На правах рукописи Алексеев Максим Валерьевич ДИНАМИКА
advertisement
На правах рукописи Алексеев Максим Валерьевич ДИНАМИКА КОНТАКТА ПАР-ЖИДКОСТЬ И ПУЛЬСАЦИИ ДАВЛЕНИЯ ПРИ ПОЛНОЙ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА В ТРУБЕ 01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Новосибирск - 2004 Работа выполнена в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН Научный руководитель: доктор технических наук Прибатурин Николай Алексеевич Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Кедринский Валерий Кириллович кандидат технических наук Борчевкин Юрий Семенович Ведущая организация: ФГУП Опытное конструкторское бюро «Гидропресс» (г. Подольск) Защита состоится « 22 » сентября 2004 г. в 9 час 30 мин., на заседании диссертационного совета К 003.053.01 по присуждению учёной степени кандидата наук при Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 1) С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН Автореферат разослан « Ученый секретарь диссертационного совета д. т. н., профессор » 2004 г. В.Н. Ярыгин ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы Развитие различных видов неустойчивостей при соприкосновении пара с жидкостью, движении парожидкостных потоков и их возможного влияния на пульсации расхода, давления, температуры, изменения коэффициента теплообмена является до сих пор важным разделом теплофизики и энергетики. С научной точки зрения это связано с актуальностью развития теории устойчивости и динамики двухфазных систем, процесса конденсации пара в условиях существенной нестационарности его течения. Практическая ценность решения этой проблемы непосредственно вытекает из необходимости обеспечения устойчивого и безаварийного режима работы различного энергетического оборудования. При определенных значениях параметров конденсирующегося парожидкостного потока внутри трубы возникают автоколебательные явления, которые проявляются в существенном изменении объемного паросодержания вдоль участка конденсации и появлении в потоке пульсаций давления. Эти явления могут существенно влиять на теплообмен и препятствовать достижению больших значений массовых потоков и высоких коэффициентов теплообмена в конденсаторах пара. Наиболее сложной является проблема обеспечения беспульсационного режима отвода тепла конденсации. Источник возникновения таких пульсаций следует искать в поведении межфазной границы пар - жидкость. Анализ таких сопряженных ситуаций представляется достаточно сложным и невозможным при численном моделировании на компьютере, так как теплогидравлические коды программ не могут адекватно описать многогранность процессов происходящих на границе пар-жидкость. В этой связи особую актуальность приобретают экспериментальные исследования, направленные на решение взаимосвязанных задач о динамике контакта пар - жидкость и генерации пульсаций давления в жидкости и паре. Целью диссертационной работы является систематическое экспериментальное исследование взаимосвязи поведения межфазной границы пар жидкость и давления, температуры в жидкости и паре при конденсации пара в трубах, анализ экспериментальных данных и определение основных параметров, влияющих на появление пульсаций и импульсов давления в жидкости и паре. Научная новизна Проведено систематическое исследование эволюции давления и температуры в жидкости и паре и синхронного поведения границы контакта между паром и жидкостью при конденсации пара в трубе. Определены закономерности возникновения пульсаций давления и генерации мощных импульсов давления в жидкости, обнаружена резонансная особенность в пульсациях давления при полной конденсации потока пара в охлаждаемой трубе. Установлены факты образования волн разрежения, расходящихся в противоположные стороны от границы контакта при соприкосновении горячего пара и холодной жидкости, и зависимости глубины разрежения и изменения температуры от начальных параметров жидкости и пара; Проведен анализ полученных экспериментальных данных и предложены физические модели возникновения пульсаций давления, волн разрежения и генерации высокоамплитудных импульсов в жидкости. Практическая ценность работы. Полученные результаты являются инструментом для верификации теплогидравлических кодов, применяемых при расчете элементов энергетического оборудования. В частности, схема задачи и данные по эволюции давления и температуры при внезапном соприкосновении пара и жидкости находят использование в верификации расчетного кода «КОРСАР». Полученные результаты показывают один из путей генерации высокоамплитудного ударного импульса в жидкости, используемого при создании мощных источников излучения волн давления. Основные закономерности возникновения пульсаций давления при конденсации пара находят использование в проектировании высоконапряженных малогабаритных