Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, доктор наук Ивочкин Юрий Петрович

• Ивочкин Юрий Петрович
• доктор наук
• 2015

Оглавление диссертации доктор наук Ивочкин Юрий Петрович

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ I. Экспериментальные методы исследований и измерительная

аппаратура

1.1. Введение

1.2. Разработка и апробация волоконно-оптической методики измерения

мгновенной скорости потока жидкого металла

1.2.1. Обзор измерителей мгновенной скорости в жидких металлах

1.2.2. Разработка волоконно-оптической методики измерения скорости в жидких металлах

1.2.2.1.Принцип действия преобразователя, конструкция и методика измерения двух компонент скорости

1.2.2.2.Лабораторная технология изготовления волоконно-оптических преобразователей скорости жидкого металла

1.2.2.3. Основные характеристики волоконно-оптических преобразователей скорости

1.2.2.3.а. Пространственная разрешающая способность волоконно-

оптических преобразователей

1.2.2.3.б. Динамические характеристики волоконно-оптического

преобразователя скорости

1.2.2.3.в. Влияние магнитного поля на показания волоконно-

оптического анемометра

1.2.2.3.г. Оценка влияния температуры на показания волоконно-

оптических преобразователей скорости

1.2.2.4. Вторичная аналоговая аппаратура обработки сигнала

1.2.2.5. Проверка работоспособности волоконно-оптических датчиков скорости жидких металлов

1.2.2.5.а. Краткий анализ работ по изучению поперечного МГД

обтекания цилиндра потоком жидким металлом

1.2.2.5.б. Экспериментальная установка и рабочий участок

1.2.2.5.в. Результаты исследований

1.3. Измерители давления и параметров паровых пленок

1.3.1. Введение. Типы датчиков давления

1.3.2. Разработка волоконно-оптических преобразователей давления

1.3.2.1. Конструкция и принцип действия

1.3.2.2. Лабораторная технология изготовления волоконно-оптических датчиков давления

1.3.2.3. Оценка метрологических характеристик волоконно-оптических датчиков давления

1.3.3. Волоконно-оптические датчики для исследования характеристик паровой пленки

1.4. Измерители тепловых параметров и электрического контакта. Аппаратура для визуальных наблюдений

1.5. Заключение по разделу I

РАЗДЕЛ II. Исследование жидкометаллических электровихревых течений, инициированных неоднородным электрическим током

2.1. Введение

2.2. Литературное состояние вопроса

2.2.1. Обзор теоретических и расчетных исследований

2.2.2. Обзор экспериментальных исследований

2.2.3. Задача о парадоксальной спонтанной закрутке осесимметричных электровихревых течений

2.2.4. Выводы по обзорной главе и постановка задач исследования

2.3. Экспериментальные установки. Методики измерений и численных расчетов

2.3.1. Рабочие участки в опытах, проведенных в ИФ АН Латв. ССР

2.3.2. Экспериментальный стенд ОИВТ РАН

2.3.3. Методические вопросы по технике измерений

2.3.4. Методика проведения численных расчетов

2.3.5. Выводы по главе

2.4. Результаты и анализ исследований структуры электровихревых течений

2.4.1. Результаты и анализ исследований ЭВТ в горизонтальных цилиндрических ваннах с осесиметричным токоподводом

2.4.2. Результаты исследований ЭВТ в полусферической ванне с центральным электродом

2.4.2.1. Результаты экспериментальных исследований

2.4.2.1.а Результаты экспериментальных исследований ЭВТ в

изотермических условиях

2.4.2.1.б. Результаты экспериментальных исследований ЭВТ в неизотермических условиях

2.4.2.2. Результаты численных исследований

2.4.2.3. Анализ полученных результатов. Влияние ЭВТ на процессы массопереноса и плавления

2.4.3. Выводы

2.4. Заключение по разделу II

РАЗДЕЛ III. Исследование механизмов вскипания недогретой воды на горячих металлических телах и жидкометаллических каплях

3.1. Введение

3.2. Современное состояние вопроса

3.2.1. Физические модели фрагментации капли при кризисе плёночного кипения

3.2.2. Обзор экспериментальных исследований

3.2.2.1. Экспериментальные установки

3.2.2.1.а. Установки с движущимся горячим телом

3.2.2.1.б. Установки с неподвижным горячим телом

3.1.2.2. Описание результатов экспериментальных исследований

3.2.2.2.а. Результаты визуальных наблюдений

3.2.2.2.б. Результаты исследований фрагментов капли

3.2.2.2.в. Результаты исследований температурных характеристик

3.2.2.2.г. Влияние состояния поверхности и физических свойств

охладителя

3.2.2.2.д. Результаты исследований импульсов давления и параметров

паровых оболочек

3.2.3. Выводы и постановка задач исследований

3.3. Экспериментальные установки и методика измерений

3.3.1. Описание экспериментальных установок

3.3.2. Методика исследований и измерительная аппаратура

3.3.3. Методические особенности измерений

3.3.3.1. Методические особенности измерения давления

3.3.3.2. Методические особенности измерения температуры

3.3.3.3. Методические особенности измерений параметров контакта

3.3.4. Выводы

3.4. Результаты экспериментальных исследований

3.4.1. Результаты экспериментов с металлическими каплями

3.4.2. Результаты экспериментов с твёрдыми металлическими образцами полусферической формы

3.4.2.1. Визуальные наблюдения и видеосъемка. Общая картина процесса

3.4.2.2. Температурные исследования

3.4.2.3. Оценка параметров колебаний паровой пленки

3.4.2.4. Влияние посторонних частиц и газов, растворенных в охладителе

3.4.2.5. Характеристики пульсаций давления

3.4.2.6. Характеристики контакта недогретой воды с горячей поверхностью и импульсы давления

3.4.3. Выводы

3.5. Анализ и интерпретация полученных результатов

3.5.1. Анализ результатов температурных измерений

3.5.2. Анализ пульсаций давления и их связь с изменением объема паровой

полости

3.5.3. Возможная схема протекания процессов соприкосновения охладителя с горячей поверхностью и температурная карта режимов фрагментации капель

3.5.4. Выводы

3.5. Заключение по разделу III

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Общие выводы и результаты

ЛИТЕРАТУРА

Перечень встречающихся сокращений

АЦП — аналого-цифровой преобразователь АЭС - атомная электростанция

ВОИП - волоконно-оптический измерительный преобразователь

ВОИПС — волоконно-оптический измерительный преобразователь скорости

ИФ - Институт физики

МГД — магнитогидродинамический

МП — магнитное поле

МПЗ - магнитное поле Земли

ПВ - паровой взрыв

ПНЧ - преобразователь напряжение - частота

ЭВТ — электровихревое течение

ЭДП — электродуговая плавка

ЭШП — электрошлаковый переплав

ЭШС — электрошлаковая сварка

ФЭИ - Физико-энергетический институт

VOF — Volume of fluid

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами»

Введение

Технологические процессы с участием жидких металлов (ЖМ) широко распространены в различных отраслях промышленности, особенно в металлургии. Специфические свойства ЖМ - высокие значения теплопроводности, электропроводности и температуры кипения, а также низкие значения упругости паров позволяют успешно использовать их в качестве теплоносителя в разных областях энергетики, например, в атомных электростанциях на быстрых нейтронах, в солнечных МГД - генераторах или в бланкетах проектируемых термоядерных электростанций. Эти же особенные свойства являются главной причиной широкого применения ЖМ в компактных высокотемпературных теплообменниках.

В 50 - 80-е годы прошлого столетия («золотые» годы развития отечественной теплофизики) в результате системных исследований, проведенных, главным образом, в ФЭИ и других научных организаций бывшего СССР, был получен обширный экспериментальный и теоретический материал по теплообмену и гидродинамике в системах с жидкометаллическим теплоносителем, отраженный в многочисленных публикациях, среди которых следует особо отметить коллективную монографию [В1], обобщающую полученные результаты. Вопросы перекачки ЖМ, структуры их течений, МГД - управления жидкометаллическими потоками были описаны в целом ряде известных монографий [В2 - В14]. Вместе с тем, в силу ряда причин, например, из-за отсутствия надежных экспериментальных методов исследования потоков жидких металлов, многие более частные, но вместе с тем важные вопросы остались не исследованными. Перечислим задачи, которые рассмотрены в представленной диссертации.

Практически важной (особенно для электрометаллургии и электросварки), но недостаточно глубоко исследованной областью технической физики является ее раздел, изучающий характеристики течений жидкого металла в сильноточных технологических процессах. Движение металла возникает в

результате взаимодействия электрического тока, пропускаемого через расплав, с его собственным магнитным полем. В условиях, когда электрический ток неоднородно распределен в жидкометаллическом объеме, образующаяся электромагнитная сила с разной интенсивностью воздействует на участки жидкости, что и вызывает перемещение расплава. Поскольку возникающие течения имеют вихревую структуру и обусловлены электрическим током, то они получили название электровихревые течения (ЭВТ) [В15, В16]. К моменту начала нашего исследования в литературе практически отсутствовали количественные опытные данные по характеристикам электровихревых течений, что существенно затрудняло их изучение, а также исключало проверку достоверности результатов аналитических и численных оценок.

Другой раздел представленной диссертации связан с исследованием возможных механизмов возникновения спонтанного парового взрыва (ПВ). ПВ - сложное и опасное теплофизическое явление, возникающее при контакте горячего теплоносителя с холодной низкокипящей жидкостью. Для парового взрыва характерно два основных физических эффекта - «тонкая» фрагментация расплава и высокоинтенсивные импульсы давления [В17]. Упрощенно процесс протекания ПВ применительно к проблемам безопасности ядерной энергетики обычно представляется следующим образом. При попадании (падении) струи горячего расплава в воду происходит дробление массива жидкого металла на капли, каждая их которых окружена паровой оболочкой. В какой-то момент времени самопроизвольно или под действием внешних возмущений одна из паровых оболочек разрушается и дробит отдельную каплю расплава. Импульсы давления, генерируемые подобными процессами, приводят к взрывной фрагментации соседних, а затем и отдаленных капель. Поскольку при дроблении расплава площадь соприкосновения «горячий жидкий металл -охладитель» многократно на (несколько порядков) возрастает, то это явление вызывает скачкообразное увеличение объема пара и мощные импульсы

давления. Как показывают результаты экспериментов, амплитуда подобных импульсов может достигать несколько тысяч бар.

