Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы и постановка задач исследования 13
1.1 Стационарные условия взаимодействия жидкости и нагретой стенки 13
1.2 Динамическое взаимодействие капель жидкости с поверхностью нагретого тела 15
1.3 Взаимодействие испаряющейся жидкости с нагретым расплавом 21
2 Процесс образования волн на пленке жидкости в паровом слое 26
2.1 Экспериментальная установка для визуализации волн 27
2.2 Результаты экспериментов 29
2.3 Длина волн 34
2.4 Высота гребня волн
2.5 Фазовая скорость волн 37
2.6 Механизм развития волн на поверхности жидкости 38
3 Математическая модель движения жидкости 47
3.1 Уравнения, определяющие движения жидкости 47
3.2 Переход к средней по сечению скорости 52
3.3 Представление решения в виде бегущей волны 55
3.4 Линейный случай решения волнового уравнения 57
3.5 Соотношения, связывающие волновое число и частоту 60
3.6 Толщина слоя жидкости, участвующей в волновом движении 60
3.7 Параметры волнового движения жидкости 62
3.8 Конвективная составляющая теплового потока в движущейся 62
жидкости
3.9 Разность давлений по обе стороны гребня волны 63
3.10 Определение разности температур по обе стороны гребня 67
3.11 Нелинейный случай 67
3.12 Скорость гребня волны жидкости, направленная по нормали к греющей поверхности 70
3.13 Зависимости параметров волнового движения жидкости от
начальной толщины паровой слоя и от времени с начала контакта... 73
3.14 Влияние силы тяжести и термокапиллярных сил на процесс
развития неустойчивости поверхности жидкости 86
4 Температуры и тепловые потоки при падении капель на нагретую поверхность 89
4.1 Методика эксперимента 89
4.2 Экспериментальная установка для определения изменения Ф температуры поверхности нагретого тела 97
4.3 Результаты измерений поверхностной температуры 99
4.4 Определение плотности теплового потока в зоне контакта 103
Заключение 111
Литература
- Динамическое взаимодействие капель жидкости с поверхностью нагретого тела
- Высота гребня волн
- Линейный случай решения волнового уравнения
- Экспериментальная установка для определения изменения Ф температуры поверхности нагретого тела
Введение к работе
Выбор параметров теплоэнергетических устройств обычно осуществляется с помощью известных эмпирических или полуэмпирических зависимостей, которые не всегда полно отражают влияние различных факторов на параметры процесса теплопередачи. При этом одной из важнейших задач является задача о теплопередаче от нагретой стенки к испаряющейся жидкости. Такая задача может решаться только на базе понимания физических процессов, происходящих при теплопередаче к испаряющейся жидкости, в частности при теплопередаче от нагретой поверхности к жидкости через паровую прослойку. Такой процесс теплопередачи осуществляется во многих областях техники: при струйном охлаждении в металлургии, закризисном теплообмене в парогенераторах, капельном охлаждении при кризисах высыхания, жидкостных реактивных двигателях, проектируемых термоядерных реакторах и системах охлаждения зеркал мощных лазеров, при гипотетических тяжёлых авариях ядерных реакторов с взаимодействием расплава активной зоны с охлаждающей водой и др. Предложены различные зависимости расчёта теплопередачи в таких процессах, подтверждённые многочисленными экспериментами, однако, некоторые особенности механизма процесса переноса теплоты от горячих объектов к охлаждающей жидкости через паровую прослойку остаются до сих пор малоисследованными. Одной из таких особенностей механизма процесса переноса теплоты является задача о возбуждении волнового движения поверхности жидкости при нагреве её через паровую прослойку и влияние этого движения на теплоперенос в жидкости.
