Динамика паровой полости при контакте горячей сферы с холодным теплоносителем

Паровой взрыв является физическим процессом, в ходе которого горячая, чаще всего жидкая среда (расплавленный металл, шлак, магма и т. п.) соприкасается с холодной легкокипящей жидкостью (чаще всего — это вода), что сопровождается чрезвычайно интенсивным межфазным взаимодействием. Такое явление может иметь место в различных системах. Исследователями изучался паровой взрыв на раскаленных металлических сферах [1], каплях расплавленного металла [1−4], горячих твердых поверхностях [1, 2, 4, 5] в различных жидкостях, таких как вода, спирт, глицерин и пр. Однако эксперименты в этой области возможны не только с металлами, но и с двумя жидкостями, различающимися температурой кипения. На интенсивность процесса межфазного взаимодействия значительное влияние оказывает форма и размер межфазной поверхности. В связи с этим во многих работах проводилось изучение процессов колебания и коллапса паровых образований в жидкости. Так, например, в работе [6] проводилось изучение коллапса различных паровых пузырьков в глицерине. На рис. 1 показана фотография парового пузырька до и после коллапса.

Паровой взрыв как сложное физическое явление может включать в себя несколько стадий. Первоначально наблюдается пленочное кипение над поверхностью капли или твердой поверхностью металла [1, 2 и др.]. Многие авторы отмечают, что очень важной стадией процесса является сход паровой пленки. Автор работ [7, 8] при изучении теплового взрыва, в начальных стадиях аналогичного паровому, также указывает на срыв пленки пара. В статье [1] автор указывает на два наиболее вероятных сценария коллапса паровой пленки: первый — резкое падение температуры горячей поверхности ниже минимальной температуры пленочного кипения, что приводит к неустойчивости пленки или второй — наличие спровоцированного резкого контакта холодной воды со стенкой, например, под действием давления. Первый механизм он считает маловероятным из-за высокой температуры металла. Относительно второго сценария развития событий существует несколько работ, отдельно посвященных изучению схода пленки пара под действием импульса давления [3, 4, 9]. Авторы [4] особо отмечают, что импульс давления играет очень важную роль в развитии парового взрыва.

Как уже упоминалось, сначала над горячим металлом образуется пленка пара и наблюдается пленочный режим кипения. Однако, после срыва этой пленки, у поверхности капли довольно быстро начинают формироваться пузырьки пара (в соответствии с [4], это времена порядка 20 мкс) и наступает пузырьковый режим кипения. Тепловые и гидравлические эффекты, возникающие при смене режимов кипения, вызывают повышенный интерес в течение нескольких последних десятилетий. Этот интерес обусловлен потребностями инженерной практики, необходимостью обеспечения безопасной работы оборудования атомной энергетики, металлургии, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности. Особенно интересен случай, когда пленочное кипение сменяется пузырьковым взрывообразным образом [1, 10]. Если подобный эффект имеет место при кипении теплоносителя над поверхностью расплава, то последний, в результате, может раздробиться на отдельные капли. Процесс дробления (фрагментации) наблюдался разными авторами. Авторы [3] изучали данную стадию, наблюдаемую ими после приложения импульса давления, в статье [11] рассмотрены возможные механизмы, приводящие к дроблению капли. Авторы этих статей и работы [4] упоминают о возникновении неустойчивости Рэлея-Тейлора на поверхности металла, развитие которой приводит к дроблению расплавленного металла и интенсивному перемешиванию воды и горячих капель. В [12] говорится о возможности фрагментации в случае расплавленного металла, находящегося в жидкости. Рассматриваются характерных времена распада пиков неустойчивости и втягивания их в массу капли. Отмечается, что если второй отрезок времени превышает первый, то в системе наблюдается дробление капли металла на фрагменты. В статьях [10, II] как возможная причина дробления упомянуты струйки, бьющие в поверхность при схлопывании паровых пузырьков [13, 14], образующихся вблизи поверхности расплавленной капли. Площадь поверхности взаимодействия расплава и теплоносителя в таком случае резко возрастает и возникает собственно паровой взрыв [15]. Если же поверхность, над которой кипит теплоноситель, является твердой, то в аналогичный момент фиксируется хлопок и наблюдаются.

I—I.

1 мм.

