Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы, состояние вопроса.
1.1. Переходные процессы при кипении жидкости в условиях свободной конвекции 8
1.2. Особенности развития кризисных явлений при кипении в стекающих пленках жидкости 22
ГЛАВА 2. Численное моделирование эволюции локальных очагов пленочного кипения .
2.1. Постановка задачи, численная модель 33
2.2. Влияние граничных условий во фронте на тепловую устойчивость и эволюцию температурного возмущения 43
2.3. Эволюция и тепловая устойчивость одномерных и двумерных очагов пленочного кипения 50
2.4. Влияние нестационарного характера теплообмена в окрестности границы смены режимов кипения на динамику развития и устойчивость очагов пленочного кипения 60
ГЛАВА 3. Особенности эволюции температурных возмущений на тепловыделяющих поверхностях при пленочном течении жидкостей .
3.1. Тепловая устойчивость сухих пятен и развитие кризиса в стекающих пленках жидкости 76
3.2. Краевые эффекты. Особенности эволюции очагов на ограниченных поверхностях 85
3.3. Динамика повторного смачивания перегретой поверхности стекающей пленкой жидкости 90
Заключение и выводы 97
Список основных обозначений 99
Литература 102
- Особенности развития кризисных явлений при кипении в стекающих пленках жидкости
- Эволюция и тепловая устойчивость одномерных и двумерных очагов пленочного кипения
- Влияние нестационарного характера теплообмена в окрестности границы смены режимов кипения на динамику развития и устойчивость очагов пленочного кипения
- Краевые эффекты. Особенности эволюции очагов на ограниченных поверхностях
Введение к работе
Актуальность работы. Исследования динамики развития переходных процессов при кипении, в том числе сопровождающихся наступлением кризисных явлений на теплоотдающей поверхности являются предметом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований. Пузырьковое кипение жидкости - один из наиболее эффективных способов отвода тепла от тепловыделяющей поверхности. В процессе кипения, вследствие возникновения по разным причинам температурных возмущении, на теплоотдающей поверхности появляются зоны с различными режимами кипения. В результате на поверхности развиваются переходные процессы, определяющие эволюцию зон с ухудшенным теплообменом (очагов пленочного кипения). Кризисы кипения жидкостей происходят за счет смены режимов кипения с существенно отличающимися интенсивностями теплообмена. Переход от одного режима к другому осуществляется за конечное время, которое определяется скоростью распространения очагов и линейным масштабом , характеризующим среднее расстояние между очагами, возникающими под влиянием различного рода флуктуации. Время перехода является существенным параметром для расчета технических устройств. Знание таких характеристик как устойчивость и скорость распространения очагов пленочного режима кипения на тепловыделяющей поверхности важно в криогенных жидкостях в связи с необходимостью охлаждения сверхпроводящих устройств. Возникновение очагов пленочного кипения и их распространение вдоль теплоотдающей поверхности резко ухудшает теплообмен, приводит к перегреву поверхности нагревателя, зачастую к его разрушению.
Аналогом очагов пленочного кипения в стекающих пленках жидкости являются сухие пятна, образующиеся в предкризисных режимах. Плёночные течения жидкостей (в том числе криогенных) широко используются в различных технологических процессах для интенсификации тепломассопереноса. Испарение в тонких плёнках жидкости обеспечивает при малых расходах и низких температурных напорах высокую
интенсивность теплообмена. Испарители с плёночным течением жидкостей находят широкое применение в дистилляционных установках, в крупномасштабных аппаратах по ожижению природного газа. Перспективным является использование тонких пленок жидкости в системах охлаждения микроэлектронного оборудования. Актуальной является проблема создания эффективных компактных пленочных систем охлаждения высокопроизводительных графических процессоров, быстродействие и срок жизни которых в существенной мере зависят от эффективности отвода рассеиваемой мощности. При достижении определенных тепловых потоков в стекающей по охлаждаемой поверхности пленке жидкости развиваются кризисные явления, приводящие к полному осушению теплоотдающей поверхности и ее неконтролируемому разогреву. В подобных ситуациях необходимо надежное предсказание величины критического теплового потока, которое требует выявления фундаментальных закономерностей возникновения и развития кризиса в стекающих пленках жидкости. Исследование теплообмена при кипении и испарении криогенных жидкостей, ряд свойств которых существенно отличается от свойств высокотемпературных жидкостей (чистота, хорошая смачиваемость, небольшой температурный напор предельного перегрева, близкие к нулю краевые углы смачивания), важно для углубления понимания изучаемых процессов, служит способом проверки существующих модельных описаний теплообмена и развития переходных и кризисных явлений. Необходимость построения модели распространения фронта смены режимов теплоотдачи обусловлена важностью выявления закономерностей распространения критического температурного возмущения в теплопередающей стенке при возникновении соответствующих кризисных условий.
