CC BY
13
УДК 681.7.013 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2019.4(116).34-39
ДИНАМИЧЕСКАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ МОРФОЛОГИИ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПРОФИЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ
Д.А.Петров, В.А.Карачинов, Н.В.Филипченко, А.В.Афонин, А.Г.Быстрова
DYNAMIC IMAGING OF THE MORPHOLOGY OF THE TEMPERATURE FIELD IN THE DESIGN OF THE PROFILE OF THE HEAT PIPE
D.A.Petrov, V.A.Karachinov, N.V.Filipchenko, A.V.Afonin, A.G.Bystrova
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, Polnovo@yandex.ru
В рамках компьютерного эксперимента с использованием метода конечных элементов разработана методика динамической визуализации морфологии температурного поля в конструкции профильной тепловой трубы при наличии в паровом канале дефекта в виде газовой пробки. Для модели равномерного пускового режима (т = 0-120 с) и при максимальном значении температуры ГИИТп = 323 К индуцированного фотонным нагревом источника теплового потока в центре тепловой трубы выявлена степень изменчивости полевых характеристик. Показано, что наиболее значительные изменения полевых характеристик связаны с градиентом температуры по выделенному контуру, максимальное значение которого в среднем составило 14500-24500 К/м на расстоянии 500 мкм от ИИТП. Для тепловой трубы с дефектом были характерны нелинейный характер изменения градиента температуры и его повышенные значения.
Ключевые слова: тепловая труба, дефект, импульсный нагрев, температурное поле, тепловая модель, изотерма, источник теплового потока, морфология, моделирование
In the computer simulation using the finite element method the developed method of dynamic imaging of the morphology of the temperature field in the design of the profile of the heat pipe, if the steam channel defect in the form of gas tubes. For the model of uniform starting mode (т = 0 -120 s) and at the maximum value of temperature TPHFS = 323 K induced by photon heating of the heat flux source in the center of the heat pipe, the degree of variability of field characteristics is revealed. It is shown that the most significant changes in the field characteristics are associated with the temperature gradient along the selected contour, the maximum value of which averaged 14500-24500 K / m at a distance of 500 microns from the IITP. The heat pipe with the defect was characterized by the nonlinear nature of the temperature gradient change and its increased values.
Keywords: heat pipe, defect, pulse heating, temperature field, thermal model, isotherm, heat flux source, morphology, modeling
Введение
Известно, что тепловые трубы (ТТ) предназначены преимущественно для изотермического режима работы [1-3]. В то же время при практическом применении фактически каждая ТТ проходит стадию пускового режима. Его длительность, а также характер изменения температурного поля зависят от ряда факторов: особенностей конструкции ТТ, способов подвода тепла и охлаждения и др. Необходимо отметить, что при пусковом режиме температурное поле ТТ в различные моменты времени определяется как выше отмеченными факторами, так и различного рода дефектами (включения второй фазы, зерна, локализованные в корпусе и др.) [1,4,5]. Выделение неконденсирующегося газа считается наиболее типичным индикатором повреждения ТТ. Причинами образования этих газов может служить, например, несовместимость материалов корпуса (фитиля) ТТ и рабочей жидкости, потеря герметичности, нарушение правил технологии сборки и условий эксплуатации, а также воздействие ионизирующих излучений и др. Согласно экспериментальным исследованиям неконденсирующиеся газы, например, в виде блокирующей пробки, часто оказываются локализованными в зоне конденсации ТТ, вызывая значительные скачки температуры [5-7].
Реализация повышенной информативности пускового режима при совершенствовании нового
тепловизионного метода диагностики качества профильных ТТ с использованием фотонного нагрева, вызывает интерес к компьютерным исследованиям [8,9]. А они, в свою очередь, способны обеспечить визуализацию во времени влияния дефектов на морфологию температурного поля корпуса ТТ. Однако это требует создания новых тепловых и математических моделей ТТ с локализованными дефектами. Вопросам решения отмеченных задач и посвящена данная работа.