К настоящему времени недостаточно полно изучены практически все стадии парового взрыва, включая этап его инициирования, связанный с фрагментацией отдельной капли. В литературе описано несколько десятков различных гипотез протекания подобного процесса дробления, которые в недостаточной степени подтверждены опытными данными. Поэтому имеется настоятельная необходимость проведения новых, систематических и детальных экспериментальных исследований этого сложного теплофизического явления.

Отметим, что аналитические способы решения задач, описанных выше, возможны лишь в сильно упрощенной форме, а использование численных методов в подобных условиях также вызывает затруднение. В частности, при исследовании ЭВТ возникают сложности расчета из-за трехмерной крупномасштабной вихревой структуры изучаемых потоков и турбулентности. Применение экспериментальных методов в реальных практических условиях также ограничено, главным образом, вследствие повышенной агрессивности изучаемых рабочих сред при высоких температурах. Вместе с тем, с помощью метода физического моделирования многие закономерности гидродинамических и тепловых процессов с горячим теплоносителем в сложных экспериментах (например, при воздействии сильных электромагнитных полей) могут быть относительно просто получены на металлах и сплавах, находящихся в жидком состоянии при комнатных температурах. В качестве рабочего тела обычно используются ртуть, индий, галлий, свинец, олово, цинк, а также эвтектические сплавы, созданные на их основе. Но даже в подобных рафинированных условиях возникают сложности в проведении экспериментов, которые обусловлены отсутствием надежных количественных методов измерения различных величин, например скорости, в жидких металлах.

Следует отметить, что к моменту начала исследований в литературе были описаны новые типы датчиков скорости, использующие волоконную оптику [В18 - В20]. Предполагалось, что подобные т.н. волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости (ВОИПС) помимо отсутствия зависимости показаний от внешних электромагнитных помех должны иметь малые размеры, сочетающиеся с относительно высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном измерений. Перечисленные достоинства позволяют, в принципе, использовать указанные преобразователи для изучения течений жидкометаллических теплоносителей в условиях воздействия сильных магнитных и электрических полей. Однако в [В18 -В20] были описаны лишь принципы действия и принципиальные конструкции волоконно-оптических преобразователей. Поэтому в диссертации предполагалось систематически исследовать метрологические характеристики подобных датчиков, а также разработать и освоить технологии их лабораторного изготовления.

Цель работы состоит в изучении, в том числе с помощью специально разработанных волоконно-оптических датчиков, механизмов ряда сложных термогидродинамических, а также МГД процессов, протекающих с участием жидкого металла и важных для атомной энергетики и электрометаллургии.

Для достижения цели решались следующие основные задачи:

1. Разработка на основе волоконной оптики нового метода измерения мгновенной скорости, предназначенного для исследования жидкометаллических потоков в условиях воздействия сильных электромагнитных полей при умеренных (комнатных) температурах. Апробация метода на примере решения задачи об МГД - обтекании цилиндра. Разработка новых и усовершенствование существующих способов измерения давления, параметров паровых оболочек и контакта «жидкость -твердое тело».

2. Исследование (применительно к проблемам электрошлаковой и электродуговой переплавки металлов, а также электросварке под шлаком)

механизмов развития электровихревых течений в цилиндрических и полусферических жидкометаллических ваннах с осесимметричным подводом постоянного электрического тока; изучение влияния внешних, в том числе слабых, магнитных полей на гидродинамическую структуру ЭВТ, процессы тепломассообмена и характеристики плавки металлов.

3. Анализ возможных механизмов фрагментации и разработка способов изучения спонтанного дробления жидкометаллических капель при разрушении окружающих их паровых оболочек. Исследование (применительно к проблемам инициирования самопроизвольного парового взрыва) особенностей кипения недогретой воды на жидких и твердых перегретых металлических поверхностях.

Структура и краткое содержание диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, общих выводов и списка цитируемой литературы, включающего 338 наименований. Материал работы изложен на 407 страницах компьютерной верстки в формате 14 pt, Times New Roman, содержит 244 рисунка и 6 таблиц.

В первом разделе дан анализ характеристик датчиков, используемых для исследования тепловых и гидродинамических процессов, протекающих в жидкометаллических средах при относительно низких (комнатных) температурах. Там же описаны конструкции, принципы действия, преимущества, технологии изготовления, основные характеристики оригинальных волоконно-оптических преобразователей скорости, давления, паровой пленки и других физических параметров. На примере задачи об обтекании цилиндра в канале в условиях воздействия поперечного магнитного поля продемонстрирована работоспособность предложенной методики измерения скорости. Кроме того, в разделе I также кратко изложены способы измерения температуры и давления (пьезоэлектрические датчики), применяемые в диссертации, А также описана аппаратура, используемая для визуальных наблюдений.

В разделе II, помимо литературного состояния вопроса, представлены результаты физического моделирования тепловых и гидродинамических процессов, имеющих место при электродуговом и электрошлаковом переплаве, а также электрошлаковой сварке металлов. Опыты по исследованию структуры электровихревых течений выполнены с помощью волоконно-оптических датчиков скорости. Проведенные эксперименты дополнены численными расчетами, результаты которых согласуются с опытными данными.

Раздел III целиком посвящен результатам экспериментальных исследований поведения пленок водяного пара около перегретых поверхностей и фрагментации жидкометаллических капель. В данном разделе на основании полученных экспериментальных результатов описана возможная схема протекания начального этапа соприкосновения воды с горячим телом, предложена вероятная температурная карта режимов фрагментации оловянной капли и уточнены механизмы ее дробления.

В Выводах представлены наиболее важные научные результаты, полученные при выполнении всей диссертационной работы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые систематически исследованы метрологические характеристики оригинальных волоконно-оптических преобразователей скорости и обосновано их применение для изучения турбулентных потоков жидких металлов при комнатных температурах.

2. Экспериментально, на примере решения задачи о поперечном обтекании цилиндра с образующей, параллельной магнитному полю (МП), подтверждена работоспособность созданной методики. С помощью волоконно-оптических датчиков выявлен ряд новых термогидродинамических и МГД эффектов, свидетельствующих об увеличении генерации скоростных возмущений под действием МП и его разнонаправленном влиянии на теплоотдачу от нагретого цилиндра.

3. Впервые с помощью волоконно-оптических датчиков скорости получены количественные опытные данные по тонкой гидродинамической структуре электровихревых течений в объеме токонесущей жидкости. Эксперименты, проведенные в условиях воздействия слабых и значительных внешних магнитных полей, направлены на изучение закономерностей ЭВТ при электрошлаковой сварке, а также электрошлаковом и электродуговом переплавах металлов. Предложены новые обобщающие зависимости.

4. Впервые с помощью экспериментальных и расчетных методов доказано, что малые внешние магнитные поля (включая МП Земли), имеющие компоненту параллельную оси установки, являются причиной парадоксальной азимутальной закрутки электровихревых течений с осевой симметрией. Подобная закрутка способствует возникновению вторичных вихрей в меридиональной плоскости и кардинальной перестройки гидродинамической структуры ЭВТ. Впервые продемонстрирована практическая важность учета воздействия слабых магнитных полей на процессы электрошлаковой сварки и переплава металлов.

5. С помощью экспериментальных и расчетных методов получен новый оригинальный материал по деформации свободной поверхности электровихревых течений, а также влиянию электровихревых течений, управляемых внешним продольным магнитным полем, на процессы плавления и перемешивания металла.

6. Получены новые экспериментальные данные по дроблению металлических капель и разрушению паровых оболочек около нагретых тел, погруженных в недогретую воду.

7. Впервые проведены эксперименты и получены опытные данные по синхронным измерениям параметров контакта «охладитель (вода, имеющая температуру ниже температуры кипения) - перегретая поверхность», импульсов давления в охладителе, а также температур воды и горячего тела.

8. Впервые предложено и экспериментально обосновано предположение, что отсутствие фрагментации капель расплава при малых недогревах воды

(>20 0С) обусловлено интенсификацией процесса испарения, приводящей к увеличению толщины паровой оболочки и затруднению соприкосновения охладителя с нагретым телом.

9. На основании проведенных систематических исследований впервые показано, что импульсы давления, сопровождающие взрывной сход (разрушение) паровых оболочек, могут достигать ~ 1 МПа, что достаточно для инициирования спонтанного парового взрыва.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

• соблюдением выполнения балансных энергетических соотношений;

• детальной проработкой методических вопросов и тщательным анализом погрешностей измерений;

• согласованностью результатов экспериментальных и расчетных исследований;

• соответствием между результатами, полученными в диссертации, и данными других авторов;

• применением в исследованиях высокоточных датчиков и прецизионной измерительной вторичной аппаратуры, а также апробированных методов численных исследований.

Научная ценность

Расширенные экспериментальные возможности разработанных методов измерения различных физических величин с помощью волоконной оптики определяют научно-методическую значимость работы. Созданные приборы и оригинальные методики измерений позволили решить ряд крупных задач, связанных с исследованием электровихревых течений и кипением недогретой воды на сильно перегретых жидкометаллических и твердых поверхностях. Полученные опытные данные дали возможность развить существующие и предложить новые теоретические подходы к изучению процессов пленочного кипения недогретой воды и жидкометаллических течений, инициированных электрическим током.

Практическая значимость

Результаты исследований особенностей формирования и развития электровихревых течений позволяют верифицировать программы расчета ЭВТ, а также научно обосновать и оптимизировать современные МГД -методы управления тепломассообменными процессами, имеющими место при электрошлаковом и электродуговом переплавах металлов. Практическая ценность результатов по фрагментации металлических капель и взрывному разрушению паровых оболочек обусловлена необходимостью решения важной для атомной энергетики, металлургии и химической промышленности задачи - определению условий возникновения и методов противодействия спонтанному паровому взрыву. Полученные опытные данные способствуют более глубокому пониманию исследуемых явлений и создают основу для разработки экспериментально обоснованной теории фрагментации жидкометаллического теплоносителя, позволяющей, помимо прочего, оптимизировать параметры нового технологического процесса получения аморфных металлов. Развитые в диссертации оригинальные измерительные методики легли в основу разработок различных волоконо-оптических датчиков, как отечественных, так и зарубежных исследователей.

На защиту выносятся следующие, обладающие научной новизной, результаты:

1. Результаты разработки волоконно-оптического метода измерения мгновенной скорости жидкометаллических потоков при умеренных температурах.

2. Результаты разработки волоконно-оптических датчиков давления.

3. Результаты экспериментальных исследований по влиянию магнитного поля на теплопередачу и поперечное обтекание нагретого цилиндра потоком ртути.