конденсаторах пара. Достоверность полученного экспериментального материала основана на отлаженной методике измерения динамики давления и температуры в многофазных средах применяемой в Институте теплофизики СО РАН, в использовании которой применяются поверенные первичные преобразователи и приборы регистрации. Проведенные тестовые измерения показали соответствие значений температуры и давления принятым параметрам точности. На защиту выносятся: 1. Опытные данные по исследованию синхронного изменения давления, температуры, поведения межфазной границы пар - жидкость при конденсации пара в трубах, влиянию начальных параметров пара и жид- кости, ориентации трубы на эволюцию межфазной границы и изменение давления в жидкости и паре. 2. Результаты экспериментального изучения генерации пульсаций давления и возникновения резонанса в колебаниях давления при полной конденсации потока пара в охлаждаемой трубе. 3. Основные закономерности эволюции давления, температуры, границы контакта пара и жидкости первоначально имеющих разные температуры, одинаковые давления и находящихся в трубе по разные стороны от разделяющей перегородки. Апробация работы Результаты работы докладывались на конференциях: Международная научная студенческая конференция "Студент и научно-технический прогресс" (Новосибирск, НГУ, 1999, 2000, 2001), XII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Москва, 1999), Международный симпозиум "Actual problems of physical hydroaerodynamics" (Новосибирск, 1999), VI Всероссийская конференция молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, ИТ СО РАН, 2000), XI сессии Российского акустического общества (Москва, 2001), III Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2002), III и IV Всероссийской конференции молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии" (Новосибирск, ИТПМ СО РАН, 2003, 2004), международных конференциях: 17th International Congress on Acoustics (Rome, Italy, 2001), 3 th International Conference on Transport Pheth nomena in Multiphase Systems (Kielce,Poland, 2002), 12 International Heat th Transfer Conference (Grenoble, France, 2002), 5 Euromech Fluid Mechanics Conference (Toulouse, France, 2003). Публикации По материалам диссертационной работы опубликовано 15 работ. Личный вклад автора заключается в обсуждении постановки задач, проектировании, монтаже экспериментальных установок, тестировании оборудования, апробации методик проведения экспериментов, проведении эксперимента и обработке полученных результатов. Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, согласовано с соавторами. Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 118 страницах, включает библиографический список из 84 наименований работ, иллюстрирована 72 рисунками. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении диссертации обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цели и научная новизна диссертации, отмечена практическая ценность работы. Первая глава посвящена обзору литературы. Возникновению неустойчивости при конденсации пара в трубе были посвящены работы Russel(1980); Calia et al.(1982); Banerjee et al.(1983); Chang et al.(1985); Obinelo et al.(1991), Дейч, Филиппов (1968). Классификация неустойчивости при конденсации пара была дана Boure et al.(1973). В работах Wyde et al.(1964) и Schoenberg (1965) исследовалась неустойчивость появляющаяся в ртутных конденсаторах, а также её амплитудно- частотные характеристики. В работах Bhat et al.(1980), Rabas et al.(1987) было отмечено, что при полной конденсации пара в трубе возникает неустойчивость, приводящая к развитию пульсаций потока конденсата и пара. Экспериментальные работы Федорова (1996), Мильмана и др. (1998) показали, что этот процесс сопровождается появлением пульсаций давления в трубе даже в случае постоянства расхода конденсата и пара. Развитие пульсаций давления при конденсации пара в объеме жидкости и трубах отмечалось в экспериментах на крупномасштабных стендах ЭНИЦ ВНИИАЭС, ЦКТИ. Развитию неустойчивости на границе пар-жидкость посвящены работы Cristopher (1977), Chang, Bancoff (1983,1984), Jocobs et al.(1985), JungHoon Chang(1986). В работе Seo, Bancoff (1989) экспериментально рассматривалась неустойчивость границы пар-жидкость при быстром контакте пара и жидкости. В работах Балаклеевского (1989) экспериментально исследовались пульсации давления и форма межфазной границы при струйной конденсации пара в воде. В экспериментальных исследованиях Попова и др.(1974), Marlow et al.(1994) было отмечено возникновение мощного импульса давления при конденсации паровой полости в трубе. Этот же эффект, названный конденсационный удар, принимался во внимание в исследованиях ГНЦ РФ ФЭИ, СЭИ СО РАН, ФГУП ОКБ Гидропресс, ФГУП НИКИЭТ им.Н.