Исследование колебаний границы раздела фаз при кипении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Устинов, Александр Александрович

• Устинов, Александр Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Устинов, Александр Александрович

Оглавление.

Список обозначений.

Введение.

1. Обзор исследований.

1.1. Методы исследования динамики паровых пузырей при кипении.

1.2. Результаты исследования колебаний границы раздела фаз при кипении.

1.3. Представления о физике кипения и колебаниях границы раздела фаз.

2. Экспериментальное исследование колебаний границы раздела фаз при кипении.

2.1. Методика экспериментального исследования колебаний границы раздела фаз при кипении.

2.2. Экспериментальная установка для исследования колебаний границы раздела фаз при кипении.

2.3. Методика проведения опытов.

3. Моделирование колебаний границы раздела фаз при кипении.

3.1. Математическая постановка задачи о колебаниях границы раздела фаз при росте парового пузыря на поверхности нагрева.

3.2. Верификация математической модели колебаний границы раздела фаз при росте парового пузыря на поверхности нагрева.

4. Результаты исследования колебаний границы раздела фаз при росте парового пузыря на поверхности нагрева.

4.1. Результаты исследования колебаний границы раздела фаз при кипении и их анализ.

4.2. Результаты расчетов по модели колебаний границы раздела фаз при росте парового пузыря на поверхности нагрева.

Выводы.

Список исполльзованной литературы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование колебаний границы раздела фаз при кипении»

Кипение - это физический процесс, который человечество использует с незапамятных времен. Тем не менее, до сих пор не существует теории кипения, и среди специалистов нет единого мнения по ряду основополагающих вопросов. Потребность в теории кипения велика: развитие энергетики, прежде всего атомной, но так же малой и альтернативной, теплотехники, электроники, автомобильной, авиа- и ракетной техники требует создания высокоэффективных теплообменных аппаратов кипящего типа и следовательно методов их расчета. Развитие экспериментальной техники и создание новых методов диагностики [1-10] показывает, что имеющиеся представления о процессе кипения нуждаются в корректировке. Расчетные формулы основаны на осредненных характеристиках процесса, рекомендованы для ограниченного диапазона параметров и не учитывают важные особенности процесса [1-10].

При исследовании процесса кипения обнаружена пространственно-временная неоднородность поверхности нагрева. Вследствие образования паровых пузырей наблюдаются хаотические колебания температуры поверхности [11, 48]. Поэтому условия для зарождения пузырей меняются. Тем не менее это не учитывается в моделях, предполагающих постоянство температуры стенки, и является одной из причин расхождения экспериментальных и расчетных данных по теплоотдаче [12]. С другой стороны, кипение зависит от смачивемости и микроструктуры поверхности [13]. Благодаря развитию компьютерной техники, экспериментальных методов исследования [1-10] и новых подходов в математическом моделировании [14, 15], появляется возможность учета микропроцессов на поверхности кипения и улучшение наших представлений о кипении.

Фундаментальными вопросами в физике кипения являются зарождение, рост и отрыв от поверхности нагрева парового пузыря. Физические процессы, происходящие на этих стадиях, оказывают определяющее влияние на динамику паровых пузырей, а, следовательно, и на теплообмен при кипении.

В ряде работ показано, что и при пузырьковом [16-31] и пленочном [5, 6] кипении как с недогревом, так и в состоянии насыщения возникают колебания границы раздела фаз. В случае пленочного кипения, вклад в коэффициент теплоотдачи составляющей теплового потока за счет движения межфазной поверхности достигает 80% от общего значения [5, 6]. В этих работах были измерены толщины паровой пленки, что позволяло определить коэффициент теплоотдачи за счет молекулярной теплопроводности. Эта величина оказалась сопоставимой с суммарным коэффициентом теплоотдачи.

Исследование колебаний границы раздела фаз при пузырьковом кипении начато в последнее время [16-28]. В работе [28] впервые получены экспериментальные данные по колебаниям парового пузыря, растущего на стенке.

На данном этапе исследования этой проблемы необходимы накопление и анализ данных по характеристикам колебаний границы раздела фаз при кипении. Необходимо определить амплитудно-частотные характеристики колебаний границы раздела фаз. Эти данные можно будет использовать для учета вклада составляющей теплового потока за счет колебаний в общий коэффициент теплоотдачи. Наряду с этим представляет несомненный интерес исследование природы колебаний. Это создает возможности для разработки теории теплообмена при кипении с учетом колебаний границы раздела фаз.