4. Результаты исследований и обобщений по гидродинамической и тепловой структуре электровихревых течений в ваннах цилиндрической и полусферической формы с двух- и многоэлектродным токоподводом.

5. Результаты исследований влияния внешних, в том числе слабых, магнитных полей на структуру и характеристики электровихревых течений.

6. Результаты исследований воздействия электровихревых течений на характеристики тепломассопереноса и плавки металлов.

7. Результаты исследований МГД- эффектов на поверхности электровихревых течений.

8. Результаты экспериментальных исследований фрагментации горячих жидкометаллических капель в недогретой воде при смене режимов кипения -переходе от пленочного режима кипения к пузырьковому.

9. Результаты исследований поведения паровых оболочек и импульсов давления, генерируемых в процессе их разрушения, в зависимости от температур нагретого тела и охладителя, а также физического состояния поверхности нагрева.

10. Результаты исследований характеристик контакта охладителя с перегретой поверхностью.

Конкретный личный вклад автора в получение результатов, изложенных в диссертации

При активном участии автора диссертации и частично или полностью под его руководством выполнены все работы, представленные в диссертации. В том числе, автор:

• Разработал лабораторные технологии и изготовил волоконно-оптические датчики для зондовых измерений различных физических величин, включая преобразователи скорости и давления; провел исследование их метрологических характеристик.

• Выполнил кардинальную реконструкцию ртутного стенда. Сконструировал и создал: стенд для исследования электровихревых течений; экспериментальные установки для калибровки волоконно-оптических датчиков и изучения особенностей кипения недогретой воды на твердых и жидкометаллических поверхностях.

• Руководил работами по проведению численных экспериментов (постановка задач, анализ полученных результатов).

• Разработал программу экспериментальных исследований, лично участвовал в проведении экспериментальных исследований, получении, обработке и анализе опытных данных.

• Осуществлял научное руководство двух аспирантских работ, защищенных на степень кандидата технических наук по темам, связанным с докторской диссертацией соискателя.

Апробация работы. Результаты работы по частям были многократно доложены на различных внутренних и международных конференциях по измерительной технике, гидродинамике и тепломассообмену. В частности, материалы первого раздела диссертации по датчикам и методике измерений апробированы на Рижских совещаниях и семинарах по магнитной гидродинамике (1981 - 1987 гг.), на международной летней школе «Диагностические методы при нестационарных течениях газов» (Прага, 1984 г.), на международном симпозиуме «Магнитная гидродинамика жидких металлов» (Рига, 1988 г.), на 1-й Всесоюзной конференции «Оптические методы исследования потоков» (Новосибирск 1991 г.), на международной научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информационных систем измерения, контроля и управления» (Крым, 1994, 1997, 1998, 1999, 2003, 2004 гг.), на 6-ой международной конференции по Экспериментальному исследованию теплообмена, механики жидкости и термодинамики Ех№Г-6 (Matsushima Япония 2005г). Волоконно-оптические преобразователи скорости демонстрировались на ВДНХ СССР (1976 и 1983 гг.).

Результаты исследования электровихревых течений были обсуждены на Рижских совещаниях и семинарах по магнитной гидродинамике (1985, 1987 гг.), на Минском форуме по тепломассообмену (Минск, 1996 - 2012 гг.), на 2-й международной конференции по турбулентности и тепло-массопереносу (Дельфа, Нидерланды, 1997 г.), на международных конференциях Ех№Т-6, 7

(Япония 2005 г, Краков 2009 г), на Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2006 - 2014 гг.), на международной конференции по тепломассообмену и гидродинамики закрученных потоков (Москва 2005 -2011 гг.); на международных конференциях по фундаментальным и прикладным проблемам МГД (Корсика 2011 г, Рига 2014 г.).

Вопросы, связанные с моделированием механизма инициирования парового взрыва на полусферических поверхностях, были доложены на международных конференциях «Теплофизические аспекты безопасности ВВР» (Обнинск, 1995, 1998 гг.), на Российских национальных конференциях по теплообмену (Москва, 1998 - 2014 гг.), на 8-м и 9-м Всероссийских съездах по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001 г, Нижний Новгород 2005 г), на ExHFT-5 (Тесалоники, Греция, 2001 г.), на 12-й международной конференции по теплообмену (Гренобль, 2002 г.), на международной конференции по изучению двухфазных потоков (Пиза, Италия, 2004 г.).

Основное содержание диссертации опубликовано более чем в 100 печатных работах, включая одно авторское свидетельство СССР, а также 29 статей из списка ВАК, международных систем цитирования Web of Science и Scopus. Перечень основных публикаций представлен ниже.

1. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Огородников В.П., Осипов В.В. Оптико-механические преобразователи давления // Теплофизика высоких температур. 1979. Т. 17. № 5. С. 1065 - 1068.

2. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Огородников В.П., Осипов В.В. Двухкомпонентный волоконно-оптический преобразователь скорости для исследования турбулентных потоков жидких металлов // Теплофизика высоких температур. 1982. Т. 20. № 6. С. 1164 - 1168.

3. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Оксман А.А. Об отсутствии влияния магнитного поля на показания волоконно-оптического преобразователя скорости жидкого металла // Теплофизика высоких температур. 1984. Т. 22, № 5. С. 1024 - 1025.

4. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Оксман А.А. Методика измерения двух компонент скорости в турбулентном потоке жидкого металла с помощью волоконно-оптического преобразователя // Теплофизика высоких температур. 1984. Т. 22. № 6. С. 1178 - 1182.

5. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Оксман А.А. Пространственное разрешение волоконно-оптических датчиков скорости жидкого металла // Магнитная гидродинамика. 1985. № 3. С. 137 - 138.

6. Жилин В.Г., Звягин К.В., Ивочкин Ю.П. Динамические характеристики и пространственное разрешение волоконно-оптических датчиков скорости жидкого металла // Теплофизика высоких температур. 1986. Т. 24. № 5. С. 967 - 973.

7. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Оксман А.А., Луриньш Г.Р., Чайковский А.И., Чудновский А.Ю., Щербинин Э.В. Экспериментальное исследование поля скоростей в осесимметричном течении в цилиндрическом контейнере // Магнитная гидродинамика. 1986. № 3. С. 110 - 116.

8. Жилин В.Г., Звягин К.В., Ивочкин Ю.П., Оксман А.А. Исследование течения вблизи цилиндра в магнитном поле // Магнитная гидродинамика. 1986. № 4. С. 130 - 131.

9. Дементьев С.Б., Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Оксман А.А., Чудновский А.Ю. К вопросу о формировании электровихревых течений при многоэлектродном токоподводе // Магнитная гидродинамика. 1988. № 4. С. 121 - 125.

10. Жилин В.Г., Звягин К.В., Ивочкин Ю.П., Оксман А.А. Исследование влияния магнитного поля на теплоотдачу от поперечно-обтекаемого цилиндра // Теплофизика высоких температур. 1988. Т. 26. № 2. С. 402 -405.

11. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Оксман А.А. Способ измерения диаметра непрозрачных тонких нитей. Авторское свидетельство СССР. Б.И. № 39. 1989.

12. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Игумнов В.С., Оксман А.А. Экспериментальное исследование электровихревых течений в полусферическом объеме // Теплофизика высоких температур. 1995. Т. 33. № 1. С. 3 - 6.

13. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Игумнов В.С., Оксман А.А. К вопросу о возникновении свободной конвекции в электровихревых течениях // Теплофизика высоких температур. 1995. Т. 33. № 3. С. 490 - 491.

14. Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П., Оксман А.А. и др. Волоконно-оптические преобразователи давления // Теплофизика высоких температур. 1996. Т. 34. № 5. С. 819-823.

15. Глазков В.В., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Синкевич О.А., Цой В.Р. Взрывной режим развития неустойчивости, приводящий к разрушению паровой пленки на твердой полусферической поверхности // Доклады Академии Наук. 2001 январь. Т. 376. № 3. С. 328 - 330.

16. Glazkov V.V.,Zhilin V.G.,Ivochkin Yu.P.,Igumnov V.S.,Sinkevich O.A.,Tsoy V. R.,Shvets V.G. Experimental and theoretical Investigation of the Process of Initiation of Vapor Explosion on a Solid Hemispheric Model. Part 2. Experiment // Heat Transfer Research. 2001. Vol. 33. Issue 1-3. P. 47-54.

17. Glazkov V.V.,Zhilin V.G.,Ivochkin Yu.P.,Igumnov V.S.,Sinkevich O.A.,Tsoy V. R.,Shvets V.G. Experimental and theoretical Investigation of the Process of Initiation of Vapor Explosion on a Solid Hemispheric Model. Part 1. Theory // Heat Transfer Research. 2001. Vol. 33. Issue 1 - 3. P. 39 - 46.

18. Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Король Е.З. Термомеханический механизм тонкой фрагментации жидких капель при паровом взрыве // Теплофизика высоких температур. 2004. Т. 43. № 3. С. 491 - 492.

19.Григорьев В.С., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Глазков В.В., Синкевич О.А. Поведение паровой пленки на сильно перегретой поверхности, погруженной в недогретую воду // Теплофизика высоких температур. 2005. Т. 43. № 1. С. 100 - 114.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Ивочкин Юрий Петрович, 2015 год

• • -

'ЧТУ

•

• £ •

паровая оболочка

фрагменты жидкометаллической капли

б)

в)

Рис. 3.1. Возможный сценарий протекания парового взрыва. (а) - начальное грубое перемешивание (премиксинг); (б) - запуск (триггеринг, инициирование) парового взрыва; (в), (г) - тонкая фрагментация компонентов смеси расплава и собственно паровой взрыв (быстрый рост давления образовавшегося пара).

В настоящее время относительно полно исследована лишь стадия премиксинга, а остальные этапы ПВ требуют более глубокого дополнительного как экспериментального, так и теоретического изучения. В частности, несмотря на усилия многих исследовательских коллективов и большого количества публикаций, до сих пор нет ясного понимания механизмов, приводящих к фрагментации горячих капель при взрывном

переходе от пленочного режима кипения к пузырьковому.

Целью исследований, результаты которых представлены в данном разделе диссертации, являлось получение с использованием оригинальных методов исследования, описанных в разделе I, новой экспериментальной информации по ряду неясных и неоднозначно трактуемых в литературе вопросов, связанных с особенностями протекания пленочного кипения недогретой жидкости и его кризиса на стадии дробления одиночной капли. Значительное внимание в работе было уделено экспериментальному изучению влияния температур охладителя и нагретой поверхности на протекание пленочного кипения и его кризиса, а также исследованию эффектов, связанных с соприкосновением охладителя с горячим телом. Важной задачей исследования, тесно связанной с проблемами пленочного и переходного кипения, являлось проведение, на основании полученных результатов, отбора наиболее достоверных моделей фрагментации жидкометаллического теплоносителя.