А. Доллежаля. Вторая глава посвящена описанию экспериментальных установок. В первом параграфе приводится описание экспериментальной установки для изучения пульсаций давления и поведения межфазной границы при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе. Установка представляла собой однотрубный противоточный теплообменник. На вход внутренней трубы теплообменника подавался чистый насыщенный водяной пар из парогенератора, внешняя поверхность трубы интенсивно охлаждалась потоком холодной воды. Внутренний диаметр трубы был 6 и 8 мм, материал рабочего участка - нержавеющая сталь, медь и термостойкое стекло. Опыты проводились при следующих параметрах: расход пара на входе в рабочий участок - 0,04 л/мин, расход охлаждающей воды 2-10 л/мин, давление пара на входе в рабочий участок 0,12-0,2 МПа, температура пара на входе в рабочий участок 105- 120 °С, температура охлаждающей жидкости 10-20 °С. Угол наклона рабочего участка мог изменяться в диапазоне -90 - 0 - +90 градусов. Во втором параграфе приводится описание экспериментальной установки используемой для детального изучения динамики контакта пар холодная жидкость и ее взаимосвязи с эволюцией давления и температуры в паре и жидкости. Установка была выполнена по схеме ударной трубы. В одной части трубы находился пар, в другой, отделенной от первой диафрагмой — холодная жидкость, температура которой могла изменяться. Внутренний диаметр трубы был 25 мм и 63 мм. В экспериментах варьировались длины паровой зоны и зоны с жидкостью. Рабочая жидкость - дистиллированная вода. Статическое давление - 0,1 МПа. Температура воды изменялась в пределах от 20 до 96 °С и поддерживалась на заданном уровне с точностью 0,5 градуса при помощи жидкостного термостата, температура пара в рабочем участке поддерживалась на уровне 100 °С. Основная трудность проведения эксперимента заключалось в большом времени, потраченном на один эксперимент из-за тщательности подготовительных операций по заполнению установки жидкостью и паром и большой времени термической стабилизации установки перед разрывом диафрагмы. В третьем параграфе изложена методика измерения температуры и давления. Описаны характеристики датчиков давления и температуры. Рассмотрена методика и приведены результаты тарировки датчиков и оценки погрешностей измерения. Приведена методика регистрации поведения межфазной границы пар - жидкость с использованием высокоскоростной цифровой камеры с максимальным разрешением 1280x1024 пикселей и максимальной скоростью съемки 2000 кадров/сек. Программа обработки видеоизображений позволяла детально отслеживать изменение координаты, скорости и ускорения выделенной точки, фрагмента изображения с течением времени и суммировать полученные. В третьей главе описываются результаты, полученные при экспериментальном исследовании поведения межфазной границы пар - жидкость и генерации пульсаций давления при полной конденсации пара внутри охлаждаемой трубы. Схема задачи о конденсации пара, протекающего через трубу, наружная поверхность которой интенсивно охлаРис.1 Схема задачи. 1 - вход пара, 2,3- выход и вход охлаждающей воды, 4 - выход конденсата, 5-поршень, 6- ждается потоком холодной воды приведена на рис.1. При определенных параметрах охлаждения поступающий в трубу пар (1) конденсирует- датчик давления, 7-резиновая диафрагма ся внутри трубы так, что на выходе трубы существует только поток чистой жидкости (4). Результаты экспериментов показали, что природа пульсаций давления в жидкости связана с периодическими колебаниями межфазной границы пар - жидкость. Один цикл такого колебания синхронизированный с записью давления в жидкости приведен на рис. 2. За счет возникающего относительного движения фаз на границе кольцевой пленки жидкости и центрального парового ядра образуются поверхностные возмущения, которые, двигаясь вверх по течению, увеличивают свою амплитуду и перекрываю: поперечное сечение трубы образуя пробку жидкости. Образованная паровая полость быстро конденсируется, а межфазная граница пар - жидкость возвращается на прежний уровень. Рассмотренное поведение межфазной границы вызывает синхронные пульсации давления в трубе в жидкости. Движение границы вверх вызывает повышение давления, вниз - его понижение, а быстрое исчезновение полости генерирует на фоне снижения давления импульс давления малой длительности. Спектральный анализ пульсаций давления (рис.3 а) показал, что в спектре сигнала выделяется преобладающая зона частот с наиболее предпочтительной основной частотой пульсаций. Ширина этой зоны с максимумом на основной частоте хорошо соответствует распределению Гаусса. Уменьшение диаметра канала и изменение материала стенки слабо влияет на значение основной частоты. При изменении угла наклона рабочего участка изменяется лишь сценарий образования жидких перемычек при конденсации пара, генерация импульсов давления не