Целью работы является: исследование методами численного моделирования тепловой устойчивости и эволюции температурных возмущений на тепловыделяющих поверхностях с различными
теплофизическими свойствами и геометрическими параметрами при кипении в условиях свободной конвекции и в стекающих волновых пленках жидкости.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что автором впервые:
Методами численного моделирования исследована тепловая устойчивость и эволюция температурных возмущений на нагревателях с различными теплофизическими свойствами и геометрическими параметрами. Показано сравнение соответствующих характеристик для одномерной и двумерной геометрии. Численный эксперимент проведен для условий кипения в большом объеме при свободной конвекции и в стекающих по вертикальной поверхности волновых пленках жидкости.
Показано существенное влияние граничных условий во фронте на параметры тепловой устойчивости температурного возмущения и динамические характеристики развития.
Реализована модель эволюции локального очага пленочного кипения с учетом нестационарного характера теплообмена в окрестности границы смены режимов кипения. В модели использована экспериментальная динамическая кривая кипения. Количественно показано влияние частоты, амплитуды и линейного размера зоны пульсаций на среднюю скорость распространения границы пленочного режима кипения.
Получены результаты для динамических характеристик развития локальных сухих пятен, величине равновесного теплового потока на ограниченных по длине тепловыделяющих поверхностях, охлаждаемых стекающей пленкой жидкости. Исследованы краевые эффекты, приводящие к тому, что поведение сухого пятна, локализованного у края нагревателя, отлично от поведения пятна на неограниченном по размерам нагревателе.
Численным экспериментом подтверждена гипотеза о том, что при определенных режимах течения пленки развитие кризиса определяется распространением температурного возмущения вверх по потоку при
/
достижении порога тепловой устойчивости сухих пятен. Показано, что в условиях развития данного типа кризиса теплоотдачи критический тепловой поток существенно ниже расчета по известным гидродинамическим моделям. Реализовано численное моделирование динамического процесса повторного смачивания перегретой поверхности нагревателя после импульсного тепловыделения. Впервые выявлено, что при повторном смачивании перегретой поверхности стекающей пленкой жидкости скорость движения различных зон двумерного фронта смачивания существенно различна. На основе моделирования показано, что полное время повторного смачивания определяется минимальным значением скорости перемещения границ испаряющейся пленки в зонах фронта между кипящими струями, что согласуется с экспериментальными данными.
Достоверность полученных результатов подтверждена прямым сравнением с существующими аналитическими решениями в предельных областях и с экспериментальными данными.
Практическая ценность работы определяется важностью полученных результатов для количественного определения границ оптимальных и аварийных режимов работы различных типов теплообменников с высокой теплонапряженностью, в частности, для оптимизации современных высокоэффективных теплообменников в криогенной технике, системах термостабилизации, для оптимизации эффективных и компактных систем охлаждения элементов электронного оборудования и вычислительной техники. Полученные результаты позволяют более целенаправленно и углубленно планировать эксперименты.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались на 10 Международных и 3-х Российских конференциях: Fourt. Intern.
Cryogenic Engin. Conf., Kiev, 1992, Intern. Conf. on Compact Heat Exchangers for the Process Industries. Snowbird, USA, 1997; Intern. Symposium on the Physics of Heat Transfer in Boiling and Condensation, Moscow, Russia, 1997; II Intern. Conf. "Heat Transfer and Transport Phenomena in Multiphase Systems", Kielce, Poland, 1999; 3-d European Thermal Science Conf., "EUROTHERM-2000", Heidelberg, Germany; ICHMT - 3, Intern. Symposium on 'Transient Convective Heat and Mass Transfer in Single and Two-Phase Flows", Cesme, Turkey. 2003; Intern. Workshop "Transport in Fluid Multiphase Systems ", 2004. Aachen, Germany, 2004; IV и V Минский Международный форум по тепломассообмену , 2000 и 2004 гг.; 3-d Intern. Symposium on Two-Phase Flow. Pisa, Italy, 2004; XXVIII Сибирский теплофизический семинар (CTC XXVIII) 2005 г.; Российская Национальная Конференция по Теплообмену (РНКТ-3 и РНКТ-4) 2002 и 2006 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 печатных работ.