Актуальность темы
Выбор параметров теплоэнергетических устройств обычно осуществляется с помощью известных эмпирических или полуэмпирических зависимостей, которые не всегда полно отражают влияние различных факторов на параметры процесса теплопередачи. Такая задача может решаться только на базе понимания физических процессов, происходящих при теплопередаче к испаряющейся жидкости, в частности при теплопередаче от нагретой поверхности жидкости через паровую прослойку. Такие процессы существуют при струйном охлаждении в металлургии, закризисном теплообмене в парогенераторах, капельном охлаждении при кризисах высыхания, жидкостных реактивных двигателях, проектируемых термоядерных реакторах и системах охлаждения зеркал мощных лазеров, при гипотетических тяжёлых авариях ядерных реакторов с взаимодействием расплава активной зоны с охлаждающей водой и др. Предложены различные зависимости для расчёта теплопередачи в таких процессах, подтверждённые многочисленными экспериментами. Однако механизм процесса переноса теплоты в поверхностных слоях жидкости, отделенной паровой прослойкой от греющего объекта, в начальные моменты времени контакта остается малоисследованным.
Известные задачи о влиянии нагрева жидкости греющей поверхностью через паровую прослойку на ее движение ограничиваются одномерной постановкой, т.е. рассматриваются движения жидкости, нормальные к греющей поверхности: плоские, цилиндрические, сферические задачи. В этом случае жидкость в поверхностном слое движется как целое и нет перемешивания жидкости и перетечек теплоты в касательном направлении, теплоперенос в жидкости в этом случае может осуществляться преимущественно молекулярным механизмом теплопроводности. Однако измерения локальной мгновенной плотности теплового потока через нагретую поверхность при капельном или струйном ее охлаждении при температуре поверхности выше, чем возможная для осуществления непосредственного контакта поверхности и жидкости в начальные моменты времени показали, что существует значительный конвективный поток теплоты в жидкость. Поэтому существует необходимость расчета теплопереноса в поверхностных слоях жидкости на основе двухмерной модели движения жидкости, позволяющей найти конвективную составляющую теплового потока на поверхности жидкости, направленную внутрь жидкости.
Цель работы
Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование процесса возникновения конвекции и высокой величины мгновенной плотности теплового потока в поверхностных слоях жидкости в начальные моменты времени контакта жидкости через паровую прослойку с нагретой поверхностью.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
- разработать методику эксперимента и провести измерения параметров неоднородностей на поверхности жидкости при контакте её через паровую прослойку с нагретой поверхностью в начальные моменты времени контакта;
- разработать физическую модель механизма роста возмущений на поверхности жидкости, отделенной паровой прослойкой от нагретого тела;
- разработать двухмерную модель движения поверхностных слоев жидкости, обогреваемых плоской поверхностью через паровой слой в течение коротких промежутков времени, и получить приближенные аналитические выражения для параметров неоднородностей на поверхности жидкости;
найти конвективную составляющую теплового потока в поверхностных слоях жидкости;
- провести измерения локальной мгновенной плотности теплового потока в условиях реализации теплопередачи в жидкость через паровой слой при капельном охлаждении нагретого металлического тела.
• Научная новизна
Разработана новая методика эксперимента и проведены эксперименты по визуализации волнового процесса на поверхности жидкости при контакте ее с нагретой твердой поверхностью через паровой слой в начальные моменты времени контакта, получены новые экспериментальные данные о характере и параметрах волн на поверхности жидкости.
Установлен впервые новый механизм развития возмущений на поверхности жидкости при обогреве её греющей поверхностью через слой пара.
Разработана новая математическая модель движения поверхностных слоев жидкости при обогреве их нагретой поверхностью через слой пара в течение коротких промежутков времени с момента начала обогрева.
Получены новые аналитические выражения для параметров поверхностных волн и конвективной составляющей теплового потока в поверхностных слоях жидкости.
Получены новые экспериментальные данные о процессе изменения температуры нагретой поверхности и о величине мгновенной локальной плотности теплового потока при капельном охлаждении в широком диапазоне начальных параметров.