Методика исследований
Тепловизионная методика контроля качества профильных ТТ. Наличие оребренной поверхности у профильных алюминиевых ТТ, образующих полость в виде модели абсолютно черного тела, позволило разработать новый неразрушающий метод контроля их качества [8]. Структурная схема реализации предложенного метода показана на рис.1. В середину трубы (1) на контролируемую поверхность между ребрами (2) от источника света (4) на время 30-120 с подается калиброванный тепловой импульс в виде лучистого теплового потока, который за счет явления оптического поглощения создает на поверхности тепловой трубы поверхностный источник тепла заданной формы (3). Одновременно с подачей теплового импульса с помощью тепловизора (5), канала связи (6) и персонального компьютера (7) осуществляется реги-
страция и запоминание изображения яркостного контраста поверхности тепловой трубы (1). Дальнейшая обработка зрегистрированного изображения с целью перехода к количественным показателям качества осуществляется по методике, изложенной в [8]. Для снижения методической погрешности за счет увеличения яркостного контраста изображения поверхности тепловой трубы (1) перед подводом тепла вся поверхность полости, образованной ребрами (2) и трубой (1), подвергается модификации посредством чернения.
Рис.1. Структурная схема лабораторного стенда контроля качества профильных тепловых труб (а) и визуализация теп-ловизионного контраста (1 — ребра; 2 — индуцированный светом источник теплового потока)
Геометрическая модель ТТ. Принимался во внимание тот факт, что тепловизионная методика контроля качества ТТ ориентирована на фотонный нагрев поверхности ТТ между ребрами, научный и практический интерес представляют исследования нестационарных тепловых процессов в поперечном сечении ТТ. Поэтому для проведения компьютерных исследований была разработана универсальная геометрическая модель поперечного профиля ТТ (рис.2). Дополнительными элементами модели служили дефект корпуса, который, исходя из наглядности и удобства в методическом плане, располагался на оси ТТ, и дефект парового канала (газовая пробка). Форму, размеры и физические свойства дефектов можно было изменять индивидуально, а также проводить независимые от них компьютерные эксперименты. Необходимо отметить, что из-за сложности анализа происходящих процессов в ТТ с дефектами парового канала, внутренняя поверхность геометрической модели в данной работе была выбрана гладкой [1].
Тепловая модель ТТ. В качестве базового варианта была разработана нестационарная тепловая модель поперечного профиля (сечения) ТТ, состоящая из пяти тел: корпус ТТ; импульсный источник теплового потока (ИТП); дефект парового канала (газовая пробка); паровой канал; окружающая среда (рис.3а). Физические свойства тел модели приведены в таблице. В качестве модели пускового режима ТТ рассматривался равномерный пуск (т = 0^120 с), который является типичным для аммиачных ТТ [1,4].
Основными механизмами переноса тепловой энергии в изотропном материале корпуса ТТ считался кондуктивный, а в теплообмене сокружающей средой и в паровом канале конвекция и тепловое излучение. Среди сформулированных допущений следует отметить идеальный тепловой контакт между ИТП и корпусом ТТ, а также между газовой пробкой (сферический сегмент) и поверхностью парового канала. Кроме того, поверхности тел модели рассматривались как изотермические [11].
Физические свойства элементов (тел) тепловой модели ТТ [10]
№ п/п Элемент тепловой модели Материал или вещество Плотность, р, кг/м3 Удельная теплоемкость, С, Дж/(кгК) Теплопроводность, X, Вт/(мК)
1 ИТП (индуцированный) Алюминий 2692 926 238,2
2 Корпус Алюминий, Тмакс= 50°С 2692 926 238,2
3 Дефект Воздух, нелинейный материал, Тмакс= 50°С 1,093 1005 X = X (Т) 0,028
4 Паровой канал Аммиак (^ЫН3)П;Ж Т = 50°С ± макс 15,77; 562,8 3719; 5070 0,0343; 0,417
5 Окружающая среда Воздух, Тмакс= 20°с 1,205 1005 0,0259
Математическая модель ТТ. При построении математической модели ТТ была рассмотрена нестационарная задача теплопроводности в плоскопараллельной постановке. Для этого случая использовалось уравнение теплопроводности (1), а также начальное (2) и граничные условия (3-5) [11]:
дT
д2Т
д2Т
д2Т
^"дТ = Х' ^у +Х. ^ + 90
(1)
где ср и р — удельная теплоемкость и плотность
материала; Хх, Ху, — коэффициенты теплопроводности; 90 — теплопроизводительность единицы объема источников тепловой энергии; Т — температура; х, у, 2 — координаты;
1. В начальный момент времени для ребер всех тел, входящих в модель, задавалось постоянство температуры:
Ти =0 = Тс =СО^1 (2)
2. Для всех ребер ИТП с учетом изотермично-сти поверхности задавалось условие первого рода:
Т = Тп. (3)
3. Для внутренних ребер, образующих паровой канал, задавались граничные условия второго:
Ж = <4)
4. На внешних ребрах (корпус) модели ТТ задавалось условие третьего рода, которое описывает как конвективный, так и лучистый теплообмен с окружающей средой:
Хп ¿Т = -ак(Т - Тс) - в(Т - Тс4), (5)
ап
где в — величина, равная произведению постоянной Стефана—Больцмана (о0 = 5,7^ 10-8 Вт/м2к4) на коэффициент излучательности поверхности материала зонда; ак — коэффициент теплоотдачи конвекции. Численные значения коэффициента ак были получены из предварительных расчетов с использованием известного метода подобия [11]. Отвод теплового потока через кон-дуктивные связи крепежа ТТ не учитывался.