пропадает. Значение основной частоты пульсаций давления увеличивается с увеличением угла наклона к горизонту, достигая максимума при вертикальном положении рабочего участка - рис.4. При этом следует отметить, что с увеличением угла наблюдается увеличение дисперсии преобладающей зоны частот спектра. Высокоамплитудные импульсы давления короткой длительности при малых углах почти не генерируются. Проведенные эксперименты отчетливо показали, что поведение границы контакта пар - жидкость полностью определяет эволюцию давления в жидкости при полной конденсации пара в трубе. Можно говорить о существовании двух режимов пульсаций давления — низкочастотной моды, связанной с образованием замкнутой паровой полости и режима генерации коротких и относительно высокоамплитудных импульсов давления являющихся результатом очень быстрого исчезновения паровой полости. Рис. 3 Профили пульсаций давления и их спектры. а — внешнее возмущение отсутствует; б — возмущение конденсата с частотой 1,5 Гц, в - возмущение потока пара с частотой 1,5 Гц Динамика такого исчезновения и его механизм требует постановки более детальных экспериментов. Исследованный процесс полной конденсации пара внутри охлаждаемой трубы явно указывает на существование основной частоты пульсаций давления в жидкости. Поскольку эти пульсации связаны с колебаниями межфазной границы пар - жидкость, то данную частоту можно рассматривать как собственную частоту колебаний системы конденсирующийся пар - жидкость. Естественно предположить, что всякое вынужденное возмущение на систему пар-жидкость, как со стороны пара, так и со стороны конденсата с частотой равной выделенной выше частоте собственных колебаний может привести к резонансным явлениям. На рис. 5 приведена амплитудно-частотная зависимость пульсаций давления внутри трубы при вынужденном возбуждении жидкости и потока пара. Возбуждение осуществлялось при помощи перемещения поршня 5 (рис.1) в конденсате и колебания резиновой оболочки 7 в потоке пара. 10 Рис.4 Зависимость частоты основной моды пульсаций давления от угла наклона канала к горизонту Здесь = 1,5 Гц - средняя амплитуда и основная (собственная) частота пульсаций давления в трубе при отсутствии внешнего воздействия. Как видно, при совпадении частоты вынужденных воздействий и собственной частоты системы конденсирующийся пар - жидкость наблюдается увеличение амплитуды пульсаций давления. Существенную роль играет точка приложения внешнего воздействия: при совпадении частоты вынужденного воздействия, действующего на пар с собственной частотой системы, наблюдается более острый резонанс, чем при вынужденном возбуждении потока конденсата. В первом случае амплитуда пульсаций возрастает в 10 раз, в то время как во втором - только около 2 раз. Профили пульсаций давления и их спектр при совпадении собственной частоты системы с частотой внешнего воздействия приведены на рис.2 б, в. Вынужденное возмущение конденсата на резонансной частоте приводит не только к усилению амплитуды пульсаций давления, но и к наполнению спектра более низкими частотами, чем собственная частота системы. Возмущение пара на резонансной частоте вызывает практически синусоидальные пульсации давления в трубе, на вершинах которых регу- Рис.5 Зависимость амплитуды пульсаций давления от частоты возбуждения а - возмущение конденсата; б - возмущение пара. 11 лярно располагаются короткие импульсы давления. В случае возмущения жидкости пульсациями с зарезонансными частотами система пар - жидкость действует как высокочастотный фильтр, вырезая все возмущения с частотами выше собственной частоты. Зарезонансное возбуждение пара не приводит к такому эффекту: амплитуда колебаний снижается незначительно. В экспериментах также было зафиксировано, что вынужденное возмущение пара на резонансной частоте вызывает интенсификацию теплообмена при конденсации пара. Измерения температур охлаждающей воды, входящего пара и выходящего конденсата выявило, что значения плотности теплового потока может увеличиться на 25 - 30%. Данный факт требует детального дополнительного изучения и может рассматриваться как реальный путь увеличения интенсивности теплообмена при конденсации пара. Четвертая глава посвящена детальному экспериментальному изучению динамики прямого контакта пар — жидкость при конденсации пара и эволюции давления и температуры в паре и жидкости. В данном разделе рассматриваются причины, вызывающие вышеизложенное импульсное повышение давления в жидкости при полной конденсации пара. В качестве задачи изучения принята следующая асимптотическая схема. Рассмотрим трубу, разделенную на два объема теплоизолирующей перегородкой — рис.6. Пусть в первом объеме находиться жидкость, а во втором пар. Начальные условия в объемах таковы, что давление в них одинаковые, а температуры разные. Представим, что