Рис. 1. Фотографии парового пузырька в глицерине до (а) и после (б) первого коллапса [6]. парожидкостные струи, бьющие от поверхности [16]. Тот же эффект наблюдается и в модельных экспериментах, когда раскаленный образец с некоторой регулируемой скоростью опускается в холодную жидкость. В такой постановке задача тождественна моделированию начальной стадии закалки, когда раскаленный образец бросается в холодную жидкость. Эксперименты, проведенные в ОИВТ РАН, показывают, что даже при относительно невысоких скоростях, при которых тело погружается в жидкость, может быть зафиксирован прямой электрический контакт между жидкостью и телом [17]. В более ранней работе [18] фиксировалось только наличие и продолжительность прохождения электрического тока без расчета площади контакта. Хотя, с общепринятой точки зрения, данный эффект не может иметь места, так как температура жидкости при прямом контакте, рассчитанная в соответствии с [19], значительно превышает температуру спинодали. Однако, как представляется, определить температуру среды сразу после контакта, совсем не то же, что определить температуру в момент, непосредственно предшествующий контакту. При теплообмене разреженного газа, например, скачок температуры между двумя поверхностями обычное явление. Так как при сближении поверхностей с какого-то момента расстояние между ними будет меньше длины свободного пробега для молекул газа, то и скачок температуры вполне возможен. А температура среды после контакта говорит лишь о том, что будет происходить со средой в дальнейшем, будет ли она стабильной, хотя бы некоторое время, или нет.

Для того чтобы прояснить вопрос о скачке температур в момент, непосредственно предшествующий контакту двух сближающихся поверхностей, в главе 1 данной работы рассматривается модельная задача о движении жидкости по направлению к горячей поверхности металла. Заданными условиями для решения являлись: наличие движения одной среды относительно другой (рассматривалось движение с постоянной скоростью). Принималось, что температура металлической стенки была постоянной и значительно превышала температуру спинодали для жидкоститемпература жидкости в начальный момент времени была однородной по пространству и была значительно ниже температуры насыщения при атмосферном давлении.

Паровой взрыв достаточно широкое явление и хотя иногда высказываются сомнения относительно возможности отнесения того или иного события к паровому взрыву [20], различные стадии парового взрыва можно исследовать не только на твердых частицах, но и напрямую, на каплях расплавленного металла, попавших в холодную жидкость [21−23]. В таком случае при проведении опытов используется не твердая нагретая частица, а капля расплавленного металла. Это накладывает свои трудности на проведение экспериментов, однако их проведение позволяет изучить такие процессы как соприкосновение жидкометаллической поверхности капли с окружающим хладагентом, образование неустойчивости на поверхности жидкостей и в том числе такой хорошо экспериментально известный процесс как фрагментация поверхности расплава.

Фрагментация металлической поверхности происходит при попадании расплавленной капли в объем легкокипящей холодной жидкости, дает нам пример интенсивного межфазного взаимодействия и представляет интерес для изучения.

Данное явление возникает как в промышленности, при авариях на металлургическом производстве и в энергетике, так и в природе, например при извержении подводных вулканов. В любом случае расплавленные металл, шлак или магма струей вытекают в холодную легкокипящую жидкость, чаще всегоэто вода, далее струя расплава дробится на капли [24−27]. Последние, в свою очередь, взрывообразным образом распадаются на мелкие фрагменты. В результате этого процесса теплообмен между расплавом и легкокипящей жидкостью усиливается сразу на несколько порядков, а давление в системе резко возрастает. Данное явление весьма напоминает взрыв, почему и называется паровым взрывом. При изучении этого процесса исследователей интересуют разные его аспекты: скорость нагрева жидкости и остывания отдельно взятой капли, тепловые потоки на поверхности раздела жидкостей, время начала кипения и параметры паровой пленки, возникающей вокруг капель расплава. Однако наиболее интригующим представляется сам процесс фрагментации капли расплавленного металла. Поскольку такой процесс протекает очень быстро, в интервале времени менее 1 мкс [28], и размеры одиночной капли невелики, экспериментально достаточно трудно измерить параметры процесса дробления и выявить причины, приводящие к дроблению капли.