Результаты исследований и их обсуждение
Система уравнений (1)-(5) решалась численным методом (метод конечных элементов) на ПЭВМ.
Рис.3. Тепловая модель ТТ (а) и результаты визуализации динамики морфологии теплового поля в стенке корпуса аммиачной ТТ (проекция) с дефектом парового канала (б), (в). Моделирование, режим изолиний; масштаб изотерм 5°С. Пример: диаметр ИТП D = 4 мм; ГИИТп = 50°С; диаметр дефекта D = 2 мм, макс. высота h =0,2 мм
С использованием ПО «TLCUT» [12] была выполнена серия расчетов, которые позволили оценить характер изменения морфологии температурного поля в стенке ТТ, а также степень влияния дефекта парового канала в виде воздушной пробки на полевые характеристики тепловой модели. Так, анализ эволюции морфологии температурного поля в ТТ без с дефекта в рамках выбранного масштаба изотерм показал, что в начальный период действия ИТП образуются изолинии, форма которых повторяет форму профиля источника. Аналогичная картина поля наблюдалась и в ТТ, содержащей дефект (рис.Зв). Характерной особенностью дальнейшей эволюции изотерм для обоих случаев при т = 0,5 с являлось образование центрального острого выступа на фронте изотермы. Как видно на рис.Зв, при т = 0,6 с его вершина располагалась на границе раздела поверхность парового канала — дефект. Следует отметить, что здесь же происходила локализация поверхностного — вытянутого ИТП (точечный для рассматриваемой проекции), индуцированного тепловым потоком через цилиндрическую стенку ТТ по принципу цилинлри-ческого зеркала [11]. Среднее время прогрева стенки ТТ до максимальной температуры согласно проведенным экспериментам составляло т = 6с, а дефект оказывал незначительное влияние на этот процесс, по всей видимости, из-за малой толщины слоя воздуха [7,11]. Исследования, выполненные в режиме выделенного контура, позволили получить количественные оценки при эволюции температурного поля в ТТ.
2\ ...,;...«Я!—--------л.
20 _1_!.!.!!.!.!!.!.!!.!_I_I__1_
0 300 600 ЭОС 1200 1500
I- Сык>
Рис.4. Графики распределения температуры в стенке корпуса аммиачной ТТ (проекция) с дефектом парового канала. Моделирование, режим выделенного контура. Пример: диаметр ИИТП D = 4 мм; ТИитп = 50°С; диаметр дефекта D = 2 мм, макс. высота h =0,2 мм; 1 - т = 0,15 с; 2 - т = 0,5 с; 3 - т = 3,75 с
Г>адке|| г ринк Градиент К ■ 1 ■ ■ 1 • ■ 1 ■ ..... 1 ■ 1 ■ ■ 1 ■ 1
25000 У4000 23000 22Ю0 21000 20000 15000 25000 — 2*000 -т™
{ ! ; : ; -
— ...
; \ — 19000 — 18000 ; ; ; : : '
:
16000 15000 14000 13000 12000 11000 10000 9000 \
• — 15000 1«НЮ — 13000 * ! »1 ! «
■ : < » Л »
--*-- I
:
\ !
: ;
! % | \!
