Введение к работе
Актуальность темы. Механические колебания или вибрации тонких нагревателей, сопровождаемые значительным ростом коэффициента теплоотдачи, можно получить различными методами. В представленной работе для возбуждения механических колебаний по нагревателю пропускался импульсный ток различной формы и частоты. При этом возникающие за счет периодического тепловыделения осцилляции температуры модулируют колебательный параметр проволочного нагревателя - его натяжение в . При соответствующих частоте и интенсивности таких модуляций проволока начинает совершать параметрические вибрации, а теплоотдача от нее в окружающую среду возрастает.
Поэтому изучение температурных (термических) осцилляции в тонких нагревателях является важной прикладной задачей современной высокотемпературной и криогенной техники. Изучение их важно также для теоретической теплофизики и теории колебательных процессов иной природы.
Как следует из имеющихся литературных данных систематического изучения метода интенсификации теплоотдачи параметрически-
ки вибрациями нагревателя, возбуждаемыми температурными осцилля- . циями практически не проводилось. Поэтому наїли выполнено подробг ное исследование механизма возбуждения термопараметрических вибраций тонких нагревателей, погруженных в кидкости и газы, а такие влияние указанных вибраций на интенсивность теплопередачи.
Цель работы состояла, во-первых в практическом получении термомеханических колебаний нагревателей возбуждением в них температурных осцилляции и исследовании условий, при которых эти колебания наиболее интенсивны, во-вторых в изучении влияния термомеханических колебаний (ТМК) на процессы теплопередачи - на коэффициент теплоотдачи при конвекции и кипении, а также на динамику пузыреобразования, в-третьих в практическом получении тер-мокехакических колебаний ферромагнитных нагревателей во внешних магнитных полях, в изучении условий Бозбуадения таковых и их влияния на теплообмен в воздушной среде, в-четвертых в физическом анализе полученных результатов и математическом описании полученных закономерностей.
Научная новизна. Изучено влпянио параметраjcichx колзбанті,
- :> :;,-^:.::-u у токкт-;;: нагревателей оспиллянияш! тонпературы но топ-::v/.:u:: пр« ::"п;нпп п кошскши.
Ешснены механизмы возбуждения ТМК проволочных нагревателей г условия при которых интенсивность вибраций максимальна.
Внесены некоторые уточнения в теорию параметрических колебаний для случая модуляций релаксационными температурными осцал-ляцгяі.уі. Теоретически установлено, что существенную роль в воз-с-учгеппи термомеханических колебаний играют механотермические " осцилляции.
Впервые предсказаны и экспериментально получены термомагни-: '"Типические колебания (ТИМК) ферромагнитных нагревателей во
5 внешних магнатных полях. Изучены закономерности их возбуадения, намечены пути практического использования. Тепловая природа таких колебаний доказана прямыми опытами.
Практическая ценность. Значительный рост коэффициента теплоотдачи при термомеханических и термомагнитомеханических колебаниях нагревателей позволяет предположить перспективность использования этих видов колебаний в различных устройствах в целях интенсификации теплообмена. Важным является то, что указанные колебания могут быть возбуждены у тонких нагревателей без введения в системы специальных вибраторов.
Отдельные выводы работы могут быть полезны в областях техники, где необходимо возбудить или погасить поперечные колебания токонесущих проводов линий электропередач, различных микро-электроглнх устройств, а также в производстве проволок и полимерных золокон.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались Гв-?"5 :.-ая 1992 года на II Минском Международном форуме в институте тепло- и массопереноса ям. А.В.Лыкова, на семинарах и заезд ":'лях кафедр теоретической и обсей физики Ставропольского П5' .'отитута в мае, октябре 1990 г., октябре 1991 г., на ееми-; - г їх кафедры физики Ставропольского авиационного училища з Г'зв- \ -і л октябре 1991 г. Окончательный вариант диссертагг.к голг,-:i га заседании каф.теоретической физики Ставропольского г<-;-: :-,тг'г7^а 25 сентября 1992 г.
Структура д объем работы. Диссертация состоит из в'з^'^і.т, і.- .: 'лав, заключения, выводов, списка литературы и пргтс;"?:іиг;.
