Звуковые явления при кипении Дорофеев, Борис Михайлович

Введение к работе

Актуальность темы диссертации видна из следующего обстоятельства: решением Координационного Совета по теплофизике Государственного комитета по атомной энергии при Совете Министров СССР была образована специальная секция "Акустические методы исследования процесса кипения и гидродинамики двухфазных пото-

- 5 -ков" (шифр секции 381-228).

Актуальность данной конкретной работы подтверждается ее включением в Комплексную научно-техническую программу "Атоммаш" Северо-Кавказского научного центра высшей школы по научному направлению 02 "Парогенераторы, теплоносители, диагностика теплотехнического оборудования АЭС".

Цель работы

Цели диссертации: 1) в результате выполнения всестороннего исследования гидротермодинамических колебаний и автоколебаний при кипении детально выяснить механизмы их генерации с представлением количественных или качественных описаний физических моделей явлений; 2) решить ряд прикладных задач (разработать методики проведения численных и прямых натурных экспериментов для изучения звуковых явлений при кипении, предложить новые способы прогнозирования кризиса теплоотдачи при кипении пассивным акустическим методом, разработать способы искусственного срыва и диагностики ТААК, определить, при выполнении каких условий, а также в какой степени ТААК оказывают влияние на коэффициент теплоотдачи и скорость образования накипи и др.).

Методы исследования

Использованы экспериментальный, вычислительный и теоретический методы.

Научная новизна работы

Научная новизна диссертации в целом заключается в разработке нового научного направления: гидротермодинамические колебания и автоколебания при кипении.

Научную новизну ее отдельных разделов составляет следующее.

1. Систематизированный учет влияния числа степеней свободы колебаний частиц жидкости на вид импульса давления, гидродинамически возбуждаемого пузырьком пара при кипении. Опытное под-

тверждение целесообразности такого учета. ^ч

1. Формулы-алгоритмы математического моделирования процесса генерации переменного давления паровыми пузырьками в кипящих жидкостях. Результаты численных экспериментов, проведенных с целью анализа звуковых явлений при кипении.

2. Прямые опытные данные, с которыми расходится гидродинамическая теория излучения звука. Вывод о причине этого расхождения. Теория термодинамического звукообразования ("псевдокавитации") при пузырьковом кипении недогретой газированной жидкости. Доказательства справедливости этой теории на практике.

3. Данные прямого экспериментального исследования механизма возбуждения квазипериодических звуковых колебаний при пленочном кипении недогретьж летучих органических жидкостей. Гидротермодинамическая теория звукообразования при таком кипении и результаты ее проверки.

4. Данные специальных и комбинированных опытов, проведенных при исследовании ТААК с целью выяснения влияния дисперсии скорости звука в двухфазной среде в канале на механизм генерации ТААК; проверки справедливости утверждения о том, что функции резонатора при этих автоколебаниях выполняет распределенная система - акустическое содержимое между границами отражения стоячей звуковой волны; выявления пространственной структуры акустического поля в этой системе; определения типа колебаний, возбуждаемых тешюподводом; выяснения причин взаимной обусловленности переменного давления и процесса кипения в канале (феномена "коллективного кипения"); выявления корреляции между стоячей волной давления и амплитудой пульсаций пристенной паровой фазы, а также температурами теплоотдающеи стенки и жидкости вблизи поверхности кипения; доказательства возможности управлять этими автоколебаниями, уменьшая их амплитуду вплоть до

- 7 -полного срыва; определения в пределах термодинамического цикла рабочего тела при преобразовании тепловой энергии в акустическую; установления фазовых соотношений между переменным давлением и колебаниями как температуры нагревателя, так и идущего от него потока тепла. Теоретический анализ влияния вида спектра собственных частот столба двухфазной смеси на режим стоячих волн (одно- или многомодовый); роли термодинамического звукообразования при ТААК, влияния при этом нелинейно-параметрического эффекта изменения сжимаемости двухфазной среды в канале на глубину обратной связи. Новая физическая модель механизма генерации ТААК в целом.

6. Экспериментальные данные, полученные при исследовании влияния величины недогрева жидкости до температуры насьщения на частоту главного максимума в энергетическом спектре шума кипения, и их теоретический анализ.

7. Результаты прямых опытов, проведенных с целью выявления закономерностей шумообразования в кипящих жидкостях. Построенная на осноеє гидродинамического приближения качественная физическая модель процесса шумообразования при кипении.

Практическая ценность

Практическую значимость работы представляет следующее.

1. Экспериментальные методики определения чувствительности и частотных свойств гидрофонов.

2. Шаровой интерферометр для измерения скорости звука в жидкости на низких частотах.

3. Методики синхронной регистрации колебаний объема паровой фазы и звукового давления.