В теоретических работах [8, 28] и множестве других рассматривались различные механизмы фрагментации капли расплава. Предлагались различные модели, как, например, развитие неустойчивости на поверхности расплавленной капли. В относительно давней работе [29] были кратко описаны рассматриваемые па тот момент механизмы фрагментации. Авторы разделили их на три группы: гидродинамические, модели с капельками расплава и теории о твердой оболочке. Хотя работа [29] написана более 35 лет назад, многие из рассматриваемых до сих пор моделей были предложены еще тогда. В качестве гидродинамических моделей авторы рассматривают модели ударной фрагментации при столкновении жидкостей и поверхностной неустойчивости Гельмгольца. Предположительно, к этой же категории можно отнести и неустойчивость Рэлея-Тейлора, равно как и неустойчивость Ландау. К моделям с капельками расплава авторы разных работ относили рост и схлопывание пузырька пара, генерацию акустического импульса давления, спонтанное зародышеобразование в хладагенте, внутреннюю акустическую кавитацию и скоростное истечение газа. И последнюю группу можно описать просто как наличие возможности застывания металла на поверхности металлической капли, что, в свою очередь, служит, благодаря образованию термических напряжений, механизмом фрагментации.

Автором [8] был предложен механизм, основанный на захвате горячей жидкостью капель хладагента и последующем их вскипании внутри расплавленной частицы, что и приводило к дроблению металлической капли. Позже в небольшой работе [30] авторами был кратко описан другой возможный механизм. Более подробно последний описан в [31]. Основой этого подхода служит рассмотрение деформационных напряжений, образующихся на поверхности металла, при соприкосновении последнего с низкотемпературной жидкостью. При соприкосновении двух жидкостей, имеющих существенно различные температуры, на поверхности более горячей жидкости возникает волна расширения, как следствие первоначальной волны сжатия, после отражения возвращающейся к поверхности волной расширения. В работе [12] был предложен другой механизм дробления капли расплава, основанный на рассмотрении капиллярного распада тонких слоев жидкости, возникающих при соприкосновении стенок соседних пузырьков, растущих па поверхности расплава при его соприкосновении с холодной легкокипящей жидкостью.

В настоящей работе предполагается, что в процессе дробления капли расплава ключевую роль играет непосредственное соприкосновение окружающей легкокипящей жидкости с горячим расплавом. Конечно, в большинстве уже предложенных механизмов фрагментации также предполагается наличие касания расплава холодной жидкостью. Но при этом авторы работ, рассмотренных здесь и многих других, посвященных исследуемой теме, лишь отмечают, что описываемый ими механизм подразумевает прямой контакт вода-металл, но не описывают его сколько-нибудь подробно.

Прямой контакт легкокипящей жидкости и расплава металла экспериментально изучен весьма слабо, возможно потому, что теоретические оценки вероятности протекания такого процесса предсказывают его принципиальную невозможность. Для большинства случаев, представляющих практический интерес, используемые соотношения предсказывают значения температуры легкокипящей жидкости, в момент ее соприкосновения с расплавленным металлом, превышающие даже критическое значение (например, для воды). Однако все-таки существует некоторое количество экспериментальных работ, в которых исследуется случай соприкосновения горячей поверхности и подходящей к ней холодной жидкости с помощью регистрации электрического контакта. Этот контакт зарегистрирован экспериментально, описание эксперимента приведено в работах [32−34]. В более поздней работе [17] измерялось падение напряжения между жидкостью и горячей сферой, опускаемой в жидкость, что позволило определить площадь контактного пятна между жидкостью и сферой. Разумеется, интерпретация опытных данных иногда вызывает сомнение и, к примеру, авторы работы [34] указывали на возможные различные механизмы, допускающие возникновение электрического сигнала в рассматриваемой задаче. В этой же работе [34] авторы рассматривали разные режимы контакта холодной жидкой капли с горячей поверхностью. Теоретические, а также экспериментальные данные, приведенные в работе, показывают, что наличие отложений на поверхности металла, таких как различные окислы и соли жесткости, могут расширять диапазон температур нагрева металла, допускающих прямой контакт жидкости и горячей стенки. Однако эта особенность металлических поверхностей достаточно хорошо известна, поэтому в экспериментах, описанных в статье [31], учтена: авторы этой работы в своем эксперименте нагревали образец в среде аргона.

Представляется важным отметить, что ранее при рассмотрении взаимодействия горячей жидкости (расплав) и холодной жидкости, не учитывались эффекты на стадии сближения двух жидкостей. Это, в частности, отмечено в статье [34]. Однако данная стадия процесса взаимодействия, как показано ниже, определяет значение температуры поверхности холодной жидкости в момент, непосредственно предшествующий ее прямому контакту с горячей жидкостью.