Установлено, что величина мгновенного теплового потока, измеренная на поверхности нагретого твердого тела при капельном охлаждении близка к величине конвективной составляющей теплового потока в жидкости из капли, рассчитанной из аналитической модели.
Практическая значимость
Учёт механизма конвективной теплопередачи необходим при разработке теорий процессов теплопередачи, проектировании и расчёте различных теплотехнических устройств в различных областях техники. В случае если греющая поверхность - высокотемпературный расплав, влияние волнообразования на процесс фрагментации расплава с помощью разработанной модели можно учесть непосредственно.
Полученные экспериментальные данные о локальных мгновенных величинах теплового потока при взаимодействии мелких быстрых капель с нагретой поверхностью могут быть непосредственно использованы, например, при расчётах параметров теплообмена нагретой стенки с ядром паро-капельного потока.
Установленный механизм возбуждения поверхностных волн необходимо учитывать в разработке более точных моделей взаимодействия жидкости и нагретой поверхности через слой пара.
Основные положения, выносимые на защиту
Механизм возбуждения волн на поверхности жидкости при нагреве её через паровую прослойку греющей стенкой.
Аналитическая модель процесса возбуждения волн в поверхностных слоях жидкости при обогреве ее нагретым телом через паровую прослойку в начальные моменты времени после начала обогрева, соотношения для параметров поверхностных волн и величины конвективной теплопередачи.
Методика экспериментов и результаты экспериментального исследования параметров волн при контакте греющей стенки с жидкостью.
Результаты измерений параметров взаимодействия отдельных капель с нагретой металлической поверхностью через паровую прослойку: величина падения температуры, длительность фронта падения температуры, длительность теплового контакта, а также результаты измерений локальной мгновенной плотности теплового потока на нагретой поверхности.
Достоверность полученных результатов
Достоверность экспериментальных результатов исследований обеспечивается использованием прямых методов их получения. Достоверность теоретических результатов обеспечивается использованием в аналитической модели известных уравнений движения жидкости, теплопереноса в слое пара, сохранения энергии и признанных методов учёта главных действующих факторов, а также сравнением параметров волн и теплопередачи, полученных расчётным путём из аналитической модели развития поверхностных волн, с параметрами, полученными экспериментально.
Апробация работы
Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на научно-методических семинарах и заседаниях кафедры промышленной теплоэнергетики Кубанского государственного технологического университета;
- на IV Минском международном форуме по тепломассообмену (г.Минск, 2000г.);
- на межрегиональной конференции «Молодые ученые России — теплоэнергетике» (г.Новочеркаск, 2001г.);
- на шестой Международной конференции «Экология и здоровье человека. Экологическое образование. Математические модели и информационные технологии»(г.Краснодар,2001г.);
- на III Российской национальной конференции по теплообмену (г. Москва, 2002г.);
- на XIV школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (г. Рыбинск, 2003 г.).
Динамическое взаимодействие капель жидкости с поверхностью нагретого тела
Изменение формы капли, длительности контакта и измерение величины парового слоя при ударе о нагретую стенку исследовались в [16] с помощью скоростной киносъёмки. Капли воды диаметром около 2 мм, м скоростью в диапазоне 0,63ч-3,3 — и температурой 20С падали на с полированную поверхность золотого диска толщиной 5мм и диаметром 15 мм. Из полученных последовательных кадров находилась зависимость радиуса жидкого диска, в который превращалась капля, от времени. Толщина паровой прослойки в момент наибольшего радиуса жидкого диска составляла 0,03-=-0,05 мм в зависимости от начальной скорости капли. Капля сохранялась в виде жидкого диска для числа Вебера We 80.