4. Методики одновременного определения тепловых параметров и акустических характери

5. Новые способы прогнозирования первого кризиса теплоот-

- 8 -дачи при кипении пассивным акустическим методом.

6. Прямое доказательство повышения коэффициента теплоотдачи в период роста амплитуды ТААК.

7. Прямое доказательство резкого уменьшения скорости образования твердых отложений на поверхности кипения при наличии ТААК.

8. Способ уменьшения амплитуды (вплоть до полного срыва) ТААК без понижения при этом первой критической плотности теплового потока.

9. Способ диагностики наличия (или отсутствия) ТААК по виду частотно-амплитудного спектра сигнала, зарегистрированного при помощи внешнего (закрепленного на наружной стенке устройства) акустического датчика.

Автор выносит на защиту Защищается следующее.

1. Экспериментальные установки и методики проведения прямых опытов с целью исследования механизмов звукообразования в кипящих жидкостях. Полученные при проведении этих опытов данные.

2. Формулы-алгоритмы математического моделирования процесса возбуждения переменного давления пузырьками пара при кипении. Результаты численных экспериментов, полученные с использованием этих формул.

3. Результаты обобщенного теоретического анализа звуковых явлений в кипящих жидкостях. Предложенные и разработанные физические модели механизмов генерации гидротермодинамических колебаний и автоколебаний при кипении.

4. Способы понижения уровня (вплоть до полного срыва) и диагностики ТААК. Новые способы прогнозирования приближения к первому кризису теплоотдачи при кипении пассивным акустическим

- 9 -методом.

Апробация работы

Основные результаты диссертации были доложены, а также представлены в различных материалах (монографиях автора, полных текстах или тезисах докладов и др.) на нижеперечисленных совещаниях, симпозиумах, конференциях и форумах.

1. III, IV и V Всесоюзные конференции по теплообмену и гидравлическому сопротивлению при движении двухфазного потока в элементах энергетических машин и аппаратов (Ленинград, 1967, 1971, 1974);

2. Совещание-семинар научного направления 02 Северо-Кавказского научного центра высшей школы "Теплоносители, парогенераторы, диагностика теплотехнического оборудования АЭС" (Ставрополь, 1979);

3. Пятое заседание Координационного совета по теплофизике ГКАЭ (Обнинск, 1980);

4. VII и IX ежегодные региональные Чтения по физике (Ростов-на-Дону, 1980, 1981);

5. Всесоюзное совещание "Теплофизика метастабильных жидкостей в связи с явлениями кипения и кристаллизации" (Свердловск, 1985);

6. I, II и"III семинары "Акустические методы исследования процесса кипения и гидродинамики двухфазных потоков " (Киев, 1978, 1981, 1985);

7. Первая и Вторая Всесоюзные конференции "Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации" (Рига, 1982, 1988);

8. Второе Всесоюзное совещание "Метастабильные фазовые состояния - теплофизические свойства и кинетика релаксации"

(СверДЛОВСК, 1989);

- 10 -9) VII и VIII Всесоюзные конференции '"Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах" (Ленинград, 1985, 1990);

10. VI, VIII, IX и XI Всесоюзные Акустические конференции (Москва, 1967, 1973, 1977, 1991);

11. I и II Минские Международные форумы по тепло- и массо-обмену (Минск, 1988, 1992);

12. Вторая Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва, 1994).

А также на научных семинарах энергетического института им. Г.М.Кржижановского (Москва, 1970, 1977); отдела ультразвука акустического института АН СССР (Москва, 1977); отдела нестационарных двухфазных потоков НПО "Энергия" (Москва, 1977); отдела теплообмена института высоких температур АН СССР (Москва, 1977, 1983); сектора жидких металлов энергетического института им. Г.М.Кржижановского (Москва, 1984); кафедры акустики МГУ им. М.В.Ломоносова (Москва, 1977, 1986); лаборатории теплообмена при фазовых превращениях института теплофизики СО АН СССР (Новосибирск, 1986); кафедры N13 МИФИ (Москва, 1987).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 55 работ.

2 монографии: "Звуковые явления при кипении" (напечатана по решению отделения механики и прикладной математики Северо-Кавказского научного центра высшей школы) и "Термоакустические колебания и автоколебания при кипении" (экспонировалась на выставках работ XI Всесоюзной Акустической конференции и Второй Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук");

обзор "Звуковые явления при кипении", написанный по заказу редколлегии журнала "Теплофизика высоких температур" АН СССР;

26 статей;

9 докладов и 15 тезисов докладов Всесоюзных и Международных научных форумов, конференций, симпозиумов и семинаров;

2 отчета о научно-исследовательских работах (выполненных под научным руководством и при непосредственном участии автора).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы. В ней представлены определение задач исследования и основные результаты с выводами. Объем работы 305 с,из которых 49 с. - иллюстрации (63 рисунка) и 47с-литература (389 источников).