первая глава состоит из шести параграфов, она посгягзкз ';рнт:''.!;:у и зло ко нию теории параметрических и температурукс кол?-с'л:г-и:, о?г?ору и критического анализу работ по кипению іЛ!;",костг„,
влиянию механических колебаний нагревателя на теплообмен при кипении и конвекции, а таксе работ, посвященных исследованию тер^ момеханическжх колебаний в воздухе. Здесь же анализируются особенности температурных колебаний и их влияние на магнитные свойства ферромагнетиков.
Вторая глава, включающая три параграфа, описывает экспериментальные установки, -методику проводимых изменений и калибровки приборов,- методы математико-статистической обработки резуль- татов опытов.
Глава 3, включающая четыре параграфа посвящена изложению основных экспериментальных результатов по изучению влияния термических осцилляции, возбуждаемых П-импульсами тока в тонких нагревателях на коэффициент конвективной теплоотдачи и коэффициент теплоотдачи при кипении воды, а также результатов изучения возбуждаемых температурными ооцилляциями механических колебаний нагревателей, погруженных в жидкость.
Четвертая глава, содержащая четыре параграфа посвящена физи ческому анализу процессов теплопереноса и закономерностей возбуждения термомеханических колебаний тонких нагревателей, погруженных в кипящую и недогретую воду.
В пятой главе, содержащей семь параграфов изучаются не известные ранее термомагнитомеханические колебания ж проводится физический анализ.полученных результатов. Здесь же обсуждаются возможные применения термомагнитомеханических колебаний в технике.
Полный объем работы составляет 169 с, из них основной текст - 94 с, рисунков - 43, библиография содержит 180 наименований.
В первой обзорной главе подробно излагаются основы теории параметрического резонанса и теории температурных колебаний. Описывается исследования термомеханичесних колебаний, обобщенные К.Ф.Теодсрчиком, работы Д.И.Пеннера, Я.В.Дубошинского, А.С.Вер.-меля, СЕ.Несиса и др., проводится анализ работ Е.И.Несиса и Л.М.Кульгиной по изучению теплообмена и кипения на вибрирующем нагревателе.
Проанализирован'ряд работ Б.М. Галицейского, Пеннея, Лемли-ча и др. по исследованию теплообмена от колеблющихся цилиндров в газе и жадкости при естественной и вынужденной конвекции.
Проведен критический анализ экспериментальных и теоретических работ, посвященных термопараметрическим колебаниям тонких электрообогреваемых проволок.
Вторая глава посвящена описанию созданных нами и использованных в работе экспериментальных установок, методики измерений и калибровка приборов, излагаются также способы математико-ста-тистической оценки точности измерений.
В первом параграфе изложена основная идея проводимых экспериментов, состоящая в получении самовозбуждающихся термомеханических колебаний проволочного нагревателя, помещенного в жидкую среду, с целью интенсифицировать теялоперенос. Описываются методики калибровки приборов в градусах температуры и единицах длины. Для калибровка шкалы осциллографа в град, температуры проводилось нагревзиие и охлаждение термометров сопротивления в термостате с одновременной регистрацией отклонений луча; для калибрбвки шкалы в ед. длины проводилась регистрация отклонения луча осциллографа при смещениях датчиков на известные расстояния и при задании их вибраций между штангами измерительного устройства - штангенциркуля.
В этом же параграфе изложена методика измерения параметров
8
температурных осцилляции в тонких проволоках с использованием
двойного моста. ...
Второй параграф описывает методы математико-статистической обработки результатов опытов. За наиболее достоверное значение измеряемой величины наїли принималось среднее арифметическое се-рии проведенных опытов: Л--^ йі . В кавдом случае определялась граница доверительного интервала 4 Л- по найденному значение среднеквадратичной погрешности серии Л Ъ^ = д / & ( лЛ и коэф-фишенту Стъюдента. Последний определялся из таблиц для надекно-сти об- 0t95 и с учетом числа опытов в сериях.
В третьем параграфе дано описание экспериментальных установок, блочные схемы которых приведены на рис. I.
Основные элементы установки для изучения термомеханических
колебаний нагревателей в жидкостях представлены на рис. 1-А.
Тонкий нагреватель - I, погружался в сосуд с дистиллированной во
дой - 2.
Натяжение нагревателя регулировалось микрометрическим винтом - 3.
Создавая в нагревателе осцилляции температуры мы регистрировали его механические колебания и величину теплового потока к кипящей,или недогретой воде.