В [17] была экспериментально определена температурная граница между смоченным и не смоченным контактом летящих капель с нагретой поверхностью. Нагреваемое тело представляло собой трёхгранную призму из кварцевого стекла тщательно отполированную. Призма нагревалась со стороны основания. Температура рабочей поверхности призмы контролировалась запыленной на её поверхность термопарой платино платинородий. Капли жидкости использовались как падающие из бюретки с различной высоты над рабочей поверхностью призмы, так и мелкие быстрые получаемые с помощью вращающегося капилляра. Рабочая грань трёхгранной призмы освещалась со стороны одной из граней. Свет испытывал полное внутреннее отражение на рабочей поверхности призмы, выходил через боковую грань и падал на фотоэлемент. В случае касания рабочей поверхности каплей часть светового потока проходила в каплю и там поглощалась, что отмечалось фотоэлементом. Свет мог поглощаться жидкостью из капли и в том случае, если толщина прослойки пара между поверхностью и жидкостью была меньше длины световой волны [18], т.е. не более »0,5 10" м. На основе одномерной схемы теплопередачи была определена связь между температурой поверхности и скоростью капель, при которой толщина пара составляла 0,5-1 (Г м, причём наилучшее совпадение расчёта и эксперимента было в случае, если давление, развиваемое каплей в момент соударения соответствовало давлению насыщенного пара при температуре определённой из этой схемы.
В работе [19] экспериментально определялся коэффициент теплоотдачи при контакте падающей капли воды на нагретую металлическую ленту. Толщина ленты 0,5 мм, диаметр капель 3,2 мм, температура капель -20С, температура нагретой ленты 300 700 С. Термопара устанавливалась с обратной стороны ленты. Процесс понижения температуры нагревателя записывался быстродействующим самописцем. Температура поверхности, контактирующей с каплей, определялась решением сопряженной задачи теплопроводности в твёрдом теле, а плотность теплового потока к капле решением обратной задачи - по найденной скорости изменения температуры поверхности. Найдено, что коэффициент теплоотдачи равен 104-s-105 —=— и уменьшается с увеличением температуры нагревателя. Из решения трехслойной задачи найдена толщина парового слоя -0,01 -ь 0,015 мм в зависимости от скорости капли и температуры нагревателя. Найдено также, что в процессе взаимодействия капли и нагревателя сохраняется электропроводность через паровой слой, что интерпретировалось как существование многочисленных перемычек между жидкостью и нагревателем. В [20] в теле массивного образца устанавливались несколько термопар на различной глубине от зоны взаимодействия капли и решались задачи аналогично [19]. Производилась синхронная киносъёмка с целью определения формы капли и толщины паровой прослойки. Толщина прослойки пара в этих опытах составляла 0,008+0,015 мм в зависимости от скорости капли и температуры нагревателя. В [21] производилось измерение локальной плотности теплового потока при взаимодействии единичных капель с нагретой до 400-5-700 С металлической поверхностью. На глубине 0,5 мм под измеряемой поверхностью устанавливалась термопара, сигнал от которой записывался, и затем решалась задача об определении плотности теплового потока с граничными условиями первого рода. Получено в частности, что увеличение скорости капель увеличивает плотность отводимого от поверхности теплового потока в диапазоне 2-Ю6 -е-107 ——г с-м при увеличении скорости капель диаметром 2 мм в диапазоне 0,5 -s-З—.