3.2. Современное состояние вопроса

3.2.1. Физические модели фрагментации капли при кризисе плёночного кипения

В литературе описано несколько десятков гипотез, посвященных описанию механизма фрагментации горячей капли, вызванной разрушением окружающей каплю паровой оболочки холодной жидкости. Однако, многообразие моделей этого процесса, на наш взгляд, лишь подтверждает известную «теорему» Эддингтона - «число гипотез, объясняющих какое-либо явление, обратно пропорционально объему знаний о нем» [3.4]. Как будет показано ниже, с большой вероятностью можно предположить, что не существует единого универсального механизма, объясняющего все экспериментально наблюдаемые явления, связанные с процессом фрагментации. Скорее всего, этих механизмов несколько, причем большинство из них с разной степенью детализации приводятся в обзорных статьях [3.1, 3.5 - 3.12, 3.48, 3.62, 3.63].

Все модели фрагментации можно условно разделить по принципу местоположения источника дробления, т.е. капля дробится или под действием внутренних сил, действующих изнутри капли, либо внешних, действующих со стороны ее поверхности. К теориям, описывающим дробление, вызванное внутренними силами, в частности, относятся:

• термомеханические гипотезы, основанные на возникновении значительных термических напряжений при затвердевании капли в процессе быстропротекающего контакта с охладителем;

• дробление капель горячей жидкости за счет взрывного увеличения объема растворенных в них газов, вызванного резким охлаждением теплоносителя при смене режимов кипения;

• кавитационно-акустические теории, основанные на предположении, что горячая жидкость распадается под действием акустических волн, генерируемых в капле в процессе взрывного перехода от пленочного к пузырьковому режиму кипения на её поверхности;

• фрагментация в результате испарения холодной жидкости, попавшей в результате колебаний поверхности раздела фаз внутрь горячего теплоносителя, либо находящейся в замкнутом пространстве, ограниченном твердыми стенками (например, дном сосуда) и горячей каплей.

Взаимодействие расплав-охладитель

Рис. 3.2. Схематичное изображение процесса фрагментации капли - (а) и группы капель - (б) под действием ударной волны [3.13].

Среди физических моделей, предполагающих, что процесс фрагментации вызван внешним силовым воздействием на поверхность капли, можно выделить:

• гидродинамические теории постепенного дробления капли, вызванного деформацией и неустойчивостью жидкометаллической поверхности при образовании на ней пузырьков пара;

• гидродинамические теории, базирующиеся на явлении образования дробящих струй, возникающих при схлопывании паровых пузырей вблизи горячей поверхности;

• гидродинамические механизмы фрагментации расплавленных капель, вызванные разностью скоростей (индуцируемой ударной волной) расплава и окружающей его холодной жидкости.

Последняя из перечисленных моделей фрагментации может быть основана на дроблении поверхностного слоя расплава при его взаимодействии с ударной волной [3.13] (см. рис. 3.2). Эта модель нашла успешное применение для описания процесса развития крупномасштабного парового взрыва в работах [3.14, 3.15], но мало пригодна для понимания этапа спонтанного дробления одиночных капель на стадии инициирования парового взрыва. Схожая модель, учитывающая взаимодействие капли с встречным потоком охладителя, но игнорирующая режим пленочного кипения, описана в работе [3.16].

Рис. 3.3. Схематичное изображение фрагментации горячей капли согласно [3.20].

Другая гидродинамическая модель фрагментации, которая связывает кризис пленочного кипения охладителя около нагретой поверхности с процессом дробления капли, описана в работах [3.17 - 3.20]. Модель основана на образовании при схлопывании паровых полостей струй холодной жидкости. Водяные струи проникают в горячую каплю, что приводит к вскипанию холодной жидкости и диспергированию расплава. Это одна из немногих проработанных гипотез, которая позволяет циклическим образом описать процесс фрагментации горячей капли. В усовершенствованном виде эта физическая модель, учитывающая взаимодействие охладителя с горячей поверхностью, сопровождающееся взрывным вскипанием холодной жидкости, представлена в работах [3.21, 3.22]. Остановимся на их содержании более подробно.

По мнению авторов [3.21] процесс фрагментации капли протекает следующим образом. При попадании раскалённой металлической капли в воду вокруг нее образуется паровая оболочка (смотри стадия 1 на рис. 3.3), которая в какой-то момент времени резко расширяется (стадия 2). Причиной быстрого роста объема паровой полости может быть интенсивное испарение, образующееся при случайном касании охлаждающей жидкости перегретой поверхности. Расширившаяся паровая полость охлаждается в объеме жидкости, недогретой до температуры кипения, что приводит к ее резкому

схлопыванию, сопровождающемуся генерацией водяных струй, бьющих в каплю (стадия 3). Последнее обстоятельство приводит к проникновению воды в поверхностный слой капли. Вода внутри горячей капли вскипает, что вызывает дробление поверхности горячей капли. В результате этого процесса образуется смесь пара и частичек горячей жидкости (стадия 4). Эта смесь взрывным образом расширяется (стадия 5), приводя к повторению всего цикла. Ввиду широкой распространенности этой модели остановимся более подробно на каждой из представленных стадий, привлекая к рассмотрению, помимо работ непосредственно относящихся к паровому взрыву, исследования по изучению общих закономерностей пленочного кипения.

Вопросу пленочного кипения на горячих поверхностях посвящена многочисленная литература, связанная, главным образом, с изучением механизмов как кризисов кипения (смотри, например, классические учебники и монографии [3.23 - 3.30]), так и проблем поверхностной закалки материалов [3.31]. Однако, мы не нашли в литературе описания систематических исследований режима пленочного кипения, непосредственно относящихся к процессу фрагментации капель. Следует лишь отметить работы [3.32 - 3.34], в которых отмечается, что помимо создания паровой пленки при быстром погружении капли в воду происходит унос (захват) падающим телом некоторого объема воздуха. Это обстоятельство приводит к увеличению толщины парогазовой прослойки, что уменьшает возможность соприкосновения горячего тела с охладителем и, тем самым, препятствует процессу дробления капли в жидкостях с большой вязкостью. В ряде случаев в передней части падающей капли при ее затвердевании образуется полость, заполненная смесью паров взаимодействующих жидкостей и воздуха.

Следует отметить, что в большинстве описанных в литературе моделях фрагментации обычно подразумевается, что паровая пленка вокруг капли уже существует, а процесс ее разрушения предполагает возможность соприкосновения горячего и холодного теплоносителей. Механизм потери

устойчивости паровой пленки около нагретого тела наиболее полно разработан для условий кипения насыщенной жидкости, применительно к проблемам возникновения кризисов кипения [3.35]. Помимо основополагающих исследований С.С. Кутателадзе [3.24] и Зубера (Zuber) [3.36, 3.37] отметим, в частности, работы В.Б. Хабенского и его сотрудников [3.38, 3.39], связанные с близкой нам тематикой кризиса пленочного кипения недогретой жидкости.

Этап расширения и схлопывания паровых оболочек, окружающих перегретые капли, описан, например, в статьях [3.40, 3.41], где показана существенная роль излучения в изучаемом явлении, особенно при охлаждении капель кориума. Заметим, в этих работах для решения поставленной задачи используется модель одномерного приближения, т.е. паровая оболочка вокруг сферической капли колеблется как единое целое. Это допущение существенным образом упрощает процедуру исследования, но может привести к ошибочным результатам, особенно в описанных ниже акустических и термомеханических моделях фрагментации.

Вопросы взрывного вскипания жидкости наиболее комплексно, детально и систематически изучаются в Институте теплофизики Уральского отделения РАН [3.42 - 3.44]. Однако, несмотря на многочисленные исследования, процессы роста и схлопывания паровых пузырей изучены недостаточно полно. В частности, слабо исследовано влияние на эти процессы неустойчивостей типа Тейлора и типа Ландау, возникающих на границе раздела пар - жидкость при взрывном расширении (схлопывании) паровой полости [3.45, 3.46] и эффекты, связанные с конденсацией пара и учетом особенностей протекания неравновесных процессов [3.47, 3.48]. Вопросы образования струй при схлопывании газовых пузырьков наиболее полно исследованы применительно к проблемам кавитации [3.20, 3.49, 3.50].

Подробная теория следующего этапа фрагментации - тонкого дробления капли в результате проникновения бьющих в нее струй холодной жидкости была разработана Бучананом (Buchanan D.J.) с сотрудниками в работах [3.51

- 3.53]. В данной модели предполагается, что радиус возникающего в капле парового пузыря значительно меньше начального радиуса капли расплава, а плотность горячей жидкости существенно превышает плотность охладителя (ргор >> рхол). В этих условиях характерные значения скорости м0, длины /0 и диаметра d0 струи (обозначения смотри на рис. 3.4), образовавшихся в результате коллапса сферической полости радиуса Жмакс., определяются соотношениями [3.51]:

м0 = м?

0 с

1

Ро

р.

Ь = LR

(3-1)

d0 = йЖ

с макс.

где р0 - внешнее давление; мс, Lc и йс - безразмерные константы.

Время 1 = 000.000 Время 1 =000.500 Время 1 =000.750

-—

Время I =001.250

Время I =001.500

.-'¡Ч /у

ш.

Время I =002.500

Рис. 3.4. Результаты компьютерного моделирования развития по времени процесса входа струи расплавленного кориума в воду [3.51].

Основываясь на соотношениях (3-1), можно оценить объем холодной жидкости У0, движущейся в виде струи, и его долю, которая пошла на испарение при попадании охладителя внутрь расплава [3.1, 3.51]. Если предположить, что испарение объема охладителя, проникшего в горячую среду, протекает адиабатическим образом, то, как показано в [3.51], доля испарившейся жидкости в можно выразить с помощью соотношения:

Р

т

р

пар

Рхол^0

1 - е

парообр.

-(Т -Т )

^ пп нас>

(3-2)

где тпар - масса пара, ср - теплоемкость охладителя, гпп. - теплота парообразования, Тнас. - температура насыщения. Для воды, используемой в качестве охладителя, в = 0.33.