Личное участие автора. Данная работа выполнена в лаборатории низкотемпературной теплофизики (зав. лаб. д.ф. - м.н. А. Н. Павленко) Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. Постановка задач исследований осуществлена диссертантом совместно с научным руководителем А. Н. Павленко. Разработка пакета программ для исследования поставленных задач выполнена автором самостоятельно. Проведение численных экспериментов, обработка результатов были проведены автором самостоятельно. Обобщение, анализ полученных результатов, написание статей и докладов проведено совместно с научным руководителем. Автор выражает признательность соавторам за полезные дискуссии, ценные замечания при анализе совместных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, выводов, списка обозначений и библиографического списка. Работа изложена на 110 страницах, иллюстрирована 57 рисунками и содержит список литературы из 69 наименований.
Особенности развития кризисных явлений при кипении в стекающих пленках жидкости
В современных технологических процессах и теплообменных аппаратах широко используются пленочные течения жидкости: в системах жидкостного охлаждения электронных микрочипов, пленочных испарителях, ожижителях природного газа. В последние годы особенно актуальной стала проблема создания эффективных компактных пленочных систем охлаждения высокопроизводительных графических процессоров, быстродействие и срок жизни которых в существенной мере зависят от эффективности отвода рассеиваемой мощности. Также как и в условиях большого объема, в стекающей по тепловыделяющей поверхности пленке жидкости при достижении определенных тепловых потоков развиваются кризисные явления [Гимбутис, 1988; Katto, 1994]. В результате на поверхности возникают крупномасштабные «сухие» пятна (являющиеся аналогами очагов пленочного кипения), либо при достижении критических тепловых потоков может происходить полное отделение жидкости и осушение теплоотдающей поверхности. Таким образом, с увеличением температурного напора в стекающих пленках жидкости наступают кризисные явления, ухудшающие теплоотдачу, что может приводить к существенному перегреву поверхности или даже ее разрушению. Осушение теплоотдающей поверхности теплообменного аппарата приводит к аварийному разогреву и выходу устройства из строя. Необходимо надежное предсказание величины критического теплового потока, что требует выявления фундаментальных закономерностей возникновения и развития кризиса в стекающих пленках жидкости. Такой детальный анализ затруднен из-за ограниченного количества экспериментальных данных в условиях пленочного течения жидкости по обогреваемой поверхности в различных гидродинамических режимах течения. Широкое использование криогенных жидкостей в современных высокоэффективных системах и аппаратах создает необходимость получения надежной информации по развитию переходных и кризисных явлений при кипении и испарении на различных тепловыделяющих поверхностях в низкотемпературных жидкостях.