Не менее существенным, чем фрагментация процессом является испарение окружающей холодной жидкости при попадании в нее нагретой до высокой температуры твердой частицы. На поверхности твердой частицы возникает паровая пленка, соприкасающаяся с охлаждающей жидкостью. При наличии ансамбля горячих частиц, попадающих в холодную, недогретую до температуры кипения жидкость, появляется возможность возникновения парового взрывамгновенного вскипания большой массы жидкости, сопровождающегося резким ростом давления в системе, содержащей горячие частицы в холодной жидкости. Не исключена возможность возникновения парового взрыва в химической промышленности, при варке целлюлозы, в металлургии и в ряде других технологических процессов. Возникновение парового взрыва существенно ограничивает технические возможности по ликвидации тяжелой аварии на АЭС [35−37].

В последнее время в лабораториях многих стран проводятся интенсивные исследования таких процессов.

Литература

по проблеме парового взрыва и смежным вопросам достаточно обширна (см. [38−50] и библиографии к ним). В них дается общая картина процесса, описываются результаты наблюдения этого явления и анализируются качественные соотношения, описывающие динамику поверхности капли и границы раздела паровой пленки и холодной жидкости. Анализ динамики границы раздела пар-жидкость позволяет оценить энергию, запасенную в паре и жидкости, оценить возможность возникновения парового взрыва и описать распространение взрывной волны.

В работе [41] предлагалось рассматривать процессы, приводящие к паровому взрыву, в рамках модели детонации Чепмена-Жуге. Более поздний анализ проблемы показывает спорность данного подхода. В [42] рассмотрено автомодельное решение задачи о поле температур в окружающем горячую металлическую стенку теплоносителе. Пренебрегая движением теплоносителя и теплотой, отдаваемой от пара к жидкости, автор при постоянной температуре стенки получил уравнение, описывающее изменение границы пар-жидкость х/ ~ 1 т. В [44], опираясь на свои эксперименты и рассматривая поведение малых возмущений, авторы устанавливают границы возникновения неустойчивости. Результаты задачи получены на основе модельных соотношений для изменения объема и импульса пара и уравнения Рэлея-Ламба для движения границы раздела. Дальнейшее исследования этой проблемы рассмотрено авторами в работах [45, 47]. В [46] проводится численное моделирование задачи о взаимодействии горячей сферической частицы с холодной водой. Учитывается остывание частиц и перенос теплоты от нагретого тела к жидкости как за счет теплопроводности пара, так и за счет излучения. В этой работе получено уравнение Рэлея-Ламба, учитывающее наличие потока массы на границе пар-жидкость. Основной дефект этой работы связан с использованием соотношения для потока массы (уравнение (7) работы [46]), возникающего на границе пар-жидкость, хотя, качественное поведение параметров среды соответствует физическим представлениям. В работе [48] рассматривается задача о фрагментации поверхности горячей сферической частицы при ее взаимодействии с холодным жидким теплоносителем. В этой задаче также используется уравнение Рэлея-Ламба, учитывающее наличие потока массы, выражение для которого было получено другими авторами в [49]. Анализ выражения на границе пар-жидкость, полученного в [49], содержит ошибочные члены, что позволяет усомниться в его правильности, а, следовательно, в справедливости некоторых количественных оценок, полученных в работе [48] с использованием уравнения работы [49]. Экспериментальные исследования и количественные оценки работ [44, 45, 50] также базируются на вариантах уравнения Рэлея-Ламба. Они явно демонстрируют необходимость более детального анализа процессов, происходящих на границе пар-жидкость при наличии интенсивных тепловых потоков от нагретой поверхности твердой или расплавленной горячей частицы к окружающей холодной жидкости.

В связи с рассмотрением различных стадий парового взрыва возникла мысль теоретически рассмотреть возможность интенсификации межфазного теплообмена путем моделирования некоторых характерных аспектов, свойственных паровому взрыву, с помощью искусственно создаваемой кавитации. По этой причине третья глава отведена под краткий обзор разных аспектов и характеристик ультразвуковой кавитации. Описаны условия возникновения кавитационной области и протекания в ней процессов связанных с образованием, ростом и схлопыванием кавитационных полостей. А также кратко описаны процессы, сопутствующие схлопыванию каверн и их характеристики. После чего на основе рассмотренного явления кавитации предложен и схематично описан способ интенсификации теплообмена у твердой горячей поверхности. После описания предлагаемого способа кратко описана возможная установка на основе этого способа интенсификации теплообмена.