Аналогичные результаты были получены при охлаждении нагретой поверхности компактной струёй недогретой (20 С) воды. В [22-24] представлены методика и результаты экспериментальных исследований локальных процессов, протекающих при смене режима кипения на остывающей полусферической поверхности. Опыты проводились при атмосферном давлении и начальных температурах нагретого образца и охлаждающей воды 600-г-1000 К и 288 340 К соответственно. В экспериментах использовались полусферы, изготовленные из нержавеющей стали, чистой меди, и меди, покрытой либо серебряным припоем, либо окисью алюминия. Диаметр сферы составлял 10мм, толщина покрытий 0,1мм. После нагрева полусфера медленно (1 + 5 млу у погружалась в воду на глубину радиуса полусферы. Плёночный режим кипения наблюдался в диапазоне температур полусферы 400+850 С, причём более высокий нагрев требовался на чистых медных поверхностях. При погружении полусферы в воду около нагретой поверхности возникал полусферический паровой слой, толщина которого составляла примерно 0,2 мм при температуре полусферы и жидкости 500С и 20С соответственно. С течением времени на поверхности пар - жидкость появляются волны с частотой 2 ч-20 Гц, амплитуда которых в нижней части паровой плёнки составляла « 0,1мм. В зависимости от состояния поверхности процесс шёл различными путями. На полусфере, покрытой слоем малотеплопроводного покрытия, толстая плёнка пара существовала вплоть до зарождения пузырькового кипения на стыке поверхности пленки со свободной поверхностью жидкости. На поверхности полусферы, имеющей тонкую оксидную плёнку, возникшие ранее низкочастотные волны усиливались, затем в некоторый момент времени жидкость вблизи межфазной поверхности становилась мутной, что интерпретировалось, как появление на поверхности мелких капиллярных волн (ряби). В течении 0,1с эти волны охватывали всю поверхность полусферы и наступал режим устойчивой мелковолнистой паровой плёнки, существовавший некоторое время (до 1 с), после чего пар в плёнке взрывообразно расширялся и происходил переход к пузырьковому кипению.
Высота гребня волн 35
Фазовая скорость волн определялась путём измерения расстояний между гребнями волн на изображениях, полученных при одинаковых параметрах, но в различные моменты времени, различных реализаций процесса по формуле V = , где ДЛ. - изменение средней величины неоднородности At на последовательных реализациях контакта; At- разность задержек во времени соответствующих этим реализациям. На Рис.(3.12-ЗД5(б)) представлены результаты измерений средней фазовой скорости волн в зависимости от времени. Видна схожесть этих зависимостей для различных параметров контакта в качественном и количественном отношении. Фазовая скорость волн резко уменьшается от 3 — до 0,53 — в диапазоне 0,05-г 0,5 мс, затем практически не изменяется в м диапазоне 0,5 -г 1,6 мс и остаётся равной 0,3 -f 0,5 — .
При некоторых реализациях процесса контакта волны на поверхности жидкости не наблюдались при т 0,3 1,6 мс и происходило обычное плёночное кипение жидкости в тех режимах, в которых обычно наблюдались волны. Таким образом, в результате проведённых экспериментов по визуализации поверхности жидкости, контактирующей через паровую прослойку с металлической поверхностью нагретой много выше температуры насыщения жидкости, установлена возможность существования волн на поверхности жидкости, измерены длина волны и её фазовая скорость и дана оценка высоты гребня волн. Установлено также, что в условиях эксперимента волны могут существовать на поверхности в течение коротких промежутков времени с момента начала контакта.
При f 0.3-5-1.6 мс волны на поверхности исчезают, и контакт переходит в режим плёночного кипения, длительность процесса перехода в этот режим несколько уменьшается с увеличением температуры образца и его скорости. .Механизм развития волн на поверхности жидкости.
Подобные неоднородности на поверхности жидкости могут возникать вследствие неустойчивости Релея-Тейлора в случае, когда поверхность жидкости движется с ускорением, направленным внутрь жидкости под воздействием давления в слое пара. В нашем случае ускорение поверхности W1 жидкости в лобовой точке образца можно оценить по формуле « [82].
Постоянную времени развития неоднородностей по механизму неустойчивости Релея-Тейлора можно оценить по формуле д з" [87]. Подставляя в численные величины параметров соответствующие нашим опытам W \M/c tf 4-10 3jw, 0,05% Р JO3- -, получим, что высота неоднородностей возникающих вследствие этой неустойчивости увеличивалась бы в е раз за время 1.3-10" с, а полное время возникновения различимой неоднородности составило 10"2 с. Однако неоднородности на поверхности жидкости на Рис.2.2 были заметны уже через время 5-ю-5 с, поэтому наблюдаемые на поверхности жидкости Рис.2.2 - 2.5 возмущения не могут появится вследствие механизма неустойчивости Релея-Тейлора за это время.
