Исследования процессов и разработка научно-технических основ высокоинтенсивного теплообмена и гидродинамики в перспективных энергетических установках и аппаратах инновационных технологий

Отчет 137 с., 1 кн., 86 рис., 4 табл., 148 источн. ТЕПЛООБМЕН, КИПЕНИЕ, МЕТАСТАБИЛЬНОСТЬ, ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕ-НИЕ, ГИДРОЛЮМИНИСЦЕНЦИЯ Кипение жидкости, недогретой до температуры насыщения, обеспечивает отвод экстремально высоких тепловых потоков. Эта технология активно используется в ракетной технике, в металлургии, при охлаждении пучковых мишеней в атомной промышленности, в последнее время о ее применении все чаще говорят при разработке систем охлаждения суперкомпьютеров и мощных баз данных. На сегодняшний день процесс кипения жидкости не поддается строгому математическому описанию и численному моделированию. Он описывается в значительной степени эмпирическими феноменологическими моделями, которые включают в себя описание лишь базовых подпроцессов. Применительно к кипению жидкости, недогретой до температуры насыщения, в качестве таковой можно рассматривать модель Снайдера-Берглеса. В ней акцент делается на описании процесса испарения жидкости в паровой пузырь из жидкого перегретого микрослоя, находящегося между пузырем и поверхностью нагрева, и процесса конденсации пара на куполе пузыря. Рассматриваемое явление неравномерного поглощения солнечного излучения в снежном покрове и объяснение явления красного снега является частным случаем более общей задачи о поглощении направленного излучения в полупрозрачной среде, которая сильно рассеивает падающее излучение. Основная трудность решения такого рода задач состоит в описании распространения излучения в рассевающей среде, которое обычно требует решения интегро-дифференциального уравнения переноса относительно спектральной интенсивности излучения. В разнообразных прикладных задачах, например, тепловой энергетики, лазерной терапии опухолей типа меланомы, а также в геофизических задачах, связанных с солнечным нагревом снега (или льда с рассеивающими свет пузырьками газа) имеет место многократное рассеяние. Среди теплофизических явлений, наблюдаемых в природе и технических устройствах, особое место по опасным последствиям занимают паровые взрывы. Механизмы подобных взрывов, наблюдавшихся, в том числе, на крупных установках в атомной энергетике и металлургии, изучены недостаточно полно, в частности, из-за отсутствия необходимых опытных данных. Наиболее эффективный подход к изучению промышленных паровых взрывов основан на физическом моделировании различных его этапов посредством проведения опытов на установках малого масштаба. Например, так называемый маломасштабный паровой взрыв – процесс падения раскаленных капель металлов в холодную воду, сопровождающийся фрагментацией расплава на мелкие осколки и значительными импульсами давления, позволяет в деталях изучить важный начальный этап инициирования индустриальных паровых взрывов. В работе представлены результаты исследования особенностей движения малоразмерных моделей через двухфазную среду (тонкая струйка воды в неподвижном воздухе). Кратко описан созданный баллистический стенд. Выполнены методические эксперимен-ты, показавшие работоспособность стенда и развитых методик синхронизации пролета модели через измерительный участок и ее фоторегистрации. Получены первые результа-ты, касающиеся особенностей взаимодействия модели и струйки воды. Сформулированы основные задачи дальнейших исследований. Основной целью исследований тонкого распыла метастабильной перегретой воды является определение условий получения высокодисперсных (с контролируемым в микронном и субмикронном диапазоне размером капель) факелов распыла перегретой воды и других жидкостей для использования в различных новых технологиях. Такие распылы весьма перспективны в энергетических ГТУ и ПГУ, для теплозащиты в высокофорсиро-ванных воздушно-реактивных двигателях (ВРД), а также в технологиях «spray-cooling» и пожаротушении. В энергетических ПГУ и ГТУ, высокодисперсный распыл воды при ее впрыске в компрессор радикально интенсифицирует испарение капель и приводит к относительно большому снижению температуры компримируемого воздуха, и, одновременно, к повышению эффективности и ресурса указанных энергоустановок. Исследование поведения зеркальной отражательной способности металлов, нагреваемых интенсивным излучением вплоть до температуры плавления, важно, как для понимания физики процессов, происходящих на поверхности металлов, так и для совершенствования методов контроля технологий высокотемпературной обработки металлов. В отличие от экспериментальных исследований, в которых нагревание металлов осуществлялось интенсивным лазерным излучением и температура металлов не контролировалась, в настоящем исследовании образец меди нагревался в электрической печи, что позволило контролировать одновременно изменение температуры и зеркальной отражательной способности нагреваемого образца Получены новые данные по лазерной модификации промышленного нанопорошка двухфазного диоксида циркония (ZrO2) и апробирована абляция углеродной мишени в водном растворе нитрата серебра. Получены сведения о свойствах, модифицированных наночастиц (ZrO2) и их агломератов, а также об углеродных микрочастицах. Все полученные частицы обладают малыми размерами (50 – 1000) нм, низкими удельными плотностями и декорированы серебром. Такие частицы могут найти применения в оптических методах измерения параметров высокоскоростных потоков и в измерениях малых примесей в газовых и жидких средах. Электровихревые течения (ЭВТ) образуются в проводящей среде в результате воздействия электромагнитной силы F возникающей при взаимодействии неоднородного электрического тока J, протекающего через эту среду, с магнитным полем (МП) B. При этом, магнитное поле может быть как собственным, т.е. созданным этим током, так и ка-ким либо другим. Такие течение имеют место, в первую очередь, во всех электрометал-лургических процессах - электросварке, электродуговом и электрошлаковом переплаве, и т. п. а так же в электрошлаковом переплаве, где существенным образом влияют на качество выходного продукта и срок службы плавильных агрегатов. Гидродинамическая люминесценция возникает при протекании диэлектрической жидкости, например, дистиллированной воды, через сужающее устройство, выполненное из диэлектрика. Жидкость электризуется за счет трения о стенки канала. Появляющаяся в канале плазма является источником светового излучения. В данном этапе работ исследован спектр свечения плазмы, излучаемой в потоке воды через узкий канал (диаметром 1 мм) под давлением ~ 80 атм и спектр аналогичного свечения, генерируемого не за счет трения, а за счет подключение к опытному участку внешнего высоковольтного источника питания.