В тексте работы подробно описаны используемые модели и способы решения поставленных в них задач. Две главы посвящены подробному анализу рассматриваемых проблем такого многостороннего явления как паровой взрыв. Третья глава включает в себе краткое описание процесса, также сопровождающегося схлопыванием паровых пузырей. Темой последней главы является ультразвуковая или акустическая кавитация. Собраны определения и характеристики процессов. Приведены экспериментальные и расчетные зависимости параметров кавитации в зависимости от приложенной мощности и их эволюция во времени. Записаны системы уравнений, полученные за годы изучений этого явления. В конце третьей главы предложено новое направление в рассмотрении, изучении и применении ультразвуковой кавитации.

Данная работа заканчивается выводами по проведенным расчетам и соображениями о дальнейшем изучении рассмотренных областей тепломассообмена.

Главной цслыо диссертационной работы является изучение парового взрыва как явления, заключающегося в попадании горячей твердой или жидкой частицы в холодную жидкость, находящуюся при температуре меньше температуры кипения при данном давлении. Представленное явление включает в себя ряд ключевых этапов и значительное количество второстепенных процессов, протекающих вместе с основными процессами или являющихся их стадиями. В работе рассмотрены такое физические явления как соприкосновение холодного низкокипящего теплоносителя с поверхностью горячей, нагретой выше температуры кипения окружающей жидкости, металлической поверхностью. Для изучения этого процесса разработана математическая модель, а также запрограммирован алгоритм для расчета по полученной модели. Результаты представлены графиками зависимостей температуры на поверхности жидкости при контакте двух исследуемых поверхностей. Проведено качественное сравнение расчетных результатов с экспериментальными данными.

Далее рассмотрена одна из ключевых стадий парового взрыва — фрагментация капли расплавленного металла, попавшей в холодный теплоноситель. Рассмотрены существующие модели фрагментации жидкой капельки. Представлена новая модель прохождения этого процесса. Приведены качественные описания и алгоритм прохождения процесса в зависимости от условий протекания явления. Получены количественные оценки критериев, определяющих направление протекания процесса, а также оценки параметров, описывающих явления, сопровождающих и инициирующих фрагментации жидкометаллической капли.

Не менее значимой целью настоящей работы была попытка теоретически рассмотреть возможность интенсификации межфазного теплообмена путем моделирования некоторых характерных аспектов, свойственных паровому взрыву, с помощью искусственно создаваемой кавитации. Были изучены имеющие в настоящее время сведения об ультразвуковой кавитации. В результате изучения данного процесса был предложен способ интенсификации теплообмена около горячей твердой стенки.

Работа состоит из введения, трех глав и заключения. В первой главе рассмотрена фрагментация капли расплавленного металла, попадающей в холодную жидкость, недогретую до температуры насыщения. Описана предложенная модель инициирования и прохождения процесса фрагментации в системе жидкий металл-вода. В качестве одной из важных стадий модели рассмотрено соприкосновение двух поверхностей системы: жидкой капли и воды. Кратко описана математическая модель для получения оценки возможности такого явления, приведены экспериментальные данные. Несмотря на невозможность численного сравнения приведенных данных, очевидно качественное совпадение результатов расчетов по теоретической модели и проведенных в сходных условиях экспериментов.

Во второй главе рассматривается другой процесс, являющийся частью парового взрыва — образование пара у горячей твердой поверхности при попадании горячей частицы в холодную воду. Получены уравнения, описывающие поля температур, давлений и скоростей в жидкости и паре. Найдено положение стационарного состояния для паровой пленки, образующейся около металлической сферы. Рассмотрены процессы испарения и конденсации у межфазной поверхности жидкость-пар. В том числе рассмотрено влияние вязкости жидкости на толщины паровой пленки. А также построены фазовые портреты рассмотренных режимов.