В то же время исследование теплообмена при кипении и испарении криогенных жидкостей, ряд свойств которых существенно отличается от свойств высокотемпературных жидкостей, важно для углубления понимания изучаемых процессов, служит способом проверки существующих модельных описаний теплообмена и развития переходных и кризисных явлений. Интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении в достаточно толстых пленках жидкости близка к условиям большого объема. При уменьшении толщины кипящего слоя, по сравнению с большим объемом, теплоотдача возрастает. Большая интенсивность теплоотдачи при кипении в тонких пленках может быть объяснена меньшим термическим сопротивлением пленки по сравнению с термическим сопротивлением теплового пограничного слоя, определяющего коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции в большом объеме. Детальному исследованию теплоотдачи при кипении в тонких горизонтальных слоях криогенных жидкостей посвящена работа [Григорьев, Дудкевич, 1970]. Авторами было экспериментально исследовано кипение кислорода, азота, водорода и гелия в тонкой пленке. Жидкость подавалась через трубку диаметром 0.3-0.5 мм на теплоотдающую поверхность. В зависимости от величины тепловой нагрузки расход жидкости регулировался изменением перепада давления на концах подающей трубки таким образом, чтобы высота кипящего слоя оставалась постоянной. Теплоотдающей поверхностью служил торец стержня диаметром 5 и 10 мм. Авторами было отмечено, что: . интенсивность теплоотдачи при кипении в тонкой пленке превышает интенсивность теплоотдачи при кипении в большом объеме практически во всем исследованном диапазоне плотностей теплового потока; максимальные плотности тепловых потоков, снимаемые с поверхности нагрева при кипении в тонкой пленке, в несколько раз превышают критические плотности тепловых потоков при кипении в условиях большого объема. Авторами работы [Григорьев и Дудкевич, 1970] получено соотношение для расчета теплоотдачи при кипении азота, кислорода, аргона и других криогенных жидкостей в пленке: где 0д — краевой угол смачивания, а — угол между образующей конической поверхности микрослоя под пузырем и поверхностью нагрева. Полученное соотношение с погрешностью, не превышающей 17%, описывает экспериментальные данные по кипению азота и кислорода в пленке. Для гравитационно стекающей пленки жидкости характерны три вида кризисных явлений при теплообмене. Во-первых, это - разрыв нагреваемой пленки под действием термокапиллярных сил, или так называемого эффекта Марангони. Такие режимы развития кризиса характерны для течения пленок жидкости, существенно недогретых до температуры насыщения. Во-вторых, локальное утончение и разрыв пленки жидкости в режиме испарения. В-третьих, оттеснение жидкости от орошаемой поверхности нагрева паровой прослойкой при наступлении кризиса кипения в пленке. Систематическому исследованию кризиса теплоотдачи при кипении в стекающих пленках жидкости посвящены работы [Baines et ah, 1984], [Katto and Ishii, 1978] , [Mudawar et al, 1987], [Дорохов, 1992], [Ueda et al., 1981], [Pavlenko and Lei, 1997, 2002] и других авторов. Подавляющее большинство работ выполнено в условиях, когда кризис теплоотдачи реализуется отторжением жидкости от обогреваемой поверхности при достижении критических условий.
Как следует из [Kandlikar, 1999], исследования кризисных явлений при ішпении насыщенной жидкости в режимах как волнообразования, так и развитого волнового течения на ограниченных по длине тепловыделяющих поверхностях немногочисленны. С криогенными жидкостями такие исследования, за исключением [Pavlenko and Lei, 1997] не проводились. Осушение обогреваемой поверхности, происходящее за счет распространения критического температурного возмущения вверх по потоку вследствие действия механизма продольной теплопроводности, ранее детально не исследовалось. В настоящее время в литературе представлен ряд расчетных зависимостей (в частности, Mudawar et al, 1987; Katto and Ishii, 1978), полученных на основе гидродинамических моделей и связывающих критическую плотность теплового потока и режимные параметры течения пленки жидкости. В модели, предложенной Mudawar et al., тепловой поток q, который вызывает формирование подслоя после полного разделения течения, полагается равным критическому тепловому потоку дкр, необходимому для полного испарения подслоя. Перед возникновением неустойчивости Гельмгольца паровые струи покидают поверхность со скоростью и" в направлении, противоположном подтоку жидкости к поверхности со скоростью и". Закон сохранения массы между двумя фазами дает:
Эволюция и тепловая устойчивость одномерных и двумерных очагов пленочного кипения
Ниже представлены результаты численного моделирования эволюции и тепловой устойчивости для одномерных и двумерных локальных очагов пленочного кипения. Расчет проведен в рамках двухзонной модели кривой кипения с Тгр=Тпр (є«1). На рис. 2.3.1 приведены зависимости текущего размера очага пленочного кипения от времени при различных значениях плотности теплового потока. Видно, что характер представленных зависимостей принципиально отличен для различных значений плотности теплового потока. Так, при q gpae на первой стадии размер очагов уменьшается до минимального значения, которое зависит от величины q. Затем размер очагов увеличивается. При больших значениях г в установившемся режиме зависимость от времени Т(т), К(Т) как для одномерного, так и для двумерного очагов пленочного кипения становится линейной (U=const). При q=qpae размер очагов уменьшается до определенных значений и далее остается постоянным. В случае q qpae происходит полное схлопывание очагов.