При изучении термомагнитомеханических колебаний применялся специально .изготовленный крутильный маятник- а (рио.1-Б), на котором располагался ферромагнитный нагреватель - 6. Последний помешался в.зазор электромагнита - ЭМ с профильными наконечниками, обеспечивающими условие
Осцилляции температуры создавались пропусканием по нагрева
телям П-образного импульсного тока различных частот и амплитуд,
формируемого электронной схемой - ФИ. . т
Температура нагревателей измерялась методом термометра сопротивления, в качестве которого использовались участка самих нагревателей.
Параметры механических колебаний нагревателей регистрировались фотометрическими датчиками - ФЭУ.
Регистрирующим прибором являлся двухканальный осциллограф типа СІ-93.
Нагреватели представляли собой медную и никелевую проволоку диаметром ОД; 0,28; 0,36 мм.
Тепловые потоки рассчитывались по мощности подводимого тока, температура окружающего нагреватели жидкости и газа измерялась стандартными ртутными термометрами с ценой деления шкалы 0,1 К.
Третья глава диссертации посвящена опытному изучению влияния частоты и амплитуды термических осцилляции в тонком нагревателе на процессы теплопередачи при кипении и конвекции воды, а также на скорость нарастания, и размах механических колебаний нагревателя.
В первом параграфе описывается общая картина теплообмена при термических осцалляциях различных частот и амплитуд в тонком нагревателе, погруженном в воду.
Установлено, что нр"-"'ая с амплитуд 6* больших некоторого критического значения Ькр вблизи определенных частотсд(' термических осцилляции имеет место некоторая смена режима кипения: уменьшение частоты^ и среднего отрывного диаметра Р паровых пузырьков и резко выраженная турбулиэация примыкающих к нагревателю слоев жидкости. Число частотных интервалов и>{, при которых наблюдаются описанные эффекты прягло зависит от величины С/ .
Во втором параграфе экспериментально исследуется влияние частоты од и амплитуды & температурных осцилляции на коэффици-
10 ент конвективной теплоотдачи -. к воде. Результаты опытов показывают, что при вблизи частот cdf температурных осцилляции наблюдается резкий рост величины С и уменьшение среднего температурного напора &i~ let ~Of . Значения частот cS» определяются натякенвем и диаметром применяемых нагревателей, число частот прямо зависит от амплитуды 0 , достигая пяти при О = 50 К. Замечено также, что при некоторых частотах температурных осцил-ляйий локальное значение 'ст оказывается различным.
В третьем параграфе изучаются некоторые особенности кипения и интенсивности теплопередачи при термических осцилляциях в проволочном нагревателе. Из проведенных опытов следует, что лри кипении начиная с амплитуд О термических осцилляции больших 0&> вблизи некоторых частот6«У колебаний температуры наблюдается рост коэффициента теплоотдачи «С (рис. 2), а также уменьшение на величину достигающую 40% частоты образования и среднего отрывного диаметра Р паровых пузырьков. Зафиксирование также уменьшение плотности активных центров парообразования.
Прирост коэффициента теплоотдачи 4оС наблюдался лишь вблизи определенных частот й)(' температурных осцилляции и прямо зависел от амплитуды О осцилляции температуры нагревателя. Было установлено также, что с уменьшением удельного теплового потока величинадоС возрастала. Дискретные частоты сд , при которых имели место указанные эффекты также зависели от натяжения и диаметра применяемых нагревателей.
Локальная температура Тст усредненная по времени в отдельных местах нагревателя имела на 2 * 3 К большее значение по отношению к усредненной по всей длине нагревателя. Эти точки нагревателя хорошо наблюдались визуально, т.к. пузыреобразование на них было наиболее интенсивным. Число таких точек находилось
і некоторой зависимости от частоты сО температурных осцилляции. I наших опытах наблюдалось две или одна таких точки.
В четвертом параграфе приведены результаты опытов по изу-:ению влияния частоты СО и амплитуда С/ температурных осцилляции :а возбуждение вибраций погруженного в кипящую и недогретую шалость проволочного нагревателя.