В третьей главе приведено краткое описание кавитации, как физического явления, включающего процессы высокой интенсивности, протекающие за менее чем микронные промежутки времени. Описаны основные характеристики кавитации, образуемой с помощью ультразвука в жидкости. На основе представленных характерных значений параметров процесса и полученной ранее зависимости температуры поверхности жидкости при соприкосновении ее с горячей поверхностью от скорости движения данной жидкости предложен способ интенсификации теплообмена у горячей поверхности с помощью кавитационных микроструй.

Научная новизна работы заключается в подтверждении гипотезы о возможности соприкосновения холодной жидкости с горячей поверхностью. Важность данной проблемы обусловлена тем, что многие модели и теории, относящиеся к рассмотрению парового взрыва, так или иначе, включают предположение о наличии контакта холодной и горячей поверхностей. Таким образом, предположение, используемое уже несколько десятилетий, получило подтверждение.

В неменьшей степени научной новизной обладает предложенный механизм фрагментации жидкометаллической капли, помещенной в холодную покоящуюся (не кипящую) жидкость. Приведенный алгоритм дробления капли расплава включает в себя уже рассматривавшиеся ранее в других механизмах фрагментации составляющие этого процесса. Однако введена новая аналогия между микроскопическими процессами на границе металл-вода и макроскопической задачей об ударе пластины о поверхность, позволяющая количественно оценить процесс, инициирующий фрагментацию.

Понимание протекания фрагментации жидкометаллических капель является важной теоретической и практической задачей. Это явление представляет собой опасный процесс, так как даже при проведении экспериментов на единичной капле, осколки от нее могут разлетаться на расстояния порядка 10 радиусов первоначальной капли, а кроме того фрагментация по времени и интенсивности протекания сходна со взрывом. По этой причине для обеспечения безопасности необходимо изучить этот процесс насколько возможно подробно.

Научная новизна материала второй главы заключается в нахождении стационарных положений границы паровой полости для случая попадания твердой горячей частицы в холодную жидкость. В ходе моделирования данной задачи были получены поля температур в жидкости и паре, а также поле скоростей, давлений и температур на границе пар-жидкость.

Не только научную новизну, но и потенциал для дальнейшего изучения и вместе с тем практическое значение имеет рассмотренная в третьей главе работы ультразвуковая кавитация как основа способа интенсификации теплообмена у раскаленной поверхности.

Также научный интерес представляет оценка возможности развития неустойчивости на поверхности холодной жидкости и жидкой капли металла. Это не основной вопрос в теории парового взрыва, требующий все же уточнения, поскольку в некоторых работах отмечается развитие неустойчивости не только на поверхности воды, но и жидкого металла. Представляется важным оценить такой процесс, так как в некоторых работах авторы, принимая на веру утверждение о развитии неустойчивости на поверхности металл-вода или в системе металл-пар-вода, строят гипотезы о протекании фрагментации в такой системе.

Практическая ценность работы обусловлена необходимостью решения важной для атомной энергетики, металлургии и химической промышленности задачи — определение условий возникновения и методов предотвращения спонтанного парового взрыва.

Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию исследуемых явлений и позволяют прогнозировать и проводить оценки параметров возможного парового взрыва, что позволит более эффективно предотвращать и устранять аварии на важных для экономики и экологии производствах.

Автор выносит на защиту: результаты расчета по математической модели столкновения недогретой до температуры кипения жидкости с горячей поверхностью и сравнение полученных данных с результатами экспериментовописание предложенного механизма фрагментации жидкометаллической капли, оказавшейся в холодной низкокипящей жидкости, с использованием полученных в работе оценок параметров протекания данного процесса в дои закритической областяхрасчет динамики паровой пленки и достижимых ею стационарных толщинрезультаты моделирования колебаний паровой пленки около раскаленной частицы, помещенной в недогретую до температуры кипения жидкостьполучение соотношений, описывающих границу возникновения колебаний паровой пленки, и сопоставление с экспериментальными даннымианализ характеристик ультразвуковой кавитации и предложение метода интенсификации теплообмена между жидкостью и горячей поверхностьюанализ вероятности развития неустойчивости на поверхностях жидкости и расплавленного металла при их соприкосновении.

Основное содержание диссертации опубликовано в 4 печатных работах [5154], в том числе три статьи в рецензируемых журналах, включенных в список ВАК, и один патент РФ [55].

Апробация работы.

Результаты, изложенные в данной работе, были обнародованы на четырех конференциях по тепломасообмену: XVI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 2010; V Российской Национальной Конференции по Теплообмену, Москва, МЭИ, 2010; XVIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева, 23−27 мая 2011 г., Звенигород, РоссияМеждународной научной школе «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях». М. 05−07 сентября 2011 г.