Из рисунка также видно, что зависимости К(Т) при различных начальных размерах Ro существенно отличаются друг от друга. В частности, при #=10-10 Вт/м размер круглых очагов с малым Ro (кривая 3 на рис. 2.3.1 б) уменьшается во времени. При этом же значении q размер очагов с большим значением R0 на первой стадии уменьшается, а затем увеличивается (кривые 3 на рис. 2.3.1 в, г). Различное поведение K(f) во времени обусловлено изменением влияния переноса тепла из зоны пленочного кипения продольной теплопроводностью в нагревателе на эволюцию температурного профиля при увеличении R0. В области схлопывания (q qpae) расчетные кривые для одномерного и круглого очагов начинают существенно различаться на последней стадии. Более наглядно это видно на рис. 2.3.2 а, б, где использована более мелкая шкала во времени. В случае распространяющихся зон на начальной стадии развития одномерные очаги распространяются быстрее, чем двумерные. На стадии 8-10 при достижении размеров Т12, $ 8-ь10 одномерные и двумерные очаги пленочного кипения распространяются практически с одинаковой скоростью (рис. 2.3.2 г). Результаты расчетов на этой стадии развития зон удовлетворительно согласуются с аналитическим решением [Zhukov et al, 1980], полученным для скорости перемещения границы между полубесконечными зонами кипения. На рис. 2.3.3 приведено сравнение расчетных данных времени жизни одномерных и двумерных очагов при различных начальных размерах в области q qpae- В одномерном случае зависимость времени схлопывания тсоц от начального размера 1/2 практически линейна. Круглые очаги пленочного кипения сокращаются до их полного исчезновения за значительно меньшее время. При этом зависимость 2 со//(л0) при о-1 носит существенно нелинейный характер. Значительные различия времен исчезновения круглых и одномерных очагов пленочного кипения связаны со следующим обстоятельством. При развитии одномерного очага пленочного кипения поперечное сечение нагревателя на подвижной границе смены режимов остается постоянным.
Для двумерных очагов круговое поперечное сечение нагревателя по периметру очага пленочного кипения существенно зависит от его размера. В результате тепловой поток, передаваемый в область пузырькового кипения, будет определяться не только крутизной температурных профилей, но и текущей величиной размера развивающегося очага. Поэтому такие характеристики, как скорость распространения границы круглых очагов пленочного кипения, времена их схлопывания, равновесная плотность теплового потока, будут значительно отличаться от характеристик для одномерных очагов. На рис. 2.3.4, 2.3.5 приведены результаты численного моделирования, иллюстрирующие эволюцию температурных профилей во времени. Видно, что при плотности теплового потока меньше qpae (схлопывание зоны) происходит кратковременное увеличение температуры в сокращающемся по длине очаге пленочного кипения (рис. 2.3.4 а). В области q qPae температура теплоотдающей поверхности монотонно возрастает до равновесного значения, определяемого режимом стационарного пленочного кипения (рис. 2.3.4 б).
Влияние нестационарного характера теплообмена в окрестности границы смены режимов кипения на динамику развития и устойчивость очагов пленочного кипения
В данном разделе представлены результаты численного моделирования процесса распространения фронта смены режимов кипения с учетом нестационарного характера теплообмена в окрестности границы смены режимов кипения в зоне пузырькового или переходного режимов кипения. В рамках численной модели исследована степень влияния нестационарных пульсаций локального теплового потока вблизи границы на динамические характеристики развития фронта, анализируются особенности поведения возникающих температурных возмущений. В процессе кипения на теплоотдающей поверхности возникают температурные возмущения различного пространственно-временного масштаба, связанные с периодическим ростом и отрывом паровых пузырей, их возможным слиянием, динамикой испарения «сухих» пятен под паровыми конгломератами и т. д. Возмущения флуктуационного характера свойственны внутренней природе кипения. Вследствие этих возмущений на теплоотдающей поверхности возникают зоны, в которых локальный коэффициент теплоотдачи является сложной функцией от времени и пространственной координаты. В общем случае связь между локальными значениями плотности теплового потока и температурным напором в зонах пузырькового или переходного режимов кипения перед фронтом зависит от большого количества факторов, в том числе и от продольного температурного градиента в нагревателе и скорости распространения границы пленочного режима кипения, соответственно. Очевидно, что в этом случае временные температурные пульсации на теплоотдающей поверхности в зоне смены режимов кипения и исследуемые величины, определяющие условия равновесия и динамику распространения границы фронта взаимно связаны между собой и зависят друг от друга.