Дальнейшее расширение и рост парового пузыря в окружающий объем холодной жидкости описываются с помощью уравнения Рэлея [3.22, 3.47, 3.51]:

R

d R 3

dt2 2

V dt

2

р( R) - Ро

(3-3)

р*

Предполагается, что процессы протекают без теплообмена с внешней средой

3т

/ \1/3

(охладителем), а начальное значение радиуса пузыря равно Я =

пар

4*Рпар у

где рпар- плотность пара.

Как показывают результаты решения уравнения (3-3) , процесс изменения объема паровой полости имеет колебательный характер [3.1, 3.51]. Связь между максимальным радиусом парового пузыря в конце п - го цикла Ямакс,п+1 и радиусом сжимающейся паровой полости Rмaкс.,n в начале цикла выражается простой зависимостью:

Я = kR , (3-4)

макс.,п+1 макс.,п ? V /

где к - коэффициент пропорциональности, который в приближении идеального газа можно оценить с помощью соотношения

£ =

( р Я Т V3

3аР о угп предпер- , (3-5)

Ро П У

где Яугп - универсальная газовая постоянная; рхол., Тпред. пер. и. л - плотность, температура предельного перегрева и молекулярный вес охладителя; а, в -коэффициенты, учитывающие количество охладителя, попавшего внутрь горячего теплоносителя и испарившегося в нем; р0 - внешнее давление. Для воды а = 0.005; в = 0.33; Тпред.пер=573 К и к = 2.36.

Из выражений (3-4) и (3-5) следует, что с повышением внешнего давления р0 значение к уменьшается, приводя к замедлению развития процесса, причем

при к < 1 возможно только затухание взаимодействия. В этом случае имеет место подавление взрывного взаимодействия, поскольку процесс теряет самоподдерживающийся характер. Результаты оценок пороговой величины рк1 на основе соотношения (3-5) показывают, что для воды значение рк1 = 1.3 МПа (Тпред.пер.=575 К), а для фреона R-22 - рк1 = 0.74 МПа (Тпред.пер.=327К).

Приведенная модель, позволяющая учесть конденсацию пара и выделяемое при этом тепло в процессе коллапса паровой каверны, дает возможность оценить влияние температуры охладителя на характер схлопывания. Как показано в [3.1], увеличение температуры пара за счет конденсации, необходимое для выравнивания давлений в обеих фазах и прекращения коллапса паровой полости, может быть выражено через значение величины «недогрева» жидкости посредством соотношения:

hm

АТ = Т - Т -парр-=, (3-6)

недогрев нас охл л ^ 2 / ^ 5 ^ ^

4лЯ тс р '4at

охл охл

где h - теплота фазового перехода (конденсации), сохл., рохл. - теплоемкость и плотность охладителя, t - характерное время схлопывания паровой полости

(£ « Ям где р0 - начальное внешнее давление), а - коэффициент

Р о

температуропроводности, Ят и тпар - максимальный радиус и масса пара паровой полости. Оценка по формуле (3-6) максимального значения величины «недогрева» охладителя, при котором нет фрагментации капли олова, падающей в воду, дает АТнедогрев ~ 30 0С, т.е. близкое к экспериментальному значению.

Однако, предлагаемая модель не позволяет объяснить многочисленные экспериментальные факты, свидетельствующие о влиянии состояния нагретой поверхности на процесс разрушения паровой пленки.

Влияние свойств материала расплава на процесс дробления капли наиболее полно учитывается в термомеханических моделях фрагментации [3.54 - 3.60], в которых предполагается следующая последовательность протекания процесса (смотри рис. 3.5). В начальный момент

жидкометаллическая капля окружена паровой оболочкой и целиком находится в жидком состоянии (стадия 1 на рис. 3.5). Затем происходит срыв паровой пленки, и осуществляется контакт охладителя с горячей поверхностью, которая начинает затвердевать и уменьшаться в объеме (стадия 2). Поскольку из-за слабой сжимаемости объем жидкости внутри твердой оболочки остается постоянным, то в поверхностном слое возникает растягивающая сила, а на жидкометаллическую сердцевину оказывается большое давление. Эти причины инициируют процессы образования трещин в поверхностном слое и выбросов струй металла из жидкометаллического ядра капли (стадия 3) в охладитель, что приводит к последовательному дроблению всей капли (стадия 4). Основной недостаток этих предположений состоит в том, что результаты численных оценок, основанных на термомеханических гипотезах дробления, показывают, что время протекания процесса фрагментации капли составляет ~ 100 мкс, что на порядок больше значений, регистрируемых в эксперименте. Кроме того, эти гипотезы не позволяют описать цепной характер процесса дробления. Поэтому, можно предположить, что подобный сценарий развития маловероятен для процесса тонкого диспергирования горячих капель.

М 2

О

&

о о \

т/

о

т

» о

3

Рис. 3.5. Схема фрагментации капли по термомеханической модели.

Помимо гипотез, предполагающих силовое воздействие на каплю со стороны внешней среды, в литературе описаны гипотезы, объясняющие фрагментацию горячего металла внутренними причинами, обусловленными, в частности, существованием в жидком металле растворенных газов. Так, в работах [3.61, 3.62] выдвинута гипотеза, что дробление расплавленных капель может быть вызвано резким ростом объема внутренних газовых пузырей при резком охлаждении жидкого металла (рис. 3.6). В процессе плавки в расплаве интенсивно растворяются окружающие его газы. В условиях соприкосновения горячего теплоносителя с охладителем и возникновения режима переходного кипения поверхностный слой жидкого металла, а также весь его объем в целом быстро охлаждаются. Из-за уменьшения температуры расплава растворимость примесей в нем понижается, а металл перенасыщается растворенными газами. При резком уменьшении температуры процесс зарождения и роста газовых пузырей носит взрывной характер, что приводит к быстрому росту газовых полостей и разлету (разрушению) жидкометаллической капли. Результаты численных оценок, выполненных для расплава серебра с растворенным в нем кислородом, подтверждают возможность осуществления этого способа дробления [3.61].

г г

Рис. 3.6. Модель фрагментации, основанная на быстром увеличении объема газа внутри расплава при его быстром охлаждении [3.6, 3.61].

Механизм фрагментации, предложенный в работе [3.62], несколько отличается от описанного выше процесса. В модели [3.62] присутствует внешний импульс давления, который передается внутрь расплава, распространяется в нем и отражается от внутренних границ капли, создавая в объеме капли растягивающие механические напряжения. Последнее обстоятельство способствует росту газовых пузырей и взрывной фрагментации капли. Обычно предполагается, что внешние импульсы давления генерируются в процессе коллапса паровых оболочек, которые окружают жидкометаллические капли.

Как отмечается в работе [3.6], с помощью механизмов, связанных с растворенными газами, можно объяснить дробление расплавленных металлов лишь с низкой температурой плавления. Их применение для объяснения механизмов фрагментации двуокиси урана или углерода (входящих в состав топливного расплава) наталкивается на существенные трудности, обусловленные малой растворимостью в металлах и кориуме инертных газов (аргон, ксенон, криптон и гелий). Так, в работе [3.62] показано (см. рис. 3.7), что растворимость инертных газов в двуокиси урана составляет величину, которая приблизительно на четыре порядка меньше, чем растворимость кислорода в расплавленном серебре [3.61]. По этой причине растворенные в горячем теплоносителе газы практически не влияют на процесс фрагментации ядерного топлива при паровом взрыве.

7x10'

6x10'

МР

ВР

3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700

Температура, К

Рис. 3.7. Растворимость инертных газов в расплаве двуокиси урана [3.62].

Схожая гипотеза механизма фрагментации капли, но не предполагающая наличие в расплаве растворенных газов, представлена в работе [3.64]. Физическая суть этой т.н. кавитационно-акустической модели состоит в следующем (см. рис. 3.8). В результате взаимодействия расплава с охладителем на поверхности нагретой жидкой капли генерируются либо одиночный импульс давления, либо пакет импульсов, вызванных, например, коллапсом паровой оболочки. Внешние пульсации генерируют волны давления внутри капли, которые, отражаясь от границы поверхности горячее тело - охладитель, создают в расплаве череду импульсов сжатия и разрежения. Амплитуды этих пульсаций по абсолютной величине могут достигать значений, достаточных для возникновения кавитации внутри горячего теплоносителя, которая приводит к фрагментации капли. Как отмечалось выше, развитию этого процесса способствуют дополнительные включения, в частности, газы, растворенные в расплаве.

Проведенные численные оценки характеристик акустического давления, индуцируемого внешним 5-импульсом [3.64], подтверждают предположение, что вследствие многочисленных отражений ударных волн внутри сферической капли могут создаваться большие отрицательные давления. В частности, установлено, что внешний импульс давления амплитудой ~0.7 МПа и длительностью 2 мкс может генерировать в центре капли знакопеременные пульсации давления амплитудой ± 1.56МПа, осциллирующие с частотой 50 кГц (см. рис. 3.9).

Охладитель

Паровая пленка

Взаимодействие расплава с охладителем

Кавитационные пузыри в зонах отрицательного давления

Рис. 3.8. Кавитационно-акустическая гипотеза фрагментации капли. Кавитационные пузыри в зонах отрицательного давления провоцируют фрагментацию нагретой жидкой капли [3.64].

Р, МПа

1.4

0.7

0.0

-0.7

^ мкс

0 3.38 16.9 33.8 50.7 67.6

Рис. 3.9. Импульс давления на поверхности капли (пунктирная линия) и вызванные им осцилляции в центре капли [3.64].

В этой же работе показано, что значение амплитуды пульсаций внешнего давления, ниже которого невозможен рост парогазового пузыря (пороговое давление), существенным образом зависит от первоначального радиуса паровых включений в расплаве и частоты инициирующих колебаний. Применительно к капле, для возникновения паровых включений с начальным радиусом 100мкм и 21мкм пороговое давление имеет значения ~0.5МПа и ~2.3МПа, соответственно.

Подытоживая описание теоретических моделей фрагментации горячей капли, падающей в холодную, отметим два характерных момента. Во-первых, описанные модели основаны на разных физических принципах, что свидетельствует о многообразии путей возможного протекания процесса фрагментации. Вместе с тем, большинству описанных гипотез присущи объединяющие моменты, связанные, главным образом, с воздействием внешних импульсов давления, вызванных коллапсом паровых оболочек, окружающих горячую каплю, а также возникновением контакта горячего и холодного теплоносителей. Во-вторых, предложенные гипотезы во многих

случаях не в полной мере опираются на имеющиеся экспериментальные данные, описание которых представлено ниже.