1. Обзор исследований

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Устинов, Александр Александрович

Выводы

1. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование колебаний границы раздела фаз при росте парового пузыря на стенке. Эксперименты проведены при кипении воды в большом объеме при атмосферном давлении. С помощью лазерной и акустической диагностик зафиксированы колебания парового пузыря, растущего на стенке, и колебания давления в жидкости, сопровождающие его рост. Получены спектры сигналов акустического и оптического датчиков, свидетельствующие о взаимосвязи колебаний давления в жидкости и межфазной поверхности. Впервые обнаружено, что при росте парового пузыря на стенке происходят колебания его объема и изменения его формы.

2. Проведено изучение статистических характеристик колебаний парового пузыря с помощью фазовых портретов. При построении фазовых портретов предложено в качестве временной задержки выбирать Тейлоровские временные макро- и микромасштабы. Показано, что при значениях временной задержки порядка масштабов Тейлора, аппроксимации кривой роста парового пузыря (корреляционные размерности) согласуются с общепринятыми зависимостями изменения радиуса парового пузыря от времени. Для выяснения природы колебаний границы раздела фаз, рассчитан максимальный показатель Ляпунова для ограниченного набора экспериментальных данных. Полученное значение показателя Ляпунова, равное Я., = 0.0515, свидетельствует о возникновении при определенных условиях хаотических колебаний растущего парового пузыря.

3. На основе полученных данных предложена приближенная модель колебаний объема парового пузыря, растущего на стенке.

Согласно модели рассмотрена система нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих испарение и конденсацию на поверхности парового пузыря и его динамику. В результате численного решения данной системы уравнений получены фазовые портреты колебаний парового пузыря. Обнаружено, что рост парового пузыря сопровождается колебаниями его объема, которые при определенных условиях становятся хаотическими, об этом свидетельствует сечение Пуанкаре и показатели Ляпунова, два из которых положительные. Получено согласование расчетных и экспериментальных характеристик колебаний границы раздела фаз при росте парового пузыря на стенке.

4. Согласно предложенной модели с увеличением недогрева жидкости растет частота и уменьшается амплитуда колебаний границы раздела фаз. Обнаружены режимы роста паровых пузырей, когда колебания нельзя охарактеризовать какой-то одной частотой и амплитудой. Расчеты по модели показывают, что колебания межфазной поверхности в зависимости от внешних условий могут происходить в диапазоне от 40 Гц до 24 кГц.

5. На основе проведенных расчетов определена область существования амплитуд и частот колебаний парового пузыря при росте на стенке. Результаты решения, показывают, что скорость движения границы раздела фаз и давление внутри паровых пузырей для маленьких пузырьков испытывают большие флуктуации, а для крупных пузырьков - малые. Полученные данные могут быть использованы при разработке теории кипения с учетом вклада в механизм передачи тепла колебаний парового пузыря.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Устинов, Александр Александрович, 2005 год

1. Кузма-Кичта Ю.А., Петухов Б.С., Ковалев С.А., Жуков В.М. Методика исследования колебаний границы раздела фаз при пленочном кипении жидкости с помощью оптического квантового генератора // Инженерно-физический журнал.- 1973.-T.XXV.- С. 20-25.

2. Petukhov B.S., Kovalev S.A., Zhukov V.M., Kuzma-Kichta Yu.A., // Investigation of the mechanism of heat transfer upon film boiling of liquid. Proc. 5th Int. Heat Transfer Conf. Tokyo, 1974. N 4, P. 96-99.

3. Петухов B.C., Избранные труды // Вопросы теплообмена, -М., -1987.- С. 219-224.

4. Nigmatulin B.I., Moloshnikov A.S., Sedenkov D.V., Kuzma-Kichta Yu.A., Ustinov A.K., Rykhlik V.S. Interface oscillations and heat transfer mechanism at film boiling// 10 th Intern. Heat Transfer Conf. 10-18 August 1994, Brighton, UK. Vol. 5 pp. 123 128

5. Нигматулин Б.И., Кузма-Кичта Ю.А., Устинов A.K., Молошников А.С., Рыхлик B.C., Булкина Н.А. // Исследование колебаний границы раздела фаз и механизма переноса тепла при пленочном кипении, Теплофизика высоких температур, 1994, том 32, №2, С.255-260.

6. Кузма-Кичта Ю.А., Устинов А.К., Нигматулин Б.И., Молошников А.С. Исследование колебаний границы раздела фаз при пленочном кипении. 2-я часть. // Теплофизика высоких температур, 1995, том 33, №2.-С.273-278.

7. Н. Auracher, М. Buchholz, Т. Lueuttich, W. Marquardt Experimental investigation of local processes in pool boiling along the entire boiling curve // International Journal of Heat and Fluid Flow 25 (2004) 243261.