Для выявления степени влияния нестационарных пульсаций локального теплового потока вблизи границы на динамические характеристики развития фронта рассмотрим задачу в простейшей постановке. Развитие локальных одномерных и квазидвумерных очагов пленочного кипения описывается уравнением (2.1.1) нестационарной теплопроводности в нагревателе с соответствующими граничными и начальными условиями. В первом приближении, не рассматривая детально физические аспекты нестационарности процесса теплообмена, положим, что плотность теплового потока, отводимого в жидкость, в некоторой зоне пузырькового или переходного режимов кипения во фронте является периодической функцией только от времени: пуз,пеР.кип - средние плотности теплового потока во времени при данном температурном напоре в зонах пузырькового или переходного режимов кипения кипения, соответственно, F(A) - функционал, характеризующий относительную амплитуду пульсаций, равен константе {3 в окрестности фронта протяженностью А и - нулю вне этой окрестности, a i - частота пульсаций. Примем, что продольный размер зоны с пульсационным характером теплообмена равен величине А/, что в безразмерном виде определяется характерные линейные масштабы температурного градиента в различных зонах кипения. Параметр А, характеризует отношение линейных масштабов зоны пульсации коэффициента теплоотдачи к ширине продольного температурного градиента перед границей пленочного режима кипения в зонах пузырькового или переходного режимов кипения, соответственно. В случае 2 Б"1 пульсационная нестационарность на фронте обусловлена в основном динамикой вскипания жидкости, ростом отдельных пузырьков пара.
При 2 є" пульсации определяются динамикой испарения микрослоя и развитием «сухих» пятен под паровыми конгломератами или локальными продольными колебаниями границы смачивания. Частота пульсаций локального теплового потока со зависит от характера режима кипения и является сложной функцией от приведенного давления, теплофизических свойств жидкости и нагревателя, его геометрических размеров, плотности теплового потока и т. д. По данным, представленным в работах [Клименко, 1975; Григорьев и др., 1970] в области развитого пузырькового и переходного режимов кипения характерный диапазон изменения частоты пульсаций лежит в пределах сохар (10ч-6-102) с"1. При малых значениях плотности теплового потока в области неразвитого пузырькового кипения или свободной турбулентной конвекции перед фронтом пленочного кипения (при низких приведенных давлениях) сохар -(1- 3-102) с"1. Варьирование частоты пульсаций теплового потока в численном эксперименте позволяет выявить степень влияния различных типов нестационарности на динамику развития фронта. Результаты решения уравнения представлены с использованием зависимости текущего размера очага пленочного кипения от времени при различных значениях величин безразмерной частоты 51 и линейного размера зоны пульсаций А в области пузырькового кипения.
Краевые эффекты. Особенности эволюции очагов на ограниченных поверхностях
Ранее в настоящей работе при численном моделировании переходных процессов рассматривалась эволюция температурных возмущений на поверхности с неограниченной протяженностью. Исследуем особенности поведения возмущения при приближении фронта к краю нагревателя. Краевые условия для нагревателя конечной длины Lf, : dTh/dx=0 для r=0, x=Lf, - соответствуют теплоизолированным краям нагревателя. Результаты численного моделирования показали, что поведение сухого пятна (температурного возмущения), находящегося у края нагревателя, отлично от поведения пятна на неограниченном по размерам нагревателе. Граница сухого пятна может распространяться по поверхности нагревателя пока сухое пятно окончательно не заполнит всю поверхность нагревателя. При приближении фронта к границе нагревателя его динамические характеристики и тепловая устойчивость имеют особенности в сравнении с поведением движущегося фронта на неограниченной поверхности. Как показал анализ полученных численно результатов, геометрическим параметром, который определяет, взаимодействует ли одно возмущение с другим, влияет ли граница нагревателя на скорость перемещения фронта, является характерный тепловой размер lxap j\Sh Шпузтп . Если одно пятно находится от другого пятна на расстоянии большем, чем 1хт оно эволюционирует, как одиночное. Если пятно находится от границы нагревателя на расстоянии большем, чем 1хар, в этом случае его поведение эквивалентно поведению на поверхности бесконечной протяженности.