3.2.2. Обзор экспериментальных исследований

3.2.2.1. Экспериментальные установки

Установки, предназначенные для исследования парового взрыва (ПВ),

обычно разделяются по своим размерам и поставленным задачам на маломасштабные и крупномасштабные экспериментальные стенды. Эксперименты на крупномасштабных и маломасштабных установках органически дополняют друг друга. Опыты на крупных стендах позволяют охватить все стадии парового взрыва (вход расплавленной струи в воду, распад струи на капли, непосредственно паровой взрыв и его последствия). Маломасштабные установки дают возможность детально изучить особенности протекания отдельных этапов ПВ, например, процесса фрагментации. Результаты крупномасштабных исследований обычно используются для проверки достоверности разработанных численных кодов [3.50, 3.65 - 3.67] и получения интегральных характеристик ПВ (например, степень конверсии запасённой энергии, величина импульса давления, вероятностные параметры инициирования парового взрыва, влияние масштабного фактора на характеристики взрыва и т.п).

Маломасштабные установки по изучению ПВ можно условно разделить на две большие группы. В одной из них горячий и холодный теплоносители неподвижны, а в другой они перемещаются друг относительно друга. В последнем случае горячая жидкометаллическая капля либо падает в охладитель, либо холодная капля медленно всплывает в горячей жидкости, причем в упрощенных экспериментальных исследованиях жидкометаллические капли часто заменяются твердыми металлическими сферами. Поскольку экспериментальные установки с падающими в охладитель нагретыми телами наиболее часто применяются в исследованиях, посвященных ПВ, то остановимся на их описании более подробно.

3.2.2.1.а. Установки с движущимся горячим телом

Процесс взрывного перехода от пленочного режима кипения жидкости к

пузырьковому, сопровождающийся фрагментацией горячих капель, падающих в охладитель, изучался во многих работах, например в [3.68 -3.73]. Методики проведения этих опытов схожи и могут быть проиллюстрированы на примере исследований, описанных в [3.68, 3.69]. Экспериментальная установка (рис. 3.10) включала в себя наполненную дистиллированной водой рабочую емкость объемом 180*130*250мм , в которую с небольшой высоты (несколько сантиметров) падала капля горячего металла (олова) весом 0,7 грамма. Капли расплава создавались с помощью специального генератора, который располагался над свободной поверхностью рабочей емкости. В экспериментах помимо наблюдений с помощью скоростной видеокамеры (до 100000 кадр/с), а также измерений начальной температуры расплава и импульсов давления в охладителе, проводились фотографические исследования (скорость съемки 8000 кадр/с) в диапазоне рентгеновского излучения. Применение рентгенофотографии позволило отделить в полученном видеоматериале фрагменты, связанные с жидкометаллическими осколками от изображения паровых полостей и, тем самым, получить важную дополнительную экспериментальную информацию по параметрам фрагментации.

Существенный и характерный недостаток, присущий методике измерений, применяемой в подобных опытах, связан со сложностью процесса синхронизации видеозаписи и фрагментации капли. Объективы камер светового и рентгеновского излучений должны быть сфокусированы на определенную ограниченную область водного пространства, через которую должна пройти падающая капля, причем дробление капли должно произойти именно в этой области в нужный момент времени. Поэтому для синхронизации измерений в опытах использовался внешний триггер -импульс давления, вызванный, либо ударом молотка по корпусу рабочего участка, либо взрывным разрушением тонкой проволоки под действием

импульса электрического тока. Действие внешнего триггера приводит к фрагментации капли в нужном месте и в момент времени, когда проводятся оптические и рентгеновские наблюдения. Кроме того, внешний импульс давления позволяет запустить в работу и синхронизировать всю измерительную аппаратуру.

Другой экспериментальный способ исследования процесса фрагментации описан в [3.74 - 3.76]. В этих работах капля холодной жидкости медленно всплывала и одновременно нагревалась в объеме горячего теплоносителя. За счет специального подбора теплоносителей и места расположения генератора капель взрыв перегретого охладителя наблюдался в рабочей зоне действия скоростной видеокамеры. Например, в работе [3.75] холодная капля бутана всплывала, нагревалась и взрывным образом распадалась в горячем этиленгликоле. В качестве регистрирующей аппаратуры использовались малоинерционные пьезоэлектрические датчики давления фирмы Kistler и скоростная фотосъемка, позволяющие исследовать процесс разрушения капли с временным разрешением 10-5 с. Отметим, что установки подобного типа из-за технических сложностей непригодны для изучения фрагментации жидкометаллических капель.

генератор

триггеринга

Рис. 3.10. Схема экспериментальной установки с каплей олова, падающей в недогретую воду [3.69, 3.70].

3.2.2.1.б. Установки с неподвижных горячим телом

В экспериментальных установках второго типа перегретое тело

неподвижно относительно наблюдателя. Обычно в этих опытах

используются либо горячие твердые сферические (полусферические) тела,

подвешенные с помощью специального приспособления в охладителе, либо

капля расплава располагается непосредственно на дне сосуда с холодным

теплоносителем. Подобная методика экспериментов обладает

определенными преимуществами, поскольку позволяет в полной мере

использовать в опытах зондовые методы исследований и получить более

полную информацию об исследуемых процессах. Рассмотрим конструкции

некоторых установок.

Латунный стержень

термопара

Датчик давления

нагреватель ввод в жидкости

/

Ударник

т

Тензодатчики

Уровень воды

Емкость с водой

Рис. 3.11. Схема экспериментальной установки по моделированию начальной стадии инициирования спонтанного парового взрыва [3.77].

На рис. 3.11 представлена схема простой экспериментальной установки по моделированию начальной стадии инициирования спонтанного парового взрыва на твердой полусферической поверхности [3.77]. Латунный стержень был погружен в емкость с дистиллированной водой и нагревался в ней до образования на его нижней торцевой поверхности устойчивой плёнки пара. Температуры стержня и охлаждающей воды, значение которой поддерживалось постоянным, измерялись с помощью термопар. В экспериментах также проводился мониторинг пульсаций давления в

жидкости и изменения электрического сопротивления между нагретой латунной поверхностью и водой в процессе взрывного разрушения паровой пленки. Сход пленки пара инициировался внешним импульсом давления, который был создан резким ударом молотка и подведен в воду по специальному волноводу.

В описанной выше установке опыты проводились в условиях свободной конвекции. Более точно приближение к условиям экспериментов с падающей каплей можно достичь посредством обтекания полусферы направленным водяным потоком. Подобная методика была реализована на экспериментальном стенде [3.78], устройство которого схематично показано на рис. 3.12. Нагреваемое тело в форме стержня с пустотелым полусферическим окончанием обтекалось потоком холодной воды. Пустотелая полусфера радиусом 9 мм была выполнена из листовой нержавеющей стали толщиной 0.25мм и заполнена жидкометаллическим теплоносителем - сплавом Вуда, имеющим температуру плавления 71 0С. Нагрев полусферы и поддержание режима пленочного кипения осуществлялись посредством прокачки горячего расплава внутри полусферы с помощью электромагнитного насоса. С целью предотвращения возможного окисления теплоносителя жидкий металл находился в атмосфере аргона. Температуры полусферы и сплава Вуда контролировались по всему контуру с помощью 15 термопар. Эксперименты были выполнены в диапазонах изменения температуры и скорости набегающей воды, соответственно, 60 -80 0С и 0.18 - 0.45 м/с. Температура поверхности полусферы изменялась в диапазоне 560 - 640 0С; инициирование схода паровой пленки, расположенной около нагретого тела, осуществлялась с помощью внешнего импульса давления. В опытах также исследовались интегральные характеристики парового слоя посредством измерения его электрической емкости.

Комбинированный метод исследования, в котором жидкометаллическая капля падет в холодную жидкость и взрывается (либо при падении, либо в

неподвижном состоянии на дне рабочей емкости) применялся в цикле работ [3.32, 3.33, 3.79, 3.80]. Остановимся более подробно на описании этих опытов.

Рис. 3.12. Схема экспериментальной установки из работы [3.78].

Экспериментальная установка (смотри рис. 3.13) представляла собой цилиндрический сосуд диаметром около 30 мм и высотой 20 мм с размещенным над ним индукционным нагревателем для разогрева металла. Дно сосуда имело слегка вогнутую форму. В центре дна, в месте падения капли расплава располагались несколько термопар, контролирующих температуру жидкого металла (медь или сталь). Капли имели массу 0.2-2 г. (диаметр капли ~ 2 - 4 мм). В качестве охладителя использовалась вода, температура которой варьировалась от 10 до 80 0С. Опыты проводились как во внешней воздушной среде, так и в инертной атмосфере аргона. В измерениях использовались хромель - алюмелевые термопары с диаметром королька 0.5 мм, что соответствовало значению величины их постоянной времени 6 - 14 мс. Данные с термопар оцифровывались с частотой 0.5 кГц в спокойном режиме кипения и с частотой 5 кГц при взрывном вскипании охладителя. Для измерения давления использовался кварцевый датчик фирмы Kistler, показания которого с частотой оцифровки 20 кГц

записывались на осциллограф. Результаты экспериментов фиксировались на скоростную видеокамеру (частота съемки до 8000 кадров/с) пленочного типа фирмы Fastax. Различные характеристики обломков частиц, фрагментирующих при паровом взрыве (их форма, размеры, площадь), изучались с помощью электронного микроскопа. Для определения наличия кислорода в обломках использовались химические и металлографические методы.

Рис. 3.13. Схема экспериментальной установки из работы [3.5].

Подытоживая вышесказанное, отметим, что, во-первых, в исследованиях используются разнообразные типы стендов, среди которых по простоте конструкции и методике проведения опытов выделяются экспериментальные установки с неподвижными полусферическими телами. Во-вторых, в опытах по изучению фрагментации капли при сходе паровой пленки основное внимание уделялось визуальным наблюдениям, а также измерениям импульсов давления и температур теплоносителей. В некоторых опытах

исследовались характеристики паровой пленки. Остановимся более подробно на результатах подобных исследований.

3.2.2.2. Описание результатов экспериментальных исследований

3.2.2.2.а. Результаты визуальных наблюдений

Опыты по изучению механизмов дробления металлических капель,

окруженных паровой оболочкой, были выполнены с использованием различных материалов горячего теплоносителя. Наиболее полно результаты визуальных наблюдений процесса фрагментации горячих медных капель при их погружении в воду представлены в работах Зыжковского (Zyszkowski) [3.32, 3.33, 3.79, 3.80], а также в исследованиях, проведенных в лабораториях США [3.68], Швеции [3.69, 3.70] и Японии [3.72, 3.73]. При описании дробления капель в этих исследованиях обычно выделяют следующие три возможных сценария развития процесса:

1. Спокойное падение в объёме холодной жидкости и нормальный (без взрывов и фрагментации) процесс кипения воды на капле, лежащей на дне сосуда.

