Потоки (струи) вскипающей жидкости встречаются в природных явлениях. Они находят широкое применение в технике и технологических процессах. Актуальность изучения потока вскипающей жидкости связана с запросами атомной энергетики, с проблемой безопасности энергетических установок. В современном энергетическом оборудовании используются теплоносители с рабочими параметрами (температура, давление) близкими к параметрам термодинамической критической точки. При аварийных ситуациях с образованием течи в тракте теплоносителя могут реализоваться условия взрывного парообразования на центрах флуктуационной природы [1]. Высокая интенсивность и сосредоточенность взрывного вскипания приводит к особенностям поведения интегральных и локальных характеристик потока
Интенсивные фазовые превращения в потоке часто сопровождаются сильным отклонением состояния текущей среды от термодинамического равновесия. Это обуславливает сложную гидродинамическую картину течения и трудности аналитического описания процесса, связанные, в частности, с отсутствием надежных способов определения числа центров роста новой фазы. Поэтому целесообразно исследовать некоторые предельные режимы.
Для изучения выбран термодинамически сильно неравновесный режим стационарного истечения горячей жидкости в атмосферу. Он наблюдается при истечении из сосуда высокого давления через короткие каналы, у которых отношение длины канала к его диаметру порядка единицы. Этот режим истечения характеризуется высокой скоростью снижения давления в потоке (~10 МПа/с) и, как следствие, значительными перегревами жидкости. При начальных температурах в сосуде То>0.9Тс (Тс -температура термодинамической критической точки) перегревы могут достигать предельных (околоспинодальных) значений и реализуются условия
4 интенсивного гомогенного флуктуационного зародышеобразования
(взрывное вскипание). В этом случае скорость рождения пузырьков пара рассчитывается по теории гомогенной нуклеации [1] и достигает значений J=1016cm"3c"1.
При малых перегревах появление центров кипения носит нерегулярный характер и зависит от случайных факторов. Вместе с тем, опыты по кинетике нуклеации показывают, что при умеренных перегревах, что соответствует для большинства органических жидкостей интервалу температур от 0.8Тс (для воды 0.7Тс) до 0.9Тс при атмосферном давлении, имеет место лавинообразная активация центров парообразования на "слабых местах" (пузырьки газа, твердые частицы, стенки сосуда). В этом случае происходит интенсивное вскипание на гетерогенных центрах со средней объемной частотой зародышеобразования J>106 см~3с~\
Струя вскипающей жидкости вследствие неустойчивости поверхности тангенциального разрыва и фазовой неустойчивости жидкого состояния характеризуется значительными флуктуациями. Научный и практический интерес представляет исследование не только средних значений параметров потока вскипающей жидкости (расход, реактивная отдача, угол распыла струи...), но и хаотических отклонений от средних значений этих параметров, поскольку известен класс флуктуационных процессов, характеризующийся крупномасштабными выбросами, сравнимыми со средними значениями параметров процесса [2]. Для такого рода пульсационных процессов часто спектральная мощность колебаний изменяется обратно пропорционально частоте (\/f - или фликкер-шум). Взрывное вскипание в потоке может приводить к смене режимов течения -от гидравлического к критическому (кризис потока), что в синергетике принято называть неравновесным фазовым переходом. В работе [2] впервые экспериментально обнаружены интенсивные тепловые пульсации при переходе от пузырькового режима кипения жидкого азота к пленочному (кризис кипения и типичный пример неравновесного фазового перехода) на
5 тепловом домене высокотемпературного сверхпроводника. Было
установлено, что спектр мощности этих пульсаций изменялся обратно пропорционально частоте. Авторами была предложена модель, согласно которой генерация фликкер-шума в системе может являться результатом взаимодействия неравновесных фазовых переходов в присутствии белого шума. Наличие l/f-шума свидетельствует об отсутствии характерного временного масштаба процесса и об установлении состояния самоорганизованной критичности [3]. Проблема фликкер-шума имеет фундаментальный характер, и актуальными остаются вопросы, связанные с поиском новых систем с l/f-шумом и построением новых моделей этого явления. Важным представляется экспериментальное изучение флуктуационных процессов в кипящих системах при неравновесных фазовых переходах в специально поставленных лабораторных опытах.
