Теплоперенос при кипении гелия-II в различных условиях: эксперименты и развитие теории

Проект направлен на экспериментальные и теоретические исследования процессов переноса массы и энергии на межфазной поверхности при взаимодействии сильно нагретого тела с квантовой жидкостью в стесненных условиях. Объектом исследования является сильно нагретое тело (шар или цилиндр), которое размещается внутри пористой оболочки и погружается в объем сверхтекучего гелия. В результате экспериментов на основании видеозаписи и показаний датчиков планируется провести анализ протекающих процессов в сопряженной задаче на границах раздела нагреватель – паровая пленка – жидкость и определить эффективность энергомассопереноса с учетом неравновесности вблизи межфазных поверхностей. Теоретическая часть проекта направлена на разработку методов расчета задач теплообмена с высокоинтенсивной динамикой межфазной поверхности на основе сочетаний методов механики сплошной среды и молекулярно-кинетической теории. Процессы в квантовой жидкости описываются с помощью методов гидродинамики сверхтекучей турбулентности (ГСТ). Эта область физики является объектом пристального внимания многих исследователей. Термин "квантовая турбулентность" был введен Фейнманом при объяснении результата Гортера-Меллинка, когда при превышении некоторой скорости противотока компонентов нормального и сверхтекучего движений возникает резкое увеличение температурного перепада в канале, заполненным сверхтекучим гелием. Возникновение этого перепада обусловлено появлением вихревой структуры, представляющей собой совокупность вихревых нитей (вихревой клубок) в сверхтекучей компоненте гелия. Образующиеся вихревые нити оказывают тормозящее действие на нормальную компоненту гелия, что, в частности, препятствует эффективному теплопереносу в сверхтекучей жидкости. На основе численно-аналитического решения гидродинамической задачи для турбулентного сверхтекучего гелия будут исследованы распределения температуры и давления в кипящем гелии как функции глубины погружения, температуры ванны и межфазного потока тепла. Изучение процессов тепломассопереноса в сверхтекучем гелии является актуальным для ряда прикладных задач, связанных, например, с разработкой надежных и эффективных систем криостатирования сверхпроводящих устройств, при все более высоком уровне отводимых тепловых потоков. В то же время интерес к высокоинтенсивным процессам на межфазной поверхности в последние годы связан с развитием микроэлектронной техники, и, как следствие, с необходимостью охлаждения микроустройств с отводом больших удельных тепловых потоков. Для этих целей используют кипение, как процесс наиболее эффективный с точки зрения теплопереноса на межфазной поверхности. Новизна исследований состоит в использовании пористых структур для выявления особенностей поведения квантовой жидкости при высоких (кипятильных) тепловых нагрузках. Сочетание экспериментальных исследований, проводимых на оригинальной авторской установке, и аналитических методов и соотношений, полученных с использованием передовых знаний о гидродинамике сверхтекучего гелия, позволит получить новый материал относительно динамики межфазной поверхности.