2. Паровой взрыв (процесс, сопровождающийся импульсом давления и мелкодисперсной фрагментацией капли) при падении капли в холодной жидкости или на дне сосуда.

3. Особые промежуточные сценарии, при которых падающие капли превращаются либо в тело с игольчатой поверхностью (что вызвано выбросом жидкометаллических струй из основной массы металла), либо в объект грибообразной пустотелой формы.

Процесс охлаждения капли, сопровождавшийся спокойным сходом паровой пленки, длился в разных опытах от 2 до 20 секунд. Время свободного падения капли в воде составляло ~20 мс. Наличие объема воздуха (или объема газа), который капля расплава захватывала при соприкосновении с водной поверхностью, способствовало установлению пленочного режима кипения.

Авторы упомянутых работ отмечают, что маломасштабный паровой взрыв, сопровождавшийся импульсом давления и резким звуком (щелчком), мог происходить как при падении капли, так и в условиях неподвижного расплава. В последнем случае капля могла относительно длительное время до момента фрагментации лежать в паровой оболочке на дне сосуда. Было также замечено, что при взаимодействии расплава меди с водой взрывная фрагментация имела место только в случае, когда поверхность капли была слегка окислена из-за химического взаимодействия с воздушной средой во время своего падения. Капля расплава, попадающая в воду через инертную атмосферу аргона, в воде не дробилась.

Помимо экспериментов с медными каплями, падающими в холодную воду, маломасштабные паровые взрывы наблюдались в следующих системах: свинец-вода, олово-вода, Си-Ыа, Си-Ы (жидкий). При взаимодействии расплавов серебра, золота, цинка, нержавеющей стали с водой, маломасштабные паровые взрывы не наблюдались. Кроме того, рядом автором отмечается, что фрагменты оловянных капель после взаимодействия с водой имели вид причудливого коралла, а алюминиевые - пустотелую форму.

(а) немедленное

Ч

боковая стенка

✓з 2|

Отвердение без взрыва

Рис. 3.14. Схема возможного развития процесса при падении и взрывной фрагментации горячей оловянной капли, падающей в холодную воду [3.72].

Схема развития процессов при падении горячих оловянных капель в холодную воду, наблюдаемая в работе [3.72], представлена на рис. 3.14. Из этого рисунка можно заключить, что остывание и дробление капель олова и меди (эксперименты Zyszkowski) протекали схожим образом.

Рис. 3.15. Фотографии, иллюстрирующие динамику развития парового взрыва горячей капли олова в воде после внешнего триггеринга. Начальная температура капли 1000 0С. Температура воды 32 0С. Вес капли ~0.6 грамм [3.69].

Высококачественные видеоматериалы по фрагментации

жидкометаллических капель представлены в работах [3.69, 3.70]. На рис. 3.15 изображены фотографии, иллюстрирующие динамику развития парового взрыва горячей капли олова в воде. В этих экспериментах совместно с измерениями пульсаций давления и температур обоих (горячего и холодного) теплоносителей, а также скоростной съемки процесса (в области светового и рентгеновского излучений), были изучены параметры осколков расплава. Разработанная авторами специальная методика обработки информации позволяла отделять на фотографиях изображения фрагментов жидкого металла от отпечатков полостей пара. Скорость съемки составляла 20000 кадр/с и 8000 кадр/с в световом и рентгеновском спектре излучения,

соответственно. Начальная температура оловянной капли была 1000 0С, а температура воды изменялась в диапазоне от 20 до 80 0С. Результаты наблюдений свидетельствуют о том, что время разрушения паровой пленки и капли расплава составляло несколько десятков микросекунд. Процесс фрагментации капли включал несколько повторяющихся циклов, причем паровая пленка начинала разрушаться в кормовой части падающего тела, где происходило первичное соприкосновение горячего и холодного теплоносителей.

Рис. 3.16. Фотографии, иллюстрирующие процесс перехода от плёночного к пузырьковому режиму кипения недогретой воды на горячих сферах. [3.81].

Можно предположить, что пленочное кипение на поверхности жидких капель до момента их фрагментации в большой степени схоже с аналогичным процессом на твердых сферических поверхностях. Поэтому для создания достоверных моделей процессов, предшествующих дроблению капли естественно и целесообразно использовать многочисленный экспериментальный материал (см. например [3.81]), полученный при изучении закономерностей кипения на горячих сферах (рис. 3.16). Кроме того, методика проведения опытов по изучению характеристик паровой пленки вблизи горячих твердых тел (эти характеристики чрезвычайно важны для понимания инициирования ПВ) существенно проще.

Прежде чем переходить к анализу зондовых измерений отметим, что результаты визуальных наблюдений, проведенных разными авторами, свидетельствуют о многообразии форм протекания исследуемых процессов. Типы вскипания и дробления с разной степенью влияния зависят от физических свойств используемых теплоносителей, их температур, содержания растворенных газов и степени окисления нагретой поверхности.

3.2.2.2.б. Результаты исследований фрагментов капли

Изучение форм и размеров продуктов дробления жидкометаллических

капель было выполнено во многих работах, например в [3.32, 3.53, 3.68]. Форма частиц, образующихся при фрагментации капли расплавленного олова [3.53], показана на рис. 3.17. В опытах капли металла падали с высоты 30мм в дистиллированную воду, заполняющую емкость объемом 170х150х150 мм. Вода с целью дегазации подвергалась дополнительному кипячению. Как видно из рис. 3.17, форма и размеры осколков дробления существенным образом зависят от начальной температуры расплава. Оловянная капля практически не фрагментируется при относительно высоких (1000 0С) и низких (250 0С) значениях ее температуры (фотографии (а), (Ь) на рис. 3.17), т.е. процесс дробления наблюдается лишь в относительно узком определенном температурном диапазоне (фотографии

(с), (Ф).

Анализ результатов работ [3.32, 3.68] показывает, что форма и размеры частиц, образующихся при фрагментации, существенным образом зависят от физических свойств расплавленного вещества, а также от температур горячего и холодного теплоносителей. Диапазон изменения размеров осколков окиси железа составляет 1-100 мкм, а для расплава меди максимальный размер фрагмента может превышать 1 мм. Что касается нижнего предела размера фрагментации, то при внимательном просмотре фотографий осколков меди, сделанных с помощью электронного микроскопа и представленных в работе [3.32], видно, что некоторые частицы имеют размеры ~ 0.1 мкм и менее. Последнее обстоятельство позволяет

предположить, что с помощью метода парового взрыва можно получать частицы микромасштабных размеров, которые будут обладать физическими свойствами, присущими аморфным металлам [3.82 - 3.84]. Действительно, как отмечалось выше, время фрагментации капли может составлять ~ 10-5с. За данный временной интервал осколки жидкого металла охлаждаются от начальной температуры капли (~10 К) до ее комнатного значения

о

(температуры воды), т.е. темп их охлаждения может достигать

К/с. При

подобной скорости охлаждения образующиеся твердые частицы будут заведомо сохранять жидкометаллическую структуру и могут быть использованы в качестве аморфных металлов в порошковой металлургии.

Рис. 3.17. Форма осколков олова после дробления горячей капли, падающей в холодную воду [3.53]. Температура охлаждающей воды 65 0С. Начальная температура олова: (а) -250 0С: (Ь) - 1000; (с) - 370; - 450.

3.2.2.2.в. Результаты исследований температурных характеристик

В работах [3.85 - 3.88] высказаны предположения, что для протекания

взрывной фрагментации жидкометаллических капель необходимо

выполнение двух условий. Во-первых, должно быть непосредственное

соприкосновение горячей и холодной жидкостей. Во-вторых, для

обеспечения режима взрывного вскипания температура межфазной

поверхности двух жидкостей Гмп должна достигать величины т.н. температуры спонтанного парообразования Тсп., которая по своему значению превышает температуру кипения охладителя Тк, но ниже температуры его предельного перегрева Тпп (Тк < Тмп < Тпп). Исходя из решения уравнения теплопроводности при контакте двух плоских полуограниченных тел с температурами Тг и Тх, значение температуры межфазной поверхности можно оценить с помощью соотношения [3.86]:

т = т + (Тг ~Тх^ , , (3-7)

мп х 1 ? ЧУ

1 + Г (1рС)х ^2

I (ЛрС )г ,

где X, р, с - теплопроводность, плотность и теплоемкость, соответственно. Индексы х и г относятся к холодной и горячей жидкостям. Некоторые значения Тмп, рассчитанные по формуле (3-7) для системы вода - (олово, медь, латунь, сталь, окись железа) при температуре воды 20 0С представлены в таблице 3.1а.

Таблица 3.1а.

^^Металл Олово Медь Латунь Сталь Закись железа Окись олова Закись меди

700 646 684 670 637.4 497 631 576

800 733 780 763 723 547 715 645

900 820 875 857 808 597 797 715

1000 907 971 950 894 647 880 783

Значения температуры предельного перегрева для некоторых жидкостей при атмосферном давлении представлены в табл. 3.1б [3.41]. Из содержания таблиц 3.1а и 3.1б следует, что наличие оксидных пленок проводит к существенному снижению температуры межфазной поверхности.

Таблица 3.1б.

Теплоноситель Фреон R-22 Вода Натрий Этанол

Тпп , К 327 575 2300 464

Значение температуры горячей поверхности, при которой возможна фрагментация горячей капли, также ограничена «сверху». Подобное явление

обусловлено наличием вокруг капли устойчивой паровой пленки, препятствующей даже кратковременному соприкосновению охладителя с горячим телом. По аналогии с поведением капли воды на горячей поверхности, значение температуры перегретой жидкометаллической капли, соответствующей началу смены режимов кипения (пленочный режим кипения сменяется пузырьковым), общепринято называть температурой (точкой) Лейденфроста ТЛ. Значение и характер поведения этой величины тесно связаны со значением минимального теплового потока при плёночном кипении и поддается теоретической оценке, основанной на анализе устойчивости (типа Рэлея - Тейлора) системы пар - жидкость. Как показали результаты теоретических оценок (смотри обзор [3.1] и литературу в нем), подтвержденные результатами экспериментальных исследований [3.63, 3.90], значение ТЛ, помимо теплофизических свойств нагретой поверхности и охладителя (в жидком и парообразном состоянии), существенным образом зависит от диаметра капли. Последнее обстоятельство обусловлено неустойчивостью системы пар - жидкость в условиях воздействия силы тяжести и определяется значением максимальной критической длины волны случайных возмущений Хкр по формуле [3.47]:

X = 2%

1

а ^

(3-8)

кр я (р — р )

у О \г ж * пар / у

где g - ускорение свободного падения, а - поверхностное натяжение на границе пар - жидкость, рж и рпар - плотности жидкости и пара, соответственно. При значении Хкр < D (D - размер капли) слой пара, находящийся под слоем более тяжелой жидкости, становится абсолютно неустойчивым и подвержен разрушению. Характерное значение Хкр для системы вода - водяной пар, вычисленное по формуле (1-8), имеет значение ~ 10-2 м.