выводы.

Настоящая работа посвящена изучению парового взрыва. Это явление можно разделить на несколько отдельных стадий. Необходимость изучения парового взрыва не вызывает сомнений, и его сложный и многофакторный характер по-прежнему представляет собой площадку для одновременного существования нескольких мнений, тем более, что комплексный эксперимент достаточно сложен. В данной работе исследованы некоторые из этапов процесса, не рассматривавшиеся до настоящего времени или до сих пор не имеющие однозначной интерпретации. Основные результаты настоящей работы заключаются в следующем:

• Предложены и рассмотрены механизмы фрагментации капли жидкого расплавленного металла, помещенной в недогретую до температуры кипения жидкость (в данной работе во всех расчетах и моделях в качестве параметров холодного теплоносителя использовались параметры воды). Исследованные механизмы разделены на два типа: 1) для докритического состояния жидкости- 2) для закритического. Для каждого из них дан алгоритм протекания фрагментации в каждом из представленных типов. Для первого механизма получена оценка критерия, определяющего наличие или отсутствие фрагментации. Для второго — описан механизм прохождения и приведены оценки величин, характеризующих процесс фрагментации.

• Изучена возможность соприкосновения холодной воды с нагретой поверхностью (без учета охлаждения нагретой твердой поверхности), температура которой превышает температуру насыщения жидкости. Решена задача о температуре поверхности жидкости при ее взаимном сближении с нагретой поверхностью и получена зависимость этой температуры от скоростей движения. В конечной стадии сближения сред учитывалось нарушение гипотезы о сплошности промежуточного слоя. Показано, что вода, подходящая к нагретому телу может находиться в жидком агрегатном состоянии и, в зависимости от скорости сближения, иметь температуру как превышающую температуру насыщения, так и ниже.

Представлено качественное сравнение расчетов по предложенной модели взаимного движения холодной и горячей поверхностей с современными экспериментальными данными;

• Исследованы условия возникновения неустойчивости на поверхностях педогретой жидкости и расплавленного металла в системе вода-пар-жидкий металл. Показано, что неустойчивость, возникающая и развивающаяся на поверхности менее плотной жидкости, не оказывает существенного влияния на развитие неустойчивости на поверхности расплавленного металла, т. е. неустойчивость на поверхности расплавленного металла не имеет жесткой связи с неустойчивостью на поверхности воды;

• Рассмотрена задача о динамике межфазной поверхности, возникающей около нагретой металлической сферы (при постоянной температуре), опущенной в холодную жидкость. С учетом наличия потока массы с поверхности паровой пленки, температуры и давлени насыщения выведено обобщенное уравнение Рэлея-Ламба.

Исследована динамика пленки пара около горячей сферической частицы в двух случаях: а) для невязкой и б) вязкой жидкости. В обоих режимах рассчитаны радиус межфазной поверхности и скорость ее движения. Показано, что вязкость воды существенно влияет на колебания поверхности жидкости, соприкасающейся с паром. В такой жидкости колебания уже после первого периода затухают, а межфазная поверхность выходит на свое стационарное значение. В невязкой жидкости наблюдается незатухающий процесс колебаний. Получены величины стационарной толщины паровой пленки и ее зависимость от различных исходных параметров задачи (температура горячей стенки, степень недогрева воды и т. д.).

• Предложена гипотеза, позволяющая теоретически определить границу, разделяющую область существования и отсутствия парового взрыва. С помощью экспериментальных данных [70] было получено выражение для определения границы возникновения колебаний около горячей металлической частицы. Полученная новая зависимость учитывает распространение волн нового типа по поверхности паровой пленки;

• Изучена и кратко описана ультразвуковая кавитация в жидкости. Полученные ранее результаты моделирования соприкосновения холодной жидкости и горячей поверхности и уравнение Рэлея-Ламба позволили предложить способ использования ультразвуковой кавитации для генерации кумулятивных микроструй, приводящих к интенсификации теплообмена. Приведены диапазон подходящих для использования частот ультразвука и средний диапазон получаемых скоростей выброса генерируемых струек жидкости. Предложенный способ лег в основу патента о возможности интенсификации теплообмена посредством ультразвуковой кавитации.