации с 1// - спектром указывают на необходимость проведения спектральной диагностики в аппаратах с предельными и критическими тепловыми нагрузками.
Результаты экспериментальных исследований динамики вскипания могут быть полезны и для других технических устройств, в частности, для распыления топлив.
Работа соответствует паспорту специальности 01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника для физико-математических наук (п. 1. Фундаментальные, теоретические и экспериментальные исследования молекулярных и макросвойств веществ в твердом, жидком и газообразном состоянии для более глубокого понимания явлений, протекающих при тепловых процессах и агрегатных изменениях в физических системах).
Защищаемые положения:
1. Кризисное поведение реактивной отдачи плоских вскипающих струй обусловлено интенсивным вскипанием в струе и наличием прилегающей плоскости в сечении выходного среза канала.
2. Форма плоских струй вскипающей жидкости детерминирована степенью перегрева и внешними геометрическими условиями за коротким каналом.
3. Резкое снижение величины реактивной отдачи струи связано с полным раскрытием струи.
4. Детектирование переходных режимов поведения потока вскипающей жидкости возможно посредством обнаружения низкочастотных пульсаций с 1// - спектрами.
Личный вклад автора
Автор принимал непосредственное участие в подготовке, проведении и обработке опытов по измерению реактивной отдачи вскипающих плоских струй и в получении спектров мощности пульсаций. Лично диссертантом выполнено изготовление внешних прилегающих плоскостей, использованных в исследованиях. Эксперименты проводились совместно с научным руководителем Решетниковым А.В. и научным консультантом Мажейко Н.А. На основании полученных экспериментальных результатов коллективом готовились научные публикации.
Апробация работы
Основные результаты работы были доложены на следующих российских и международных конференциях и семинарах: Х-Х1У всероссийская молодежная школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург, 2009-2013 гг.); Пятая Российская национальная конференция по теплообмену РНКТ-5 (Москва, 2010 г.); XVIII и XIX школа-семинар под руководством академика А.И. Леонтьева (Звенигород, 2011 г., Орехово-Зуево, 2013 г.); XIV Минский международный форум по тепло- и массообмену (Минск, 2012 г.); VIII Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике (Екатеринбург, 2013 г.).
Публикации
По теме работы опубликовано 5 статей в научных рецензируемых журналах, определенных ВАК, 10 тезисов докладов всероссийских и международных конференций.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 104 страницах, содержит 33 рисунка, 2 таблицы, список литературы из 118 наименований, в том числе 46 на иностранном языке.
В работе проведено комплексное экспериментальное исследование динамических характеристик струй (форма, реактивная сила, флуктуационные процессы) перегретых воды, этанола и водных растворов этанола при истечении через короткий щелевой канал из камеры высокого давления.
Основные результаты и выводы:
1. Проведено экспериментальное исследование динамической реакции струй перегретых жидкостей (вода, этанол, водные растворы этанола) при истечении их через короткий щелевой канал в широком температурном интервале от 20 °С до 310 °С при изменении давления до 11 МПа.
2. Выделены характерные формы и структуры вскипающей струи,
соответствующие разным степеням начального перегрева жидкости (малым, умеренным, высоким и предельным) и различным механизмам
парообразования (кипение на одиночных не взаимодействующих центрах, интенсивное гетерогенного парообразования, гомогенное флуктуационное вскипание) при истечении через короткий щелевой канал
3. Определены геометрические условия за выходом из канала, приводящие к полному раскрытию струи.
4. Установлено, что при полном раскрытии струи наблюдается резкое уменьшение величины реактивной отдачи струи вскипающей жидкости - кризисное поведение реактивной отдачи.
5. Найдено, что реактивная отдача струи перегретой жидкости превосходит отдачу гидравлического истечения в условиях интенсивного гетерогенного парообразования при диффузорных геометрических условиях за выходом из канала.
6. Определены спектры мощности пульсаций в различных режимах истечения. Установлена связь низкочастотных пульсаций с 1// - спектром мощности и переходными режимами вскипания: переход от одиночных центров кипения к интенсивному гетерогенному парообразованию и от интенсивного гетерогенного парообразования к гомогенному флуктуационному вскипанию.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