8. H. Auracher, W. Marquardt Heat transfer characteristics and mechanisms along entire boiling curves under steady-state and transient conditions // International Journal of Heat and Fluid Flow 25 (2004) 223-242.

9. M. S. Kim, S. H. Yoon Investigation of Circumferential Variation of Heat Transfer Coefficients During In-Tube Evaporation for R-22 and R-407C Using Liquid Crystal // ASME Journal of Heat Transfer OCTOBER 2002, Vol. 124 pp. 845-853.

10. R. Mosdorf, M. Shoji Chaos in nucleate boiling—nonlinear analysis and modeling // International Journal of Heat and Mass Transfer 47 (2004) 1515-1524

11. Barthau, G., Hahne, E. Second order effects in an experimental study of nucleate pool boiling of R134a // 12th Int. Heat Transfer Conf. Grenoble, France, 2002, vol. 3, p. 683.

12. Лабунцов Д. А. Физические основы энергетики. Избранные труды по теплообмену, гидродинамике, термодинамике. М.: Издательство МЭИ, 2000. - 388 с.

13. Г.Шустер Детерминированный хаос. Введение. М.: Издательство Мир, 1988.-240 с.

14. М.Табор Хаос и интегрируемость в нелинейной динамике. — М. Издательство Едиториал УРСС, 2001. 320 с.

15. Kuzma-Kichta Yu. A., Ustinov А. К., Ustinov A. A. Investigation of interface oscillation during boiling by the method of laser and acoustic diagnostics. // The Engineering Foundation Conference. Boiling 2000:

16. Phenomena and Emerging Applications. April 30 May 5, Anchorage, Alaska, USA, Volume 1, pp. 100 - 115.

17. Kuzma-Kichta Yu. A., Ustinov A.K., Ustinov A.A., Investigation of interface oscillation during boiling // Proc. of 12th International Heat Transfer Conference 2002, Grenoble, France, Volume 3, pp. 527 533.

18. Kuzma-Kichta Yu. A., Ustinov A. K., Ustinov A. A. Investigation of boiling process by the method of laser and acoustic diagnostics // 3rd European Thermal Sciences Conference. September 10 13, 2000. Heidelberg, Germany, Volume 2, pp. 785 - 803.

19. Kuzma-Kichta Yu. A., Ustinov A.K., Ustinov A.A., Kholpanov L.P. Analysis of interface oscillations during boiling // Archives of Thermodynamics, Proceedings of Polish Academy of Science. Vol. 24 (2003) No. l,pp. 17-23.

20. Ю.А. Кузма-Кичта, A.K. Устинов, А.А. Устинов, Л.П. Холпанов Моделирование колебаний парового пузыря при его росте на поверхности нагрева // 3я РНКТ, Москва, Россия, 20 25 октября, 2002, Т. 4, С. 241-245.

21. Кузма-Кичта Ю.А., Устинов А.К., Устинов А.А., Исследование колебаний парового пузыря, растущего на стенке // Международная конференция по оптическим методам измерений многофазных потоков. Москва, Россия, 20 25 февраля, 2003. Т. 2,С. 121 - 123.

22. Кузма-Кичта Ю.А., Устинов А.К., Устинов А.А., Холпанов Л.П., Моделирование колебаний границы раздела фаз при кипении //

23. Теоретические Основы Химической Технологии, 2002, -Т. в.- С. 2 -24.

24. P. Zhang, M. Murakami, R.Z. Wang Investigation of the chaotic pressure fluctuation induced by the vapor bubble oscillation in the filmboiling of superfluid helium // Heat and Mass Transfer 39 (2003) 477482.

25. Z. M. Li, X. F. Peng, D. J. Lee, T. Liu. Mass transfer behavior at bubble surface during nucleate boiling // Heat and Mass Transfer 38 (2002) 433-439.

26. A. Bode and J.J. Schroeder, Pressure Pulse Generation by Single Bubbles in Subcooled Pool Boiling, Multiphase Science and Technology, vol. 12, 34, pp. 85-101, 2000.

27. S.-S. Hsieh, C.-G. Ke. Bubble Dynamic Parameters and Pool Boiling Heat Transfer on Plasma Coated Tubes in Saturated R-134a and R-600a // ASME Journal Of Heat Transfer. Vol. 124, AUGUST 2002, pp.704716.

28. Кузма-Кичта Ю. А., Бакунин В.Г., Лазерная методика исследования характеристик пузырькового кипения, Instruments and Experimental Techniques, Т. 41, № 6, 1998, с. 128-131.