В соответствии с экспериментально полученными данными о характере движения волн можно представить схему возникновения и развития волн на поверхности жидкости в слое пара между нагретой поверхностью и жидкостью.
Известно, что в присутствии возмущений на поверхности жидкости всегда начинают распространяться капиллярно-гравитационные волны [81]. Если возмущение локальное - то волны кольцевые одномерные, подобные изображённым на Рис.2.2.-2.5.
В нашем случае эти волны распространяются по поверхности жидкости в слое пара. На свободной поверхности амплитуда возмущений должна затухать из-за диссипации энергии в волне вследствие вязкости, а также из-за увеличения расстояния от возмущения. Однако в соответствии с опытами величина гребня волны растёт с течением времени, следуя росту толщины слоя пара. Известно, что энергия волн пропорциональна квадрату их амплитуды [82], поэтому в процессе движения волны должна происходить передача энергии волне. Механизм передачи в условиях наших опытов можно представить следующим образом. В начале контакта поток теплоты от нагретой поверхности равномерно нагревает плоскую поверхность жидкости. При достижении поверхностью жидкости температуры насыщения, при давлении, развиваемом в момент контакта, толщина паровой прослойки начинает равномерно увеличиваться. В процессе роста толщины паровой прослойки поверхность жидкости не остается плоской т.к. всегда присутствуют локальные возмущения поверхности. На Рис.2.8. представлен случай возмущения в виде уединённой выпуклости на поверхности.
С течением времени эта выпуклость преобразуется в систему кольцевых волн распространяющихся от места возмущения и с затуханием амплитуд волн в зависимости расстояния от места возмущения. Однако, в присутствии нагретой поверхности, давление пара жидкости на заднем фронте волны будет больше чем на переднем, работа разности этих давлений при движении волны обеспечивает рост амплитуды волны и передачу ей энергии, так как при прохождении волны частицы жидкости в среднем остаются практически на тех же местах, что и до прохождения волны, испытывая вертикальные и горизонтальные отклонения. Возникновение разности давлений пара на переднем и заднем фронте волны можно представить следующим образом. В фазе, когда частицы жидкости находятся на гребне волны, они расположены ближе к нагретой поверхности и толщина слоя пара здесь меньше, следовательно, поверхность жидкости нагревается до более высокой температуры и давление пара здесь повышается. При прохождении гребня волны повышенная температура и повышенное давление некоторое время сохраняются и на заднем фронте волны, т.к. частицы жидкости практически не сдвигаются с прежнего места, разница давлений пара на переднем и на заднем фронте обеспечивает рост гребня волны. Исходя из изложенных представлений и ряда упрощающих предположений о механизме роста этих кольцевых волн, можно оценить вертикальную скорость роста гребня волны и фазовую скорость волн.
Линейный случай решения волнового уравнения
Видно, что величина АР зависит от двух составляющих, из которых первый член выражает разность давлений в случае только стационарного волнового движения; второй член учитывает регулярное увеличение толщины слоя h. Первая составляющая увеличивает энергию волны, т.е. увеличивает ее амплитуду, вторая составляющая уменьшает энергию волны. Соотношение между этими составляющими определяет необходимую разность температур для того, чтобы осуществлялся механизм образования волн. Величина АР меняет знак при смене знака разности в формуле (3.41). Соответственно этому можно определить наименьшую разность температур, при которой возможно развитие волн:
Численные оценки для реальных условий показывают, что величина Tw - Т{ должна быть больше, чем 5 10 3 4- 5 Определение разности температур по обе стороны гребня Расчет по (3.43) величины АГдля условий наших опытов показывает, что ДГ = (4 -г 17)АГ .Таким образом виден значительный прогрев жидкости на гребне волны и спад температуры во впадине, что соответствует рассматриваемому механизму волнообразования.