Исследования показали, что при частотах температурных ос-илляций а, =сд0; еду 2а)0'} <а>л-~3л>0; СОу « Scty Q -J? (здеСь а)0 _ собственная частота поперечных колебаний нагревателя в жидкости, пределенная экспериментально) нагреватель совершает интенсивные :оперечные колебания. Для возбуадения их на частоте 6>i амплитуда ? должна быть порядка 20 К, на частотах 0, и &)2 порядка 35 К, а частотах оді ,Q и й)^ порядка 45 К, а. на частотах и)/ * л?4-орядка 50 К (рис. 3).
Важным оказалось то, что при равенстве частоты температурных сцилляций собственной частоте вибраций нагревателя {с>=а)а ) еличина механической амплитуды It и скорость ее нарастания ока-ались наибольшими.
Глава четвертая посвящена физическому анализу процесса воз-уядения термомеханических колебаний тонких нагревателей и теп-оперекоса при них.
В первом параграфе анализируются опытные дачные с целью одтвердить гипотезу о нараметрическом характере термомеханиче-ких колебаний.
Параметрический характер термомеханических колебаний под- . веркдаегся во-первых соотношениями частот &) температурных ос-илляций, при которых возникают вибрации с собственной частотой О0 колебаний нагревателя, во-вторых прямой зависимостью ширины астотних областей &)/ и размаха вибраций от амплитуды температур-
12' ных колебаний в нагревателе, в-третьих фазовым соотношением между осцилляцаями температуры 7(tj и Биорациями ^Оу нагревателя, Бесьма близким к
Вгошії параграф лосвящен изучении особенностей возбувденш термомеханических котабаний. Для этого тщательно изучена зависимость разглаха вибпаций нагревателя от соотношения частоты я) термических осцилляции с собственной частотой Сд0 его поперечных колебаний.
остановлено, что во всех случаях максимум ширины частотных интервалов Cuf и размаха^^ вибраций нагревателя наблюдается когда 6^)=((рдс.З). Зто соответствует второму порядку резонанса, если основываться на классическом частотном условяя параметрических колебаний:
О) = ^ Од0 і #=^,3,.--IV
и поэтому находится в явном противоречии с классической теорией параметрического резонанса, согласно которой главный максимум долпэн наблюдаться при Л. -J. ,
Дальнейшие опыты показали, что во всех случаях четных порядков / параметрического резонанса размах вибраций сукестван-цо превышает случаи нечетного It .
Б третьем дат^глзїіа проводится физаческкіі анализ особенно стей нараметрических термомехзшческих колебаний тонких нагрева талей.
доказано, что в процессе возбуждения термомеханических колебании существенную роль играют так называемые маханотершчес-киз осцилляции 0(Л) возникающие при периодическом двиганий нагретых тел в более холодной среде. Влияние механотермических ос цилляций заключается в изменении закона нарастания и спада температуры в нагревателе, что приводит при чётных порядках /Z к
ІЗ 'величанию притока к колеблющемуся нагревателю энергии \ty, и, іаоборот ее убыли в случав /t- -нечетного. Сушесїванно, что при Л-гатных амплитуда возбуждаемых вибрации нарастает значительно інстрей.
Четвертый параграф посвящен анализу теплофизичвских процес-!0В при температурных осцилляциях в тонких нагревателях, В нем жспбриментально показано, что причина увеличения коэффициента еплоотдачи и смэш; режима кипения - возбуждающиеся параметрические термомеханические колебания нагревателя, приводящие к тур-іулазации пограничного слоя жидкости. Механическое гашение коле-іаний бо всех случаях приводило к уменьшению коэффициента тепло-ітдачи.
В характерном распределении температуры *сгпи длине нагре-іателя, как выяснилось, играют решающую роль узлы и пучности,об-іазуюпдаеся при вибрациях нагревателя на обертонах cD^n-ncOo Іинимуш Тст и соответственно максимумы сС приходятся на пучно-!ти вибрирующего нагревателя.
П^тая глава посвяиека опытному изучению впервые полученных сермоглагнитомеханических колебаний и анализу результатов.
3 паевом параграфа рассматриваются условия получения терме— лагнитомеханнческих колебаний. Замечено, что вблизи точки Кюри Тс кривая намагниченности J С' /резко спадает с ростом темпера-сурыТ (рас.4). Это позволило предположить, что создав з ферро-дагнетике, помещенном в магнитное поле осцилляции температуры зблизч его точки Кюри, моею модулировать силу, действующую на гаго в этом пола: F(t)'I(T) ,Va«Hpa определенной частоте и интенсивности таких модуляций феррмагнегик способен совершать механические колебания.