Цель работы. Экспериментальное изучение интегральных характеристик потока (расход, форма и реактивная сила струи) горячей жидкости при истечении через короткий канал в условиях взрывного вскипания: выяснение термодинамической обусловленности кризисного поведения характеристик сильно неравновесного потока вскипающей жидкости.
Исследование динамики макроскопических флуктуации в кризисных режимах тепломассообмена для выявления возможностей и условий возникновения крупномасштабных выбросов.
Научная новизна.
Экспериментально установлена связь критического режима истечения термодинамически предельно неравновесного потока вскипающей жидкости с условиями взрывного вскипания.
Получены систематические экспериментальные данные по расходам н-пентана (модельная жидкость) в широкой области начальных состояний, включая закритические, при истечении через короткий канал в атмосферу. Обнаружены минимумы на зависимостях объемного расхода от температуры
6
при постоянном закритическом давлении и на зависимостях объемного расхода от давления при постоянной закритической температуре.
На фазовой Т, р - диаграмме н-пентана выделены области, соответствующие различным режимам (квазигидравлическому, критическому, равновесному) истечения в атмосферу сильно неравновесного вскипающего потока. Использование приведенных термодинамических переменных позволяет распространить этот анализ на другие вещества. Предлагаются расчетные формулы для определения расхода в каждой области и методика пересчета расходов вскипающей жидкости с одного вещества на другие.
Установлено влияние механизма парообразования на эволюцию формы струи вскипающей жидкости, истекающей через короткий канал в атмосферу, в зависимости от степени перегрева. Обнаружен полный развал струи перегретой жидкости при интенсивном объемном вскипании, как на гетерогенных, так и гомогенных центрах. Найдено, что другим необходимым условием полного развала струи является наличие нормальной плоскости за выходом из канала и взаимодействие с ней (эффект Коанда).
Исследовано поведение реактивной отдачи струи вскипающей жидкости в термодинамически сильно неравновесном режиме истечения. Установлена связь резкого снижения величины реактивной силы струи с ее полным развалом. Предложено обобщение полученных экспериментальных данных с привлечением методов термодинамического подобия.
Показано, что в критических режимах течения горячей жидкости, вызванных взрывным вскипанием, спектр мощности пульсаций паросодержания и давления в потоке изменяется обратно пропорционально частоте (l/f-или фликкер-шум).
Обнаружены интенсивные термические флуктуации с l/f-спектром в кризисных режимах кипения - при переходе пузырькового режима кипения воды к пленочному на проволочном нагревателе и испаряющихся капель на горизонтальной поверхности к сфероидальному состоянию.
7 На системах другой природы (горение, дуговой разряд) показано, что
неравновесные фазовые переходы различной природы в присутствии белого шума определенной интенсивности могут приводить к генерации фликкер-шума.
Практическая ценность результатов. В работе даны рекомендации для оценки максимальных расходов и реактивной силы вскипающей жидкости при стационарном адиабатном истечении через короткие каналы для заданных начальных параметров, изменяющихся в широкой области состояний. Предложен способ пересчета расходов и реактивных усилий с одного вещества на другие в термодинамически сильно неравновесном режиме истечения. Полученные в работе результаты экспериментального исследования интегральных характеристик потока при фазовой неравновесности могут быть полезны для развития теории фазовых переходов в условиях высоких пересыщений. Результаты экспериментальных исследований флуктуационных процессов с l/f-спектром и выявленные при этом зависимости могут быть полезны при построении методов прогноза редких катастрофических событий, как в природных явлениях, так и в технических энергонапряженных процессах. Присутствие фликкер-шума в системе с возможностью крупномасштабных выбросов указывает на необходимость проведения спектральной диагностики в процессах с развитой флуктуационной природой. Экспериментальное обнаружение фликкер-шума в исследованных процессах представляет интерес для развития теории флуктуационных процессов.