происходит быстрое исчезновение перегородки так, что пар и жидкость моментально приходят в соприкосновение. Несмотря на кажущуюся очевидность развития данной ситуации, до сих пор отсутствуют не только экспериментальные исследования подобного явления, но и расчетные соотношения, позволяющие предсказывать изменение давления и температуры в паре и жидкости. Для изучения данной задачи были проведены более 90 экспериментов с 12 Рис 7 Эволюция давления и температуры в жидкости и паре системой водяной пар - вода, где температура воды изменялась от 20 до 96°С, а начальное статическое давление фаз было атмосферным. Основные результаты были получены для ситуации, когда пар находился внизу вертикальной трубы, а жидкость - в верхней части трубы. Это позволило понять механизм быстрой конденсации полости пара и генерации импульса давления, затронутый в первой части главы. Проведены также исследования по влиянию угла наклона трубы к горизонту на динамику контакта и эволюцию давления и температуры в паре и жидкости. На рис.7 показан характерный график эволюции давления и температуры в паре и жидкости при их мгновенном контакте. Разрыв диафрагмы отмечен стрелкой. Синхронно с записью профилей давления и температуры выборочно проводилась скоростная съемка динамики контакта. Результаты показывают, что в течение первых 5 - 2 0 мсек (зависит от начальной температуры жидкости) после контакта жидкость неподвижна. За это время в пар начинает распространяться слабая волна разрежения, движущаяся со скоростью около 300 м/сек, что соответствуют скорости звука в паре. Скорость уменьшения давления в паре тем меньше, чем больше начальная температура жидкости. Спустя некоторое время величина разрежения в паре резко увеличивается. Почти синхронно с этим увеличением происходит резкое снижение давления и в жидкости. Син13 хронно с изменением давления в паре изменяется и его температура. Температура жидкости не изменяется и сохраняется на начальном уровне. Аналогичное поведение давления и температуры в паре и жидкости наблюдалось при других начальных температурах воды равных 40, 50, 60, 75, 85, 95 °С. Обобщенный график синхронного изменения давления и температуры пара показан на рис. 8. Здесь же нанесена линия насыщения. Хорошая корреляция результатов с расчетной кривой позволяет говорить о том, что состояние пара в любой момент времени после контакта соответствует равновесному состоянию насыщения. На рис.9 приведены значения максимального разрежения в жидкости после ее контакта с горячим паром в зависимости от начальной температуры жидкости. Как видно, максимальная величина разрежения в жидкости практически соответствует значениям, определяемым кривой насыщения. Исследования, проведенные на трубе с другим внутренним диаметром, с изменением угла наклона трубы к горизонту от -90 градусов до -1 градуса, определили, что только начальный перепад температур между жидкостью и паром является основным параметром, от которого зависит 14 Рис. 12 Динамика контакта пар-жидкость и эволюция давления в паре амплитуда волн разрежения, распространяющихся в пар и жидкость после их контакта. Во всех опытах было зафиксировано, что на фоне разрежения в жидкости возникает импульс давления - рис. 7, который распространяется вглубь жидкости со скоростью около 1400 м/сек, что соответствует скорости звука в воде. Время образования этого импульса зависит от температуры жидкости, - чем она выше, тем импульс давления генерируется позже - рис. 10. Появление импульса устойчиво наблюдается при любой разнице в начальных температурах жидкости и пара. Визуализация динамики межфазного контакта определила, что генерация импульса происходит в слое жидкости, непосредственно примыкающем к поверхности контакта между жидкостью и паром. При статистической обработке значений амплитуды импульса давления в зависимости от температуры жидкости, оказалось, что существует слабая тенденция увеличения амплитуды импульса от температуры жидкости - рис. 11. Ширина импульса имеет тенденцию оставаться постоянной. На рис. 12 приведены результаты регистрации динамики границы контакта, синхронизированные с записью профиля давления в паре. В отличие от мгновенного взаимодействия жидкость - газ отчетливо видно формирование фронта движения жидкости. В первый момент времени происходит нарастание возмущений на поверхности радела. Это приводит к образованию микрофрагментов жидкости, которые существенно увеличивают площадь контакта фаз, вызывая сначала медленное охлаждение па15 Рис.13 Эволюция границы контакта и времени полной конденсации пара от угла наклона трубы к горизонту ра, а затем - при существенном развитии поверхности контакта - быстрое снижение давления и температуры пара. Возникающий градиент давления привод к ускорению жидкости и формированию фронта конденