Исследование колебаний границы раздела фаз в хаотических процессах. Обзор ряда исследований


DOI: DOI: 10.34759/tpt-2020-12-11-503-514

Авторы

Кузма-Кичта Ю. А.1*, Бондур В. Г.2

1. Национальный исследовательский университет «МЭИ», Красноказарменная ул., 14, Москва, 111250, Россия
2. Научный Центр аэрокосмического мониторинга «Аэрокосмос», 105064, Москва, Гороховский пер.,4 «Аэрокосмос»

*e-mail: kuzma@itf.mpei.ac.ru

Аннотация

Рассмотрены исследования колебаний границы раздела фаз при пленочном и пузырьковом кипении на горизонтальном цилиндре и отклонений морской поверхности. Представлены характеристики колебаний границы раздела фаз при кипении воды и фреона-113 на горизонтальном цилиндре при атмосферном давлении, полученные с помощью лазерной и акустической диагностики. Показано, что составляющая теплового потока за счет колебаний границы раздела фаз при пленочном кипении может достигать 80% от передаваемого теплового потока. Причины парадоксального влияния малотеплопроводного покрытия на теплоотдачу при пленочном кипении проанализированы с помощью расчета температурного поля в стенке. Для этого решена одномерная нестационарная задача теплопроводности с нелинейными граничными условиями ‒ переменной во времени толщиной паровой пленки. Возмущения, возникающие в результате отрыва паровых пузырей в окрестности верхней образующей цилиндра, приводят к тому, что колебания границы раздела фаз затухают и их характеристики соответствуют режиму детерминированного хаоса. Колебания парового пузыря, растущего на стенке, исследованы с помощью пучка излучения, соизмеримого с его максимальным размером. С помощью спектрального анализа сигналов оптического и акустического датчиков исследована взаимосвязь колебаний границы раздела фаз и давления в жидкости. Установлено, что происходят колебания как формы, так и объема парового пузыря. Колебания объема парового пузыря при его росте на стенке описаны с помощью модели. Численное решение системы уравнений, описывающей рост парового пузыря на стенке, показало, что при определенных условиях показатели Ляпунова становятся положительными и его колебания – хаотическими. Представленные данные по амплитудам и спектрам колебаний границы раздела фаз свидетельствуют о хаотической природе кипения. При исследовании колебаний морской поверхности представлены спектры поверхностного волнения и показано, что они описывают стохастические процессы, происходящие на морской поверхности, также представлено распределение энергии по волновым числам, пространственным и циклическим частотам.

Ключевые слова:

пленочное кипение, пузырьковое кипение, колебания границы раздела фаз, вода, фреон-113, волнения морской поверхности, хаотические процессы

Библиографический список

  1. Ковалев С.А., Жуков В.М., Кузма-Кичта Ю.А. Методика исследования колебаний границы раздела фаз при пленочном кипении жидкости с помощью оптического квантового генератора // ИФЖ. 1973. Т. 25. № 1. С. 20–25.

  2. Petukhov B.S., Kovalev S.A., Zhukov V.M., Kuzma-Kichta Yu.A. Investigation of the mechanism of heat transfer upon film boiling of liquid // Proc. 5th Int. Heat Transfer Conf. Tokyo. 1974. V. 4. P. 96.

  3. Кузма-Кичта Ю.А. Исследование теплообмена и механизма кипения на металлической поверхности без покрытия и с малотеплопроводным покрытием // Дисс. ... к.т.н. 1974. ИВТ РАН.

  4. Toda S., Mori M. Subcooled film boiling and the behavior of vapor film on a horizontal wire and a sphere // 7th Int. heat transfer conf. Munchen, 1982. Vol. 4, pp. 173–178.

  5. Abbassi A., Hintеrton R. The non-boiling vapour film // Int. J. Heat Mass Transfеr. 1989. V. 32. N 9. P. 1649–1655.

  6. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. М.: Машгиз, 1952. 232 с.

  7. Bromley L.A. Heat transfer in stable film boiling // Chem. Eng. Progr. 1950. V. 46. P. 221–227.

  8. Sakurai A., Shiotsu M., Hata K. A general correlation for pool film boiling heat transfer from a horizontal cylinder to subcooled liquid: Part 2 – Experimental data for various liquids and its correlation // J. Heat Transfer. 1990. V. 112. N 2. P. 441–450. https://doi.org/10.1115/1.2910397

  9. Кутепов А.М., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. Высшая школа, 1986. 448 с.