Поведение возмущения, находящегося от другого на расстоянии меньшем, чем 1хар, отлично от поведения одиночного возмущения, и, поведение фронта приблизившегося к границе нагревателя на расстояние меньшее 1хар отличается от поведения фронта, перемещающегося по нагревателю бесконечной протяженности. Исследуем эволюцию сухого пятна размера 10 (1-мерный случай), в начальный момент времени (т=0) локализованого у края нагревателя (рис.3.2.1). В расчетах использовалась кривая теплоотдачи, представленная на рис. 3.1.1. Как видно из рис. 3.2.1, температура на границе нагревателя конечной длины начинает быстро расти во времени, тогда как на неограниченном нагревателе вдали от локального очага с ухудшенным теплообменом она фиксирована. Величины скорости движения границы локального сухого пятна по поверхности бесконечного нагревателя и нагревателя конечной длины Lf, совпадают до тех пор, пока область высокоинтенсивной теплоотдачи, локализованная у границы нагревателя, не уменьшится до размера порядка 4 //4/ Граница пятна на бесконечном нагревателе на больших временах развития процесса в установившемся режиме движется с постоянной скоростью, на нагревателе же конечной длины при приближении фронта к теплоизолированному краю происходит резкое нелинейное увеличение скорости (рис.3.2.2). На рис.3.2.3 представлены расчеты равновесной плотности теплового потока для полубесконечного и ограниченного по длине нагревателей из дюралюминия. В расчетах приняты следующие теплофизические свойства и геометрические параметры теплоотдающей поверхности: А/,=50 Вт/(м-К), ch=300 Дж/(кг-К), /?А=3000 кг/м , 5А=4-10 м. Принятые при моделировании данные по теплоотдаче представлены на рис. 3.1.1. Результаты представлены в безразмерном виде.
Анализ полученных результатов показывает, что на ограниченной по длине тепловыделяющей поверхности резкое снижение равновесной плотности теплового потока наблюдается только при уменьшении размера зоны высокоинтенсивной теплоотдачи у края нагревателя до размеров порядка Imp- Для нагревателя из дюралюминия в расчетах данный характерный На рис.3.2.4, 3.2.5 представлены результаты численного моделирования тепловой устойчивости сухих пятен на тонкостенном нагревателе из константана, охлаждаемом стекающей пленкой жидкого азота, подаваемой на линии насыщения при атмосферном давлении (Lh=l22-10 3 м, ЛА =18 Вт/(м-К), ch =245 Дж/(кг-К), ph = 8850 кг/м3). С увеличением толщины нагревателя размер зоны краевого эффекта, в которой происходит резкое снижение величины равновесной плотности теплового потока, увеличивается по зависимости / Можно сделать выводы о том, что краевые эффекты приводят к тому, что поведение сухого пятна, локализованного у края нагревателя, отлично от поведения пятна на неограниченном по размерам нагревателе.
На ограниченной тепловыделяющей поверхности наблюдается значительное снижение равновесной плотности теплового потока и резкое нелинейное увеличение скорости распространения фронта при его приближении к теплоизолированной границе нагревателя на расстояния порядка В работе [Павленко, Суртаев, Мацех, 2007] в результате проведенного цикла экспериментальных исследований изучены закономерности развития кризисных явлений в стекающих волновых пленках жидкости при ступенчатом и периодическом импульсном законах тепловыделения и повторного смачивания перегретой поверхности в данных условиях. Показано, что при малых значениях плотности теплового потока в кризисных режимах в условиях ступенчатого тепловыделения распад ламинарно-волновои пленки после вскипания жидкости происходит с возникновением метастабильных регулярных структур с кипящими струями жидкости и крупномасштабными сухими зонами между ними. После скачкообразного сброса тепловой нагрузки развивается переходный процесс, в результате которого полностью осушенная высокоскоростной видеосъемки [Павленко, Стародубцева, Суртаев, 2007] процесса повторного смачивания перегретой поверхности после импульсного тепловыделения. Визуализация позволила выявить особенности данного процесса. Было обнаружено, что фронт смачивания не является плоским в поперечном направлении. Практически на входе перегретой поверхности возникают регулярные струи жидкости, в нижней части которых развивается интенсивное кипение (области 1 на рис.