Автор защищает:
-результаты экспериментального изучения расходных характеристик при изменяемом противодавлении для предельно неравновесного режима истечения вскипающей жидкости;
-утверждение о термодинамической обусловленности (взрывное вскипание) критического режима истечения сильно неравновесного потока вскипающей жидкости;
8 -результаты опытов по изучению зависимостей расходов и
реактивных усилий вскипающих потоков от начальных параметров при истечении через короткий канал в атмосферу;
-термодинамический подход к описанию расходов предельно неравновесных двухфазных потоков;
-методику пересчета расходов и реактивных усилий с одного вещества на другие с использованием методов термодинамического подобия;
-эффект резкого снижения величины реактивной силы, обусловленный полным развалом взрывообразно вскипающей струи перегретой жидкости;
-обнаружение интенсивных пульсаций с l/f-спектром (фликкер-шум) в кризисных режимах тепломассообмена;
-утверждение о возможности генерации фликкер-шума при неравновесных фазовых переходах различной природы в присутствии белого шума;
-результаты экспериментального исследования l/f-флуктуаций в системах различной природы в условиях неравновесных фазовых переходов (дуговой разряд, горение).
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на следующих всесоюзных, российских и международных конференциях, симпозиумах, совещаниях, форумах и т.д.: I и II Всесоюзная конференция молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Новосибирск, 1985 г. и 1987 г.; Всесоюзное совещание "Теплофизика метастабильных жидкостей в связи с явлениями кипения и кристаллизации", Свердловск, 1985 г.; VII Всесоюзная конференция "Двухфазные потоки в энергетических машинах и аппаратах", Ленинград, 1985 г.; II Всесоюзная конференция по динамике разреженных газов, Свердловск, 1987 г.; семинар секции динамики НТС по теме "Проблемы безопасности при малом недогреве теплоносителя", Иркутск, 1987 г.; техсовещание секции теплофизики и гидродинамики при НТС НИКИЭТ,
9 Москва, 1985 г. и 1987 г.; семинар в Институте проблем освоения Севера СО
АН СССР, Тюмень, 1986 г.; II Минский международный форум по тепломассообмену, Минск, 1992 г.; Waves In Two-Phase Flows Euromech Colloquium 376, Istanbul, Turkey, 1998; отраслевая конференция Мин. РФ по атомной энергии "Теплофизика - 99" и "Теплофизика - 2001", Обнинск, 1999 г. и 2001 г.; XXXI и XXXII Международный научно-методичесий семинар "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах", Москва, 2000 г. и 2001 г.; 8-й Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, Пермь, 2001 г.; Nucleation Theory and Applications, Dubna, 2002; XXVI Сибирский теплофизический семинар, Новосибирск, 2002 г.; 1-я и 3-я Российская Национальная Конференция по Тепломассообмену, Москва, 1994 г. и 2002 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 статей, 22 тезиса докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 220 страниц машинописного текста, включая 84 рисунка и 1 таблицу. Список литературных источников содержит 183 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введения формулируется цель, актуальность, научная новизна и практическая значимости исследований, представленных в диссертации.
В первой главе изложены основные представления о метастабильных фазовых состояниях, о границе термодинамической устойчивости жидкого состояния (спинодали), об особенностях поведения свойств веществ в окрестности термодинамической критической точки. На примере перегретой жидкости сформулированы положения теории гомогенной нуклеации. Вводится понятие ударного (взрывного) режима вскипания и определяется критерий его реализации для случая истечения перегретой жидкости через
10 короткий канал:
[1-QFft)]/?.
>1, (1)
здесь V(t^) - объем пузырька, растущего в пределах канала (tx - время нахождения жидкости в канале), со - скорость движения жидкости на входе
в канал, Р - плотность жидкости, Рпр - давление среды, в которую происходит истечение, p*(T,J) - давление взрывного вскипания, Q -
плотность числа гетерогенных центров. Даны основные положения методологии термодинамического подобия. Рассмотрены различные модели критических двухфазных потоков, созданные в рамках механики сплошной среде. Приведены основные результаты измерений реактивной отдачи струй вскипающих жидкостей, полученные другими авторами для термодинамически сильно неравновесного режима истечения. Изложены основные модельные представления, сложившиеся к настоящему времени об 1// - или фликкер-шуме, отмечены его свойства.
