CC BY
35
международный научный журнал «инновационная наука» №2/2016 issn 2410-6070
УДК 536.248
В.Е. Жуков К.т.н., с.н.с. Д.В. Кузнецов Аспирант М.И. Моисеев Аспирант
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук г. Новосибирск, Российская Федерация
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ФРОНТА
ИСПАРЕНИЯ
Аннотация
В статье приводятся результаты экспериментальных исследований динамики распространения самоподдерживающегося фронта испарения при нестационарном тепловыделении. Эксперименты проведены в условиях большого объема во фреоне R21 на цилиндрических теплоотдающих поверхностях диаметрами 1 и 3 мм.
Ключевые слова
Фронт испарения, кипение, нестационарное тепловыделение, гидродинамическая устойчивость.
Нестационарное тепловыделение на локальном участке теплообменника может вызвать значительный перегрев соприкасающегося с нагретой стенкой жидкого теплоносителя и привести к образованию и распространению паровой пленки. Данный эффект может проявляться как в системах пленочного и капельного орошения [1-3], так и в условиях большого объема [4]. Существует ряд моделей, описывающих распространение невозмущенного самоподдерживающегося фронта испарения [5, 6], а также отдельные попытки моделирования динамики фронта с учетом мелкомасштабных возмущений межфазной поверхности в условиях интенсивного испарения [7].
Цель данной работы - экспериментальное изучение динамики фронта испарения и развития гидродинамической неустойчивости возмущений гладкой межфазной поверхности.
Экспериментальная установка представляет собой цилиндрический сосуд диаметром и высотой 250 мм со встроенными окнами для визуализации процессов. В качестве рабочей жидкости использовался фреон R21, находящийся на линии насыщения при приведенном давлении 0.037. В экспериментах были использованы два горизонтально ориентированных цилиндрических рабочих участка. Один изготовлен из трубки диаметром 3 мм и толщиной стенки 0.5 мм, другой - из проволоки диаметром 1 мм. Материал -нержавеющая сталь. Шероховатость участка диаметром 3 мм представляла собой разнонаправленные риски шириной не более 10 мкм и отдельные сглаженные каверны диаметром 30-50 мкм. Шероховатость участка диаметром 1 мм представлена преимущественно длинными продольными бороздами шириной около 50 мкм, образовавшимися в процессе изготовления проволоки при протягивании через калибровочное отверстие. Для наблюдения динамики фронта испарения использовалась высокоскоростная видеокамера. Скорость съёмки составляла 25000 кадров в секунду с экспозицией 25 мкс. Нагрев теплоотдающей поверхности производился прямоугольным импульсом тока заданной длительности и амплитуды. Для освещения объекта в проходящем и в отраженном свете использовались светодиодные сборки со световым потоком 9000 лм, момент включения которых был синхронизован с моментом начала тепловыделения. Также для освещения в проходящем свете использовался лазер с длиной волны 650 нм. Освещение объекта в проходящем свете позволило визуализировать развитие теплового слоя на верхней образующей цилиндра за счет изменения
международный научный журнал «инновационная наука»
№2/2016
issn 2410-6070
коэффициента преломления в метастабильном слое жидкости, контактирующей со стенкой. Подробное описание установки и экспериментальной методики приведено в работе [8].
1=3
А
30
□ □
□ □
о л л
о о
О о
40
50
60 ДГ, K
70
80
Д 1 О 2 □ 3
90
Рисунок 1 - Зависимость скорости фронта испарения УЪ от температурного напора АГ. 1 - диаметр 3 мм; 2 - диаметр 1 мм, фронт движется слева; 3 - диаметр 1 мм, фронт движется справа
На рис. 1 приведены полученные в экспериментах зависимости скорости фронта испарения УЪ от температурного напора по отношению к температуре насыщения АГ. Как видно из диаграммы, для нагревателя диаметром 3 мм зависимость Уй-(АГ) имеет две характерные области - область более слабой зависимости и область более сильной зависимости. Макровидеосъемка показала, что фронт испарения при распространении имеет пульсирующий характер. В области малых температурных напоров, а, следовательно, и малых скоростей фронта наблюдаются мелкомасштабные пульсации межфазной поверхности. Масштаб пульсаций одного порядка величины с толщиной теплового слоя, частота пульсаций порядка 10000 Гц. При высоких температурных напорах (АГ > 66К) межфазная поверхность теряет устойчивость к мелкомасштабным возмущениям, что приводит к значительному увеличению У&. Наличие продольных рисок шириной около 50 мкм на нагревателе диаметром 1 мм существенным образом сказалось на скорости распространения фронта испарения. Наличие риски в правой части рабочего участка привело к большому отличию скорости распространения фронта, инициированного в левой части рабочего участка, от скорости фронта, инициированного в правой части участка. Зависимость Уй-(АГ) для фронтов, инициированных слева, хорошо совпадает с аналогичной зависимостью для участка диаметром 3 мм. Фронты, инициированные справа, имеют существенно большую скорость распространения при тех же величинах перегрева.