Можно оценить приближенное влияние нелинейности на развитие возмущения на поверхности жидкости. Из рассмотрения случая малых а и а видно, что коэффициент аъ в (3.23) учитывает накопление энергии волной таким образом, что аъ = 0 соответствует равенству притока энергии в волну, рассеиванию ее за счет сил вязкого трения в жидкости. Из общего решения (3.27) видно также, что коэффициент а4 в (3.23) учитывает общее увеличение толщины парового слоя за счет испарения поверхностного слоя жидкости. Соответственно этому здесь положим, что и в случае, когда членом аа пренебречь нельзя, сохраняется такое же влияние коэффициентов аъ и
А на процесс движения жидкости. Таким образом, рассматривается процесс движения, в котором аа - не мало, приток энергии в волну равен ее рассеянию - а2 =0, и не будем учитывать изменение толщины парового слоя в процессе движения волны - дг4=0. Соответственно этому из (3,23):
Видно, что толщина слоя пара является периодической функцией от {kx-cot). Также как и в линейном случае, происходит распространение волн на поверхности жидкости в слое пара. Однако, если в линейном случае амплитуда волн конечной величины, в нелинейном случае амплитуда волн при и = —r=(l + 2п),пє Z стремится к бесконечности, но в реальности она не может превзойти толщину слоя пара. В случае же, если в качестве нагреваемой поверхности - расплав жидкого металла, эти гребни волн образуют струи, которые могут с большой скоростью проникнуть в глубь металла.
Скорость частиц жидкости в гребне волны, направленной по нормали к греющей поверхности, можно оценить, используя (3.45). Так как частицы здесь могут достигать нагретой поверхности, то а « -1, скорость жидкости: = Vy h, D -a2. (3.47)
Воспользовавшись ранее найденными соотношениями для величин eo,alta2 (3.23), (3.34) из (3.17) найдем, например, что при 7 =500С, - 10-4 м нормальная скорость гребня волны составит
Одна из моделей фрагментация жидкого расплава [36], как раз и основана на том, что струйки жидкости проникают в расплав, однако это объяснялось авторами кавитационным воздействием схлопывающихся паровых пузырьков возникающих на поверхности расплава. В случае расплава металла, однако, нагретое тело - тоже жидкость. Поэтому по ее поверхности тоже могут распространяться волны, возбуждаемые рассматриваемым механизмом. В [85] наблюдались такие струйки жидкости, истекающие из нагретого расплава, что объяснялось авторами ударным воздействием при быстром неравномерном росте толщины слоя пара. В [87] проводилась съемка процесса взаимодействия капли расплава с водой в рентгеновских лучах. Видно было, что первоначально гладкая поверхность капли становилась неровной, размывалась. Появлялись выступы, которые росли. Первоначальный размер капли увеличивался более чем в три раза.
Процесс парового взрыва сопровождался образованием шарового слоя мелких металлических частиц. Авторы не дают ясного объяснения причин такого развития процесса.
Экспериментальная установка для определения изменения Ф температуры поверхности нагретого тела
Из обзора экспериментальных работ [62-64] и др., посвященных исследованию процессов теплопередачи при взаимодействии капель жидкости, осаждающихся на перегретую стенку, видно, что в основном исследовалось взаимодействие при падении крупных медленных капель. Капли такого размера в реальных дисперсных потоках парогенерирующих каналов и других теплообменных установок встречаются практически очень редко. Реальные капли в таких случаях имеют размер на 1-2 порядка меньший, в то время как скорости таких капель на 1-2 порядка больше, чем в описанных в литературе опытах. Исследовался нормальный или близкий к нормальному удар капли о поверхность, в то время как в реальных потоках капли осаждаются под некоторым углом к поверхности стенки. Поэтому гидродинамика и процесс теплоотдачи при взаимодействии реальных и исследованных капель должны отличаться. Кроме того, при использовании в опытах медленных капель может не достигаться достаточно малая толщина слоя пара для развития процесса волнообразования в жидкости из капли.
Качество экспериментальных результатов зависит от методики измерения нестационарных температур и, прежде всего, от локальности и инерционности используемых термопар ввиду большой скорости протекающих процессов. К сожалению, в отмеченных в обзоре работах практически отсутствует информация об этих параметрах и о характеристиках вторичных приборов.
В настоящей работе приводится методика экспериментальных исследований процесса падения капель жидкости диаметром 0,3 и 3,2 мм на горячую поверхность при различных параметрах, определяющих их тепловое и механическое взаимодействие. Основной измеряемой характеристикой была кривая изменения температуры поверхности в месте падения капель за время контакта, длительность фронта падения температуры и длительность теплового контакта. В последствии по этим характеристикам определялась плотность теплового потока.
Цель экспериментов заключалась в определении температуры поверхности нагретого металлического образца в течение времени контакта с ним падающей на него капли жидкости.
Известно много экспериментальных работ [5-8 и др.] по определению влияния орошения поверхностей образца каплями и струями жидкости на поверхностную температуру с помощью различно выполненных термопар. Однако, особенность наших опытов - массивный образец, мелкие капли, и как следствие, необходимость применения термопары малых размеров и малой инерционности, требования отсутствия на рабочей поверхности образца каких либо электрических выводов и участков с различными теплофизическими параметрами, требования стабильности теплофизических свойств поверхности и краевого угла смачивания.
В предыдущей главе рассчитана мгновенная плотность теплового потока при развитии волн на межфазной поверхности. Сравнение рассчитанных нами и экспериментально определённых величин для стационарных случаев плёночного кипения, для которых проводились многочисленные измерения коэффициентов теплоотдачи разных авторов, некорректно, т.к. волновой режим возникает в достаточно тонких слоях пара, которые, если и могут быть достигнуты при стационарном плёночном кипении, то только в динамическом режиме на короткое время и в малых областях, что мало влияет на средний коэффициент теплоотдачи, который измеряется в указанных работах и интересен практически. В других работах измерялась нестационарная теплопередача при падении капель воды на нагретую поверхность [20], однако, использованные там методы измерения температуры были достаточно инерционными по сравнению с временами процесса теплообмена возникающего при волнообразовании в слое пара. Известные опыты по падению капель крупных размеров, порядка Змм показали, что плотность теплового потока близка к предкризисному. Опыты по охлаждению нагретых поверхностей потоком мелких капель, распылённых с помощью форсунки, и измерение плотности теплового потока, отводимого этими каплями показали значительное увеличение плотности теплового потока по сравнению с крупными каплями [63]. Поэтому целесообразно измерить мгновенную локальную плотность теплового потока отводимую малой ( 0,3 мм) одиночной каплей от нагретой поверхности. Поэтому была создана экспериментальная установка, позволяющая определить мгновенную локальную плотность теплового потока. Пространственное разрешение 10"4 м, временное 10"в с.
В наших опытах капли падали на нагретый массивный металлический образец с вделанной в него конструктивно термопарой, которая являлась модификацией конструкции [56], с непосредственным напылением материала термопары на поверхность образца. При падении капель жидкости, имеющих диаметр -0,3 мм на нагретую поверхность, размер наибольшего смоченного пятна был близок к 1мм [17]. Размер области осреднения поверхности температуры должен быть как можно меньшим, и по крайней мере на порядок меньше размера области теплового контакта. Таким образом размер датчика составлял 0,1мм. Дальнейшее уменьшение размера датчика ограничивалось резким увеличением технологических трудностей его изготовления. Быстродействие датчика определялось необходимостью определять качественные особенности и проводить количественные измерения с достаточной точностью величины падения температуры поверхности, особенно переднего фронта импульса длительностью около 10"4 с. Таким образом, инерционность датчика должна быть не более 10"6 с.