29. V. Prodanovic, D. Fraser, M. Salcudean Bubble behavior in subcooled flow boiling of water at low pressures and low flow rated // International Journal on Multiphase Flow 28 (2002). 1-19.

30. H. Kalman. Condensation of bubbles in miscible liquids // International Journal of Heat and Mass Transfer. 46 (2003) 3451-3463.

31. Г.А. Дрейцер, Э.К. Калинин, И.З. Копп, А.С. Мякочин, Эффективные поверхности теплообмена // Москва, Энергоатомиздат, 1998. 408 с.

32. Лабунцов Д. А. Механизм роста паровых пузырьков на поверхности нагрева при кипении // Инженерно-физический журнал. 1963. Т. 6. № 4. с. 33-39.

33. Лабунцов Д.А. Современные представления о механизме кипения жидкостей // Теплообмен и физическая газодинамика. М.: Изд. АН. СССР, 1974. С. 98-115

34. В.И. Субботин, С.П. Казановский, С.К. Коротаев, В.Е. Свириденко, Ю.Ф. Селиванов Исследование динамики паровых пузырьков при кипении воды на тонких проволоках в условиях естественной конвекции // Атомная энергия. 1970. Т. 28. Вып. 1. С.9-13.

35. Диев М.Д. Теплообмен и гидродинамика при движении двухфазного потока в условиях микрогравитации. -М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000 123 с.

36. В.В.Савичев, А.В.Корольков, А.М.Ветошкин О гидродинамике пузырькового кипения в невесомости // 2я РНКТ, Москва, Россия.

37. Аметистов Е.В., Дмитриев А.С. Монодисперсные системы и технологии.-М.: МЭИ, 2002 -392 с.

38. Yuming Chen, Manfred Groll, Rainer Mertz, Rudi Kulenovic Bubble dynamics of boiling of propane and iso-butane on smooth and enhanced tubes // Experimental Thermal and Fluid Science 28 (2004) 171-178.

39. Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М. Поверхностные силы. -М.: Наука, 1987.-398 с.

40. J. Mitrovic The flow and heat transfer in the wedge-shaped liquid film formed during the growth of a vapor bubble // Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 41, No. 12, pp. 1771-1785, 1998.

41. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред // 4.1 .М.: Наука. 1987.С.194.

42. Masahiro Shoji, Studies of boiling chaos: a review // International Journal of Heat and Mass Transfer 47 (2004) 1105-1128.

43. Nikolayev V. S., Beysens D.A., Lagier G.-L., Hegseth J. Growth of a dry spot under a vapor bubble at high heat flux and high pressure // Int. J. Heat Mass Transfer 44 (2001) 3499-3511.

44. Петухов B.C., Генин JI.Г., Ковалев С.А., Теплообмен в ядерных энергетических установках, Москва, Энергоатомиздат, 1986

45. Ослабление лазерного излучения в гидрометеорах. М., «Наука», 1977, 176 с. Авт.: В.П. Бисяр, А.В. Соколов, Е.В. Сухонин, Л.В. Федорова, Р.А. Ширей.

46. Устинов А.К., Солодов А.П. Исследование пульсаций конуса конденсации//Теплоэнергетика №7, 1988 г., С. 62-68.

47. Лабунцов Д.А., Ягов В.В., К вопросу о скорости роста паровых пузырей при кипении // Труды МЭИ. Вып. 268. М., 1975.С.З-15

48. Берже П., Помо И., Видаль К. Порядок в хаосе. О детерминированном подходе к турбулентности // М., «Мир», 1991, 368 с.

49. Генин Л. Г., Свиридов В. Г. Введение в статистическую теорию турбулентности. — М. МЭИ. 1987. 80 с.

50. А. Wolf, J. В. Swift, H. L. Swinney, J. A. Vastano Determining Lyapunov exponents from a time series // Physica 16D (1985) 285-317.

51. X. Zeng, R. Eykholt, R. A. Pielke Estimating the Lyapunov-Exponent Spectrum from Time Series of Low Precision // Physical review letters, Vol. 66, N 25, pp.3229-3232.

52. Ривкин C.JI., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М., «Энергия», 1975

53. Кузма-Кичта Ю. А. Методы интенсификации теплообмена. М. Издательство МЭИ, 2001. - 112 с.

54. Синкевич О.А., Герасимов Д.Н. К определению отрывного радиуса пузыря при кипении // Boiling and Condensation: International proceeding, Riga Technical University, Heat Energy Department, Riga, 1997. pp. 94 99.

55. Zuber N. The dynamics of vapor bubbles in nonuniform temperature fields // Int. J. Heat Mass Transfer. 1961, Vol. 2, pp. 83 98.