Применение диспергированного потока для интенсивного охлаждения теплозащитных конструкций при мегаватных нагрузках

В рамках проекта были проведены патентные исследования и подготовлен литературный обзор о проблеме охлаждения и термостабилизации поверхностей подверженных воздействию мощных тепловых потоков в различных областях техники и технологий. Разработана конструкция и изготовлены исследовательские модули для исследования при пучковых нагрузках и при индукционном нагреве на экспериментальных стендах. Были проведены эксперименты и получен экспериментальный материал по температуре исследовательского модуля в условиях индукционного и одностороннего нагрева на разных исследовательских модулях при их охлаждении диспергированным потоком дистиллированной воды (гидравлическая форсунка) и смесью воды и воздуха (пневматическая форсунка). Выполнена обработка и систематизация экспериментальных данных на исследовательских модулях, используемых на обеих установках. Выполнено обобщение всего массива экспериментальных данных полученных на исследовательских модулях №1, №2 и №3 (более 600 экспериментальных режимов). Получены распределения температуры стенки рабочих участков от режимных параметров диспергированного потока. Оценка полученных экспериментальных данных показала, что максимальные значения плотности теплового потока, полученные на исследовательских модулях №1, №2 и №3 составили 9,5 МВт/м2, 11,5 МВт/м2 и 7,3 МВт/м2. Установлено, что для большинства гидравлических режимов оценка коэффициента теплоотдачи превышает 40 кВт/(м2·К). За отчетный период были разработаны эмпирического соотношения для расчета коэффициента теплоотдачи как функции режимных параметров компонентов диспергированного потока для всех исследовательских модулей. Были разработаны расчетные соотношения, позволившие описать полученные результаты с использованием безразмерных критериев подобия, таких как числа Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля и Вебера. Была выполнена оценка погрешности всех измеренных и рассчитанных в процессе обработки физических величин. Проведенный авторами работы анализ экспериментальных данных показывает существование нескольких определяющих факторов влияющих на эффективность процесса охлаждения исследовательских модулей, среди которых режимные параметры диспергированного потока компонентов теплоносителя, такие как расход, давление и температура; тип используемой форсунки; взаимная ориентация форсунки и исследовательского модуля. Проведено исследование структурно-механического состояния металла медной мишени после обработки электронным лучом. Показано, что под воздействием нестационарных тепловых потоков происходит растрескивание поверхности мишени и изменение структуры и механических свойств в зоне обработки. Методом конечно разностных элементов с помощью решения уравнения Навье-Стокса выполнено численное моделирование распределение температурного поля исследовательского модуля №3 при плотностях теплового потока до 10,5 МВт/м2. Было выполнено сравнение результатов расчета с экспериментальными данными при тепловых нагрузках до 7,0 МВт/м2. Проведено экспериментальное исследование параметров диспергированного потока оптическими средствами. Получены фотографии факела распыла, и результаты распределения диспергированного потока по размерам капель и скоростям в отдельных сечениях, расположенных на определенных расстояниях от торца форсунки. Измерены углы распыла при различных режимных параметрах теплоносителя. Была выполнена обработка экспериментальных данных скорости капель, формируемых форсунками, используемыми в экспериментах. Получено распределение скоростей капель диспергированного потока по ширине области диагностики на различных расстояниях от начала координат для исследуемых форсунок. Получено уравнение для расчета осевой компоненты модуля скорости на разном удалении от торца форсунки. Выполнен теоретический анализ процессов, оказывающих влияние на формирование факела распыла на выходе из пневматической и гидравлической форсунок. Получены теоретические уравнения в основе, которых лежат физические представления о формировании потока и описании размеров капель диспергированного потока. Выполнен анализ распределения диспергированного потока по размерам и скоростям капель на выходе из сопла форсунки. Получена функция распределения, описывающая распределение размера капель, в том числе, от режимных параметров теплоносителя. На основании полученной функции распределения капель и закона сохранения энергии получено выражение для оценки скорости капель i-ой фракции в потоке теплоносителя. Предложено теоретическое описание процесса эволюции капель диспергированного потока. Было получено уравнение движения одиночной капли. На основании предположения, что при взаимодействии капли с высокотемпературной поверхностью происходит ее преобразование в эллипсоид вращения, вскипание и образования пленки пара была разработана соответствующая теория. Исходя из сделанных предположений, получены формулы для оценки времени испарения капли и толщины слоя пара.