Во второй главе представлены результаты прямого наблюдения наступления критического режима истечения предельно неравновесного потока вскипающей жидкости в опытах по изучению расходов при изменяемом противодавлении. Для этой цели создана экспериментальная лабораторная установка. Она представляла собой устройство кратковременного действия (время истечения 4-30 с). В установке предусмотрено изменение в широком диапазоне температуры и давления в рабочей камере, из которой происходит истечение, и давления во внешней среде (противодавления). Противодавление создавалось газообразным азотом. Расход определялся по массе собранной в холодильнике рабочей жидкости и зафиксированному времени истечения. Опыты по истечению проводились на коротком цилиндрическом канале с острой входной кромкой (диаметр канала
11
d=0.5 мм, отношение длины к диаметру l/d=1.4, гидравлический коэффициент расхода jli= 0.59).
Приведены результаты экспериментального изучения зависимости массового расхода от противодавления рпр при фиксированных начальных параметрах в рабочей камере - температуре То и давлений р0. Опыты проведены с н-пентаном. Параметры термодинамической критической точки: давление рс=Ъ.Ъ1 МПа, температура Тс= 469.7 К, температура кипения при атмосферном давлении Ts(pa)= 309 К. На фазовой диаграмме н-пентана (рис.1) точками показаны начальные состояния (р0, То) в опытах с изменяемым противодавлением. Начальное давление ро устанавливалось равным: 2,6; 3,6; 4,9 МПа, что соответствует приведенным значениям давления -тг= Р(/рс=0.77; 1.1; 1.5. Начальная температура То принимала ряд фиксированных значений в интервале от 0.6Тс до 1.2Тс. Противодавление/?^ изменялось отр0 до атмосферного ра.
Рис.1. Фазовая диаграмма опытов по истечению н-пентана. 1- линия насыщения; 2 - спинодаль пара; 3 -спинодаль жидкости; 4-линия, соответствующая частоте
гомогенного зародышеобразования ^lOVc"1. С - критическая термодинамическая точка.
300 350 400 4S0 500 Т,К
Установленный вид зависимости удельного массового расхода от противодавления для холодного н-пентана (Т0=293 К) согласуется с результатами известных работ по изучению истечения невскипающей воды через цилиндрические каналы в среды с изменяемым противодавлением. Кривая расходов носит разрывный характер - разбивается на два монотонных
12 участка. Каждый из участков описывается обычной параболической
зависимостью g = mJ^\Po ~Рпр)Ро (где ро - плотность жидкости в
дгкг/см2-с
Рис. 2. Зависимость удельного массового расхода горячего н-пентана
Л/2
от перепада давления (Ар)" при начальном давлении /?0=3.7МПа и температуре 7^=42 8К.
0,5 1,0 1,5 2,0 (Ар)?МПач
начальном состоянии), но с разным коэффициентом ju. Такой вид расходной зависимости связывается с существованием кольцевой изолированной полости (каверны) в канале при противодавлениях рпр близких к р0 (здесь ju = 0.82) и ее разрушением при понижении рпр (здесь ju= 0.59). Отношение Pnf/po, соответствующее границе между первым и вторым участками составляет 0.43.
При истечении вскипающего н-пентана для начальных температур То<О.9Тс, при которых возможно вскипание на гетерогенных центрах, критического режима не обнаружено. Поведение расхода при этих температурах в целом подчиняется гидравлическим закономерностям, установленным в опытах с холодным н-пентаном. Переход от течения с каверной к течению без каверны происходит также при значении рп/ро=О.43. Отсутствие критического запирания при Т0<0.9Тс объясняется недостаточным парообразованием на гетерогенных центрах за малое время (~10~ с) пребывания жидкости в канале (поток в канале можно считать однофазным).
Одна из расходных характеристик для начальных температур
13 То>О.9Тс, соответствующих области интенсивного гомогенного
зародышеобразования, приведена на рис.2. Здесь при больших перепадах давления Ар (правее точки d) наблюдается постоянство расхода о изменением противодавления. Это свидетельствует о критическом режиме истечения. Параметры начала критического запирания (точка d*) - Т, рпр -соответствуют высоко перегретым состояниям н-пентана, характеризующимся частотой гомогенного зародышеобразования J |
