Введение к работе
Актуальность проблемы. Современная техника (атомная энергетика, лазеры большой мощности, авиа- и ракетостроение и др.) нуждается в высокоэффективных методах отвода тепла (Б.С. Петухов, М.А. Стырико-вич). С этой точки зрения особый интерес представляет пузырьковое кипение недогретой жидкости, позволяющее получить огромные плотности теплового потока при небольших температурных напорах (М.А. Михеев, В.И. Толубинский). Несмотря на довольно значительное количество работ в этой области (Е.И. Несис, В.Ф. Присняков и др.), процесс локального кипения до сих пор не получил строго аналитического описания.
Обнаруженная рядом исследователей связь между тепловыми параметрами и характеристиками шума при кипении может являться основой пассивной акустической диагностики теплообмена в кипящей жидкости (В.И. Мельников). Надежный акустический метод позволяет постоянно контролировать ход процесса, не допуская возникновения и развития кризиса теплоотдачи при кипении, и предотвратить аварийную ситуацию. Кроме того, изучение звуковых явлений при кипении недогретой жидкости представляет значительный интерес в теоретическом плане. Это объясняется прежде всего тем, что физика процесса не изучена в достаточной степени.
До сих пор не существует общепризнанной точки зрения на механизм генерации звука пузырьками пара при кипении. Работами Б. М. Дорофеева положено начало исследования термодинамического звукообразования, которое требует дальнейшего рассмотрения. В связи с этим достаточный интерес приобретают вопросы о динамике роста и схлопывания пузырька пара при кипении недогретой жидкости, которая определяет генерируемое пузырьком переменное давление. Также не менее важной является и проблема исследования влияния различных условий (недогрева жидкости до температуры насыщения, скорости ее течения) на звуковые импульсы, возбуждаемые пузырьками пара, и их спектральные характеристики. Решению этих актуальных в теоретическом и практическом отношениях задач посвящена данная работа.
Цель работы. Целью диссертации является: 1) изучение динамики роста и схлопывания пузырька пара при кипении недогретой жидкости, которая определяет генерируемое пузырьком переменное давление; 2) выяснение механизма звукообразования в периоды роста и схлопывания пузырька пара с представлением физической модели процесса; 3) исследование влияния недогрева и скорости течения жидкости при поверхностном ки-
пении на временные и частотные характеристики возбуждаемых пузырьками звуковых импульсов.
Методы исследования. Использованы экспериментальный, теоретический и вычислительный методы.
Научная новизна. Научную новизну работы составляет следующее:
-
Впервые с использованием усредненных данных специально проведенных комбинированных опытов и нового расчетного метода обратной задачи показано, что при кипении недогретой жидкости в период роста пузырька работает только рэлеевский гидродинамический механизм звукообразования, а при схлопывании пузырька вместе с ним действует еще и термодинамический механизм.
-
Впервые теоретически показано и экспериментально подтверждено определяющее влияние процесса конденсации на образование ударной волны в период схлопывания пузырька пара при кипении недогретой жидкости.
-
Новыми прямыми экспериментами показано, что при варьировании условий кипения (плотности теплового потока, статического давления и др.) интегральный уровень шума может значительно повышаться в результате возникновения резонанса, когда частота одного из максимумов (обычно главного) в энергетическом спектре шума совпадает с одной из собственных частот системы, в которой происходит кипение.
-
Впервые с использованием данных комбинированных опытов определены законы статистических распределений как микрохарактеристик (максимального размера, времен роста и "жизни") пузырьков пара, так и параметров (перепада давления, амплитуды) возбуждаемых пузырьками звуковых импульсов.
Практическая значимость. Практическую ценность представляет следующее:
1. Показано, что прямое использование экспериментальных данных
изменения объема пузырька пара с целью расчета генерируемого им пере
менного давления приводит к ошибочным результатам, и что такой расчет
может быть успешно проведен с применением формулы, аппроксимирую
щей эти данные с малым средним квадратичным отклонением.
2. Разработана специальная методика расчета гидродинамически и
гидротермодинамически генерируемого пузырьком пара звукового импуль
са и его частотных спектров по экспериментальным данным изменения
объема пузырька со временем.
3. Получены две новые полуэмпирические и одна эмпирическая фор
мулы зависимости радиуса равного по объему сферического пузырька пара
от времени, которые с малым средним квадратичным отклонением аппроксимируют известные экспериментальные данные.
4. Рассчитано влияние недогрева жидкости до температуры насыщения и скорости ее течения на генерируемые пузырьками пара звуковые импульсы и спектральные характеристики этих импульсов.
Достоверность результатов.
Достоверность представленных в диссертации результатов обеспечивается: проведением опытов с использованием надежных, достаточно апробированных комбинированных и других экспериментальных методик; соответствующей существующим требованиям обработкой (включая статистическую) опытных данных; применением в теоретических исследованиях фундаментальных физических закономерностей; использованием при выполнении расчетов известных методов (наименьших квадратов, нелинейной регрессии и др.). Достоверность обобщающих выводов работы подтверждается соответствием ее теоретических, экспериментальных и расчетных результатов.
Автор выносит на защиту. Защищаются все полученные результаты, представленные выше в "Научной новизне" и "Практической значимости".
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: VI сессии РАО "Акустика на пороге XXI века" (г. Москва, 1997 г.), ежегодной научной конференции (СГУ, г. Ставрополь, 1996 г.), трех конференциях "Университетская наука - региону" (СГУ, г. Ставрополь, 1997, 1998 и 1999 г.г.), научном семинаре отдела теплообмена Института высоких температур РАН (г. Москва, 2000 г.), научно - методическом семинаре "Физик - теоретик" (СГУ, г. Ставрополь, 1997 г.).
Публикации. Материалы диссертации изложены в десяти печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения (в котором представлены основные результаты и выводы), списка литературы (174 наименования) и трех приложений. В ней приведены 13 таблиц и 36 рисунков. Общий объем диссертации 183 страницы.