;
3000 7000 ООО 8000 т •
I ; ; ; Т\! :
; 1г~
5000 4000 3000 даоо 1000 3 ]\ : — 5000 -- 4000
: —I— 3 — Д--
-- 1— ! —I—•— —
; : : : | : ; ; гЧ |
юии 1 1 .■ 1 . | <
и ............................. и 0 ЭОО 600 300 1200 ТЬОО 0 300 Ш 900 1200 1500 Ни» 1- (НС) а б Рис.5. Графики распределения градиента температуры в стенке корпуса аммиачной ТТ (проекция) без дефекта (а) и с дефектом (б) парового канала. Моделирование, режим выделенного контура. Пример: диаметр ИТП D = 4 мм; ТИТП = 50°С; диаметр дефекта D = 2 мм, макс. высота h =0,2 мм; 1 - т = 0,15 с; 2 - т = 0,5 с; 3 - т = 3,75 с
Представленные на рис.4 графики отражают типичный пример нагрева материала стенки ТТ за счет процесса теплопроводности от ИТП. Наблюдающийся в экспериментах незначительный рост температуры вдоль оси дефекта (рис.4), на наш взгляд, следует связывать с лучистой составляющей переносимого теплового потока, обусловленной в том числе фокусирующим действием нагретой поверхности парового канала [11].
Известно, что газовые пробки в паровом канале ТТ оказывают блокирующее действие на процесс отвода тепла от поверхности парового канала, что влечет повышение температуры как источника теплового потока, так и материала стенки трубы, а также границы дефект—пар [1,7]. Сравнение в ходе компьютерного эксперимента рассмотренных зависимостей с аналогичными для ТТ без дефекта парового канала показало незначительное различие температур, которое для т = 0,5—3,75 с составляло порядка ЛТдеф = +0,25°С.
Как и следовало ожидать, наиболее значительные изменения полевых характеристик связаны с градиентом температуры по выделенному контуру. Согласно рис.3 и 5(а,б) импульсный нагрев корпуса ТТ в начальный момент времени (т = 0-0,6с) формирует в поперечном сечении достаточно неоднородное температурное поле. Так, для обеих ТТ на расстоянии 500 мкм от ИИТП максимальное значение градиента температуры в среднем составило 14500-24500 К/м. При дальнейшем продвижении теплового потока для ТТ с дефектом были характерны нелинейный характер изменения градиента температуры и его повышенные значения (рис.5б). Следует отметить, что такая тенденция сохранялась и при значительном прогреве стенки ТТ с дефектом (см. графики (3) рис.5а,б).
Вывод
Предложенный метод динамической визуализации морфологии температурного поля профильной ТТ, согласно компьютерному эксперименту, позволяет выявить степень изменчивости полевых характеристик при наличии дефекта парового канала.
1. Дан П.Д., Рэй Д.А. Тепловые трубы. М.: Энергия, 1979. 272 с.
2. Алексеев В.А., Арефьев В.А. Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования радиоэлектронной аппаратуры. М.: Энергия, 1979. 128 с.
3. Карачинов В.А. Защита РЭС в экстремальных условиях. Специальные устройства охлаждения. Учебное пособие. В.Новгород: НовГУ, 2007. 176 с.
4. Лукс А.Л., Матвеев А.Г. Исследование высокоэффективных аммиачных тепловых труб энергосберегающих систем терморегулирования крупногабаритных конструкций космического аппарата // Вестник СамГУ. Естественнонаучная серия. 2007. №6(56). С.401-418.
5. Petrov A.V., Karachinov V.A., Kiliba Y.V. et al. The study of manufacturing defects of capillary heat pipes // Special Issues of - Heat Pipe Science and Technology (HPST). 2016. V.7. №1-2. P.71-75.
6. Лукс А.Л., Матвеев А.Г. Анализ основных расчетных и экспериментальных теплофизических характеристик аммиачных тепловых труб повышенной тепловой проводимости из алюминиевых сплавов // Вестник СамГУ. Естественнонаучная серия. 2008 .№3(62). С.331-357.
7. Ткачёв С.П., Смирнов Г.Ф., Гниличенко В.И. Теплотехнические характеристики низкотемпературных тепловых труб при длительной эксплуатации и кинетика образования неконденсирующегося газа // Теплоэнергетика. 1988/ №3. С.61-63.
8. Патент № 2680178 РФ МПК F28D 15/02. Способ контроля качества тепловой трубы / В.А.Карачинов, Д.А.Петров, А.С.Ионов. Бюл. №5. Заявл. 01.03.2018. Опубл. 18.02. 2019.