На рис. 2 приведен ряд фрагментов распространения фронта испарения на участке диаметром 1 мм. Пузырь, образовавшийся в левой части рабочего участка вблизи верхней образующей, с ростом температурного напора теряет устойчивость, и образуется радиально распространяющийся самоподдерживающийся фронт испарения. Достигнув продольной риски, которая располагается вблизи нижней образующей, на 2/3 правой части рабочего участка, фронт начинает двигаться со скоростью, примерно вдвое превышающей скорость фронта, распространяющегося по верхней образующей рабочего участка. Фронт, идущий вдоль риски, имеет форму острого клина, ширина которого в передней части соизмерима с толщиной теплового слоя. Граница теплового слоя на фотографиях наблюдается в виде тонкой линии, отстоящей от верхней образующей цилиндра на расстоянии около 100 мкм. Жидкость в пределах теплового слоя находится в метастабильном состоянии. Степень метастабильности тем больше, чем ближе жидкость к стенке рабочего участка и чем выше температура стенки по отношению к температуре насыщения при данном давлении.
6
5
4
1
0
Рисунок 2 - Распространение фронта испарения. Диаметр рабочего участка 1 мм; ДТ = 62 К; интервал
между кадрами 40 мкс; экспозиция 25 мкс.
Используя [9], был проведен анализ гидродинамической устойчивости межфазной поверхности фронта испарения. Анализ показал, что мелкомасштабные возмущения с длиной волны порядка 100 мкм являются устойчивыми при скорости фронта до 1 м/с. При более высокой скорости эти возмущения теряют устойчивость и развиваются до масштабов нелинейных волн. Потеря устойчивости приводит к интенсификации теплообмена на межфазной поверхности и к усилению зависимости Vfr(AT). Результаты проведенных экспериментов демонстрируют эффект увеличения скорости фронта испарения при наличии на рабочем участке продольной борозды. Существенное увеличение скорости фронта в пределах продольной борозды шириной 50 мкм связано, по-видимому, с большей метастабильностью жидкости в тепловом слое в пределах борозды.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 15-08-01359).
Список использованной литературы:
1. Surtaev A., Pavlenko A. Observation of boiling heat transfer and crisis phenomena in falling water film at transient heating // International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, Vol. 74, P. 342-352
2. Nakoryakov V.E., Misyura S.Y., Elistratov S.L. Boiling crisis in droplets of ethanol water solution on the heating surface // Journal of Engineering Thermophysics, 2013, Vol. 22, No. 1, P. 1-7.
3. Misyura S.Ya. Nucleate boiling in bidistillate droplets // International Journal Heat Mass Transfer, 2014, Vol. 71, P. 197-205.
4. Avksentyuk B.P. Non-equilibrium model of an evaporation front // Russian Journal of Engineering Thermophysics, 1995, Vol. 5, P. 1-8.
5. Aktershev S.P., Ovchinnikov V.V. Model of stationary motion of multiphase surface in the layer of extremely heated liquid, // J. Appl. Mech. Tech. Phys., 2008, Vol. 49, No. 2, P. 47-55.
6. Pavlov P.A., Vinogradov V.E. Dinamics of vapor film formation upon rapid superheating of liquid // High Temperature, 2010, Vol. 48, No. 5, P. 683-690.
7. Pavlenko, A.N., Lel V.V. Approximate simulation model of a self-sustaining evaporating front // Thermophysics and Aeromechanics, 1999, Vol. 6, No. 1, P. 105-117.
8. Pavlenko A.N., Tairov E.A., Zhukov V.E., Levin A.A., Tsoi. A.N. Investigation of transient processes at liquid boiling under nonstationary heat generation conditions // Journal of Engineering Thermophysics, 2011, Vol. 20, No. 4, P. 380-406.
9. Ландау Л.Д. К теории медленного горения // ЖЭТФ, 1944, Т. 14, № 6, С. 240-245.
© Жуков В.Е., Кузнецов Д.В., Моисеев М.И., 2016
УДК 621.874
Н.В.Замуруев, С.А.Муганов, Э.В.Басов
ООО «Кран-сервис»
ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕФЕКТОВ В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ МОСТОВЫХ И КОЗЛОВЫХ КРАНОВ
Аннотация
Представлены результаты систематизации данных полученных в ходе обследований металлоконструкций грузоподъемных машин. Описаны наиболее часто встречающиеся в практике обследований дефекты и повреждения, а также отмечены наиболее вероятные причины их возникновений.