  10. Masahiro Shoji, Yuto Takagi. Bubbling features from a single artificial cavity // International journal of Heat and Mass Transfer. 2001. V. 44. N 14. P. 2763–2776

  11. Lei Zhang, Masahiro Shoji. Nucleation site interaction in pool boiling on the artificial surface // International journal of Heat and Mass Transfer. 2003. V 46. N 3. P. 513–522.

  12. Schröder J.J., Bode A. Pressure pulse generation by single bubbles in subcooled pool boiling // Boiling 2000 Phenomena & Emerging applications Conference, Anchorage, Alaska. April 30 – May 5 2000. V. 1. P. 81‒99.

  13. Boming Yu., Ping Cheng. A fractal model for nucleate pool boiling heat transfer // Journal of Heat Transfer. Dec. 2002. V. 124. N 6. P. 1117–1124.

  14. Bondur V., Tsidilina M. Features of formation of remote sensing and sea truth databases for the monitoring of anthropogenic impact on ecosystems of coastal water areas // 31st International Symposium on Remote Sensing of Environment. ISRSE, 2005. P. 192‒195.

  15. Ивочкин Ю.П. Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами. Дисс... д.т.н. 2015. 407 c.

  16. Нигматулин Б.И., Кузма-Кичта Ю.А., Булкина Н.А., Устинов А.К. Молошников А.С., Рыхлик В.С. Исследования колебаний границы раздела фаз и механизма переноса тепла при пленочном кипении // ТВТ. 1994. Т. 33. № 2. С. 255‒260.

  17. Кузма-Кичта Ю.А., Молошников А.С., Нигматулин Б.И., Устинов А.К. Исследования колебаний границы раздела фаз при пленочном кипении. 2-я часть // ТВТ. 1995 г. Т. 33. № 2. С. 273‒278.

  18. Кавкаев Д.Д., Кузма-Кичта Ю.А. Исследование динамических характеристик колебаний границы раздела фаз при пленочном кипении // XV Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. 2005. Т. 2. С. 435‒439.

  19. Кроновер Р. Фракталы и Хаос в Динамических Системах. М.: Техносфера, 2006. 488 с.

  20. Кузма-Кичта Ю.А., Зудин Ю.Б., Бакунин В.Г., Устинов А.А., Салтыкова Е.В. Исследование колебания раздела фаз с помощью лазерной диагностики // XII школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». Москва, 25‒28 мая 1999 г.

  21. Устинов А.А. Исследование колебаний границы раздела фаз при кипении. Дисс к.т.н. МЭИ, 2005. 125 с.

  22. Дзюбенко Б.В., Кузма-Кичта Ю.А., Леонтьев А.И., Федик И.И., Холпанов Л.П. Интенсификация тепло- и массообмена на макро-, микро- и наномасштабах. М.: ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», 2008. 532 с.

  23. Алексеенко С.В., Волчков Э.П., Дзюбенко Б.В., Драгунов Ю.Г., Исаев С.А., Коротеев А.А., Кузма-Кичта Ю.А., Леонтьев А.И., Попов И.А., Терехов В.И. Вихревые технологии для энергетики. М.: Издательский дом МЭИ, 2017. 350 с.

  24. Синкевич О.А., Глазков В.В., Киреева А.Н. Обобщенное уравнение Рэлея–Ламба // ТВТ. 2012. Т 50. № 4. С. 555–564.

  25. Устинов Д.А., Сиденков Д.В., Кузма-Кичта Ю.А., Устинов А.А., Устинов А.К. Исследование роста и колебаний парового пузыря на плоской поверхности нагрева в большом объеме // Тепловые процессы в технике. 2019. Т. 11. № 8. С. 338–344.

  26. Устинов Д.А., Сиденков Д.В., Кузма-Кичта Ю.А., Устинов В.А., Устинов А.К. Экспериментальное исследование кипения на модифицированной поверхности испарителя теплонасосной установки // Тепловые процессы в технике. 2020. Т. 12. № 4. С. 155–162.

  27. Бондур В.Г., Мурынин А.Б. Методы восстановления спектров морского волнения по спектрам аэрокосмических изображений // Исследование Земли из космоса. 2015. № 6. С. 3‒14. DOI: 10.7868/S0205961415060020

  28. Бондур В.Г., Дулов В.А., Мурынин А.Б., Игнатьев В.Ю. Восстановление спектров морского волнения по спектрам космических изображений в широком диапазоне частот // Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 52. № 6. С. 716‒728. DOI: 10.7868/S0002351516060055

  29. Бондур В.Г., Дулов В.А., Мурынин А.Б., Юровский Ю.Ю. Исследование спектров морского волнения в широком диапазоне длин волн по спутниковым и контактным данным // Исследование Земли из космоса. 2016. № 1-2. С. 7‒24.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024