9. Karachinov V.A., Evstigneev D.A., Abramov A.M., Petrov D.A Diagnostics of thermal pipes with symmetric structure thermal impact method // International Scientific Journals of Scientific Technical Union of Mechanical Engineering "Industry 4.0". Machines. Technologies. Materials. 2019. Vol.13. Iss.2. P.83-85.
10. Григорьев В.А., Зорин В.М. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник. Т.2. М.: Энергоатомиздат, 1988. 560 с.
11. Лыков А.В. Тепломассообмен. М.: Энергия, 1978. 480 с.
12. ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Руководство пользователя. Научно-производственный кооператив «Тор». СПб, 1989 - 2006. 356 с.
References
1. Dan P.D., Rei D.A. Teplovie trubi. [Heat pipes]. M. Ener-giya. 1979. - 272 s.
2. Alekseev V.A., Arefev V.A. Teplovie trubi dlya ohlajdeniya i termostatirovaniya radioelektronnoi apparaturi [Heat pipes for cooling and thermostating of electronic equipment]. Moscow, Energiya Publ., 1979, 128 p.
3. Karachinov V. A. Zaschita RES v ekstremalnih usloviyah. Specialnie ustroistva ohlajdeniya. [Protection of RES in extreme conditions. Special cooling devices]. Velikiy Novgorod, NovGU Publ., 2007, 176 p.
4. Luks A.L., Matveev A.G. Issledovanie visokoeffektivnih ammiachnih teplovih trub energosberegayuschih sistem ter-moregulirovaniya krupnogabaritnih konstrukcii kos-micheskogo apparata [Study of high-efficiency ammonia heat pipes of energy-saving thermal control systems for large-size spacecraft structures]. Vestnik SamGU. Estestvennonauch-naya seriya, no. 6(56), 2007, pp. 401-418.
5. Petrov A.V., Karachinov V.A., Kiliba Y.V., Ilin S.V., Ionov A.S., Romanov I.V. The study of manufacturing defects of capillary heat pipes. Special Issues of - Heat Pipe Science and Technology (HPST). 2016, v.7, no.1-2, pp.71-75.
6. Luks A.L., Matveev A.G. Analiz osnovnih raschetnih i eksperimentalnih teplofizicheskih harakteristik ammiachnih teplovih trub povishennoi teplovoi provodimosti iz alyu-minievih splavov [Analysis of the main computational and experimental thermophysical characteristics of ammonia heat pipes of high thermal conductivity of aluminum alloys]. Vestnik SamGU. Estestvennonauchnaya seriya. 2008, no.3(62), pp.331-357.
7. Tkachev S.P., Smirnov G.F., Gnilichenko V.I. Te-plotehnicheskie harakteristiki nizkotemperaturnih teplovih trub pri dlitelnoi ekspluatacii i kinetika obrazovaniya nekon-densiruyuschegosya gaza [Thermal characteristics of low-temperature heat pipes during long-term operation and kinetics of formation of non-condensable gas]. Teploenergetika, 1988, no.3, pp. 61-63.
8. Karachinov V.A., Petrov D.A.,Ionov A. S. Sposob kontrolya kachestva teplovoi trubi [Heat pipe quality control method]. Russian patent no.2680178 RF MPK F28D 15/02.
9. Karachinov V.A., Evstigneev D.A., Abramov A.M., Petrov D.A. Diagnostics of thermal pipes with symmetric structure thermal impact method. International Scientific Journals of Scientific Technical Union of Mechanical Engineering "Industry 4.0". Machines. Technologies. Materials. 2019, vol.13, iss.2, p.83-85.
10. Grigorev V.A., Zorin V.M. Teoreticheskie osnovi te-plotehniki. Teplotehnicheskii eksperiment_ Spravochnik. T.2 [Theoretical foundations of heat engineering. Thermal engineering experiment: a Handbook. Vol. 2.]. Moscow, Ener-goatomizdat, 1988, 560 p.
11. Likov A.V. Teplomassoobmen [Heat and mass transfer]. Moscow, Energiya Publ., 1978, 480 p.
12. ELCUT. Modelirovanie dvumernih polei metodom konech-nih elementov. Rukovodstvo polzovatelya. Nauchno-proizvodstvennii kooperativ "Tor" [ELCUT. Modeling of two-dimensional fields by finite element method. User manual. Scientific and production cooperative "Tor"]. Saint Peterburg, 1989 - 2006, 356 p.