Во втором патзаетзасба 'описаны основные чкепаркмен..-чльные результаты.
Действительно, при определенных условиях удается возбудить интенсивные терыомагнитолшхакические колебания.
Амплитуда их вибрации сложным образом зависит от средней температуры ферромагнетика (рис.5) и возрастает при увеличении амплитуда О термических осцилляции (рис.6).
Значение частоты СО температурных осцилляции (всегда кратное ^вибратора) и фазовых углов между A (i) nT(t) зависит от конфигурации магнитного поля и расположения точек его максимальной напряженности по отношению к вибратору.
кривые А (рис.?) соответствуют случаю, когда Лц&приходит
ся иа области максимальных отклонєшйі вибратора. Кривые Б и В ил
люстрируыт соотношение когда Л пах. и равновесие ви-
братора совпадают. В последних случаях для возбуждения колебаний необходимо было начальное возмусвние вибраций извне.
В третьем параграфе проводится анализ влияния средней темп рэтуры ферромагнетика на размах вибраций, которое но нашему пред положению обусловлено кривой намагниченности ферромагнетика.
Температура Т , где имеет место максимум амплитуды вибра
ций, соответствует точке > , крутого излома кривой і 11) (рис.4)
Легко убедиться, что в этом случае произведение мак-
симально, что и обеспечивает наибольшее энергопоступление к вибратору.
Нами подобрано эмпирическое соотношение, позволяющее оценит размах вибраций теркомагнитомеханическгас колебаний яри различных средних те.дпературах ферромагнег-яка
'fr-ТТц
здесь гщ соответствует температуре / ; к и О определяются ус-
А-А,-
15 ловиями возбуждения колебаний.
В четвертом параграфа анализируются причины различия законов возрастания размаха вибраций с ростом амплитуды О температурных осцилляции.
Так, нри средних температурах Т большое / выполняется зависимость вида^С , а в случае
По нашему мнению, это можно объяснить видом кривой I (TJ (рис.4). Ври температурах Г* ' зависимость намагниченности от температуры имеет вш1(Т)10~ьТ , а когда / "* / " \с , чо IO/"jL"P Т » & » р > С , d - некоторые константы.
Поскольку приток колебательной эокргии зависит от глубины модуляции магнитной силы Г , а он в нашем случае зависит от пульсаций намагниченности, то легко убедиться, что яри температурах ферромагнетика Т^Т ~п0 а в интервале Т <V<Je. ^r~ О . Следствием изложенного- является разница в законах возрастания размаха вибраций с амплитудой термических осцилляции.
Пятый параграф 'посвящен физическому анализу временных соотношений меаду вибрациями ферромагнетика A (ij и температурными
осцилляциями та).
Экспериментальные и теоретические дачные позволяют заключить, что термомагнитомеханические колебания, в отличив от обычных термомвханических являются вынузденннми» Приток энергии к вибратору происходит в случаях движения его к областям максимальной напряженности магнитного поля, сопровождаемого пониканием температуры.
В шестом параграфа описываются оштан, проведенные для подтверждения теплової природы термомагнитомеханических колебаний.
Ферромагнитный вибратор пометался в камеру вакуумного поста. Прн откачке воздуха наблюдалось уменьшение размаха вибраций»
а при давлении р* 0,ірстц полное, прекращение вибраций. Указанное происходит из-за резкого ослабления конвективной теплоотдачи и уменьшения в силу этого амплитуды 6 температурных колебаний.
В следующих опытах ыы получали термомагнитомеханические колебания при температурах ферромагнетика больших точки Кюри. Эксперименты показали, что в этом случае термомагнитомеханические колебания получить не удается, т.к. в этой области намагниченность и ее зависимость от температуры чрезвычайно малы.
Описанные опыты полностью подтвердили гипотезу о тепловой природе термомагнитомеханических колебаний.
В седьмом параграфе мы постарались наметить пути практического использования термомагнитомеханических колебаний. Они могут быть использованы в радиотехнике, использующей ферромагнетики с низкими течками Кюри, а также в областях тегеники, где применяются так называемые магнитные жидкости.