Помимо температуры нагретой поверхности другим основным режимным параметром, характеризующим процесс смены режимов кипения, является минимальный тепловой поток q2кр, поступающий от нагретой капли через

паровой слой в жидкость. Согласно гидродинамической теории кризисов, разработанной С.С. Кутателадзе [3.24] , а также Зубером (см. работу [3.36] и комментарии к ней [3.91]), значение величины q2кp можно оценить с помощью соотношения:

Ч2КР. = СГР п

(Р ж Р пар )

р ж

1/4

(3-9)

где С = const = (0.109 - 0.144), r - теплота парообразования, g - ускорение свободного падения, а - поверхностное натяжение на границе пар -жидкость, рж и рпар - плотности жидкости и пара, соответственно.

Заметим, что выражение (3-9) справедливо только для условия, когда температура охладителя равна температуре его кипения при данном давлении. Для недогретой жидкости значение q2Kp, также как значение ТЛ, будет несколько выше, поскольку часть теплового потока от горячего тела передается в охладитель за счет конвекции, причем значение необходимого добавочного теплового потока Aq2Kp в первом приближении пропорционально значению недогрева жидкости (ЛТнас=Тнас-Тж) [3.25]. В случае D >> Хкр. для воды можно применять простое эмпирическое соотношение, полученное в работе [3.92] на основании экспериментов со сферами из нержавеющей стали диаметром 2 - 6 см, падающими в воду со скоростью 0 - 45 см/с, (Тл)вода = 473+8Ж нас

Важно отметить, что результаты некоторых представленных в литературе экспериментальных исследований находятся в противоречии с предположением о существовании ПВ только внутри описанного выше интервала температуры нагретой поверхности. Например, на рис. 3.18 представлен характерный вид экспериментальной кривой остывания в воде медной капли, лежащей на дне сосуда [3.33]. Вес падающей капли 1 грамм. Начальная температура воды варьировалась в диапазоне 10 - 25 0С. Как видно из представленного рисунка, взрывные импульсы давления и фрагментация капли наблюдались при температурах расплава,

превышающих температуру затвердевания меди (1356,6 К), т.е. при температурах существенно выше значения температуры Лейденфроста.

Рис. 3.18. Термограммы остывания капли меди в холодной воде (20 С) [3.33].

cF я

ч о

сз

fin

tu в i

tu

Н §

Я д

3 ti1 й X

00-1

* * • • 1

90- •

■ • • • » • о 2 •

80- • \ о о • • • • — 3 •

70- • л о ir I *

• О <х> У о о S о ff1 • • •

60- О s Й у 0

» о Я о (О о*4*-*. •

50- 1 о о о у i о 9 ° с

о ::i о о

40- о 3 о о й

I о о о о о я о о О Í) о о У

30- • о У

о о о

20- а о ÍJ о

1 о

10- о

о

1 ■ ■ 1 ■ Í 1 « 1 ........

200 300 J00 soo ООО ТОО ем 900 10CC 11С

Начальная темпер атур а о ло в а. С

Рис. 3.19. Результаты экспериментов [3.71] по взаимодействию капли олова с водой. 1 спокойное охлаждение ; 2 - взрыв; 3 - кривые границ режимов.

1.0

0.8

Í 0.6

ш S 1_ го

а. -&

л i ш с ш н О

0.4

0.2

0.0

о о

i i i

<Ь

<9

i i i

о о 8

i i i

Я <ь_

%

<9

d dcd bfflod I I

0 20 40 60 80 100 Начальная температура воды, С

1500

1000

100

0

Рис. 3.20. Зависимость массовой доли осколков (степени) фрагментации оловянной капли (5000С) при паровом взрыве от значения начальной температуры охлаждающей воды [3.71].

Результаты экспериментальных исследований влияния начальных температур охладителя (дистиллированная вода) и горячего тела (оловянная капля) на характер их взаимодействия и степень фрагментации расплава показаны на рис. 3.19 и рис. 3.20. Из графика, представленного на рис. 3.19 следует, что в проведенных экспериментах имеет место некоторое пороговое значение температуры горячего тела (Т-300°С), ниже которого паровой взрыв отсутствует. Верхнее предельное значение температуры горячего теплоносителя, выше которого не наблюдается процесс фрагментации капли, в данных опытах не было обнаружено.

Рис. 3.21. Зависимость времени задержки (от момента соприкосновения капли олова с поверхностью воды до момента взрыва) [3.71] от начальной температуры воды. Начальная температура олова 600 0С.

При изучении влияния температуры охладителя на процесс фрагментации практически всеми авторами отмечается существование некоторого предельного значения (например, для системы расплавленное олово - вода (см. рис. 3.20) Т ~ 800С), выше которого паровой взрыв не наблюдается. Опытные данные по степени фрагментации оловянной капли свидетельствуют (см. рис. 3.19), что ее полное дробление почти со стопроцентной вероятностью имеет место только лишь в относительно узком температурном интервале воды - охладителя (40 - 60 0С), а при Твода > 800С этот процесс практически не наблюдается. Схожая закономерность прослеживается при изучении зависимости временной задержки парового

взрыва от значения температуры охладителя (см. рис. 3.21). Из приведенного на этом рисунке графика видно, что в случае падения капли олова в воду при некотором критическом значении температуры охладителя (~700С) наблюдается резкое увеличение значения времени задержки фрагментации.

Начальная температура олова, С

Рис. 3.22. Температурные зоны взрывного взаимодействия капли олова с водой [3.93] при различных значениях числа Вебера для падающей капли. 1 - We=0.5; 2 - 7.8; 3 - 13.

При описании теоретических моделей фрагментации капель выше был описан один из возможных механизмов, объясняющий отсутствие эффекта парового взрыва при высоких температурах охладителя (для воды при Твода>800С) [3.1]. Напомним, что гипотеза основывается на предположении о фрагментации капли расплава в результате коллапса окружающей ее паровой полости, а отсутствие дробления при малых недогревах охладителя вызвано уменьшением скорости схлопывания паровой оболочки. Последнее обстоятельство связано с конденсацией пара на поверхности раздела пар-жидкость и повышением его температуры ДТ (а, следовательно, и давления) в этой области; максимальное значение перегрева ДТмас можно оценить с помощью соотношения (3-6). При выполнении условия ДТмакс > АТнед. = Тнас-

Тх давление в паре будет выше внешнего давления и схлопывание паровой полости прекратится. Нижние индексы «нас.» и «х» относятся, соответственно, к насыщенной и холодной жидкости.

Как указывалось выше, для воды значение ДТмакс, вычисленное по

формуле (3-6), удовлетворительно согласуется с результатами

экспериментов. Вместе с тем необходимо отметить, что в рамках рассмотренной теории нельзя объяснить существенное влияние скорости падения горячей капли на значение температурного интервала взрывного взаимодействия (см. рис. 3.22). Кроме того, исходя из описанных выше предположений, трудно понять причины экспоненциального роста временной задержки парового взрыва при подходе к предельному значению температуры воды, выше которого это взаимодействие не наблюдается (рис. 3.21).

т=Т

11 1 т

Т1=Ть

100

с?

о 80

3

чд

о м 60

ей

& 40

ей

Л

о

С 20

2

о

Н 0

Взрыв Нет взрыва

. Аналитическая граница I стабильности паровой плёнки

ж

ОТ

I

• I - — - ^

200

400

600

800

Температура расплавленного материала (оС)

Рис. 3.23. Температурная область взрывной фрагментации оловянных капель, падающих в холодную воду. По данным работ японских авторов [3.91 - 3.94].

Другой более формализованный математический подход к описанию этого явления был развит в ряде работ японских авторов [3.94 - 3.97]. Метод основан на линейном анализе устойчивости системы, включающей в себя упрощенные уравнения движения сферического парового слоя и сохранения массы, а также уравнения состояния идеального газа и Клайперона -Клаузиуса. Итоговое соотношение, на основании которого производится оценка распространения температурной области взрывного взаимодействия, имеет вид:

( л г^т3 Л

Тн

\т = т — т ==

недогрев нас охл

1 + 4еаТ1с

h

а

. & °0 (т4 — т4 ^

а V гор нас'

(3-10)

RТ„

т — т

гор н

где а - коэффициент теплоотдачи на границе пар - жидкость, е - степень черноты излучающих поверхностей, а0 - постоянная Стефана - Больцмана, Я - универсальная газовая постоянная, h - теплота фазового перехода. В условиях, когда влияние переноса тепла излучением незначительно и им можно пренебречь уравнение (3-10) можно записать как:

Результаты расчета значения АТнедогрев. по формуле (3-11) для оловянных капель, падающих в дистиллированную воду, показаны на рис. 3.23. Как видно из этого рисунка, наблюдается удовлетворительное соответствие этих оценок с экспериментальными данными, полученными другими, также японскими авторами.

Отметим следующие важные обстоятельства. Во-первых, на графиках (см. рис. 3.19 - рис. 3.23) по оси абсцисс отложена начальная температура олова, а не ее значение в момент фрагментации капли. Эта методическая особенность присуща всем экспериментам, в которых капли металла падают в охладитель. Во-вторых, предположение об отсутствии влияния теплового излучения (соотношение 3-11) на изучаемый процесс недостаточно физически обосновано. В исследуемом диапазоне изменения температуры капли тепловой поток, передаваемый лучистой энергией, достигает значений, соизмеримых с полным значением этой величины. В третьих, с помощью представленных выше рассуждений невозможно объяснить ряд эффектов, связанных, например, с зависимостью температурной области фрагментации от скорости падения капли (см. рис. 3.22).

3.2.2.2.г. Влияние состояния поверхности и физических свойств охладителя

Как отмечается многими авторами (смотри, например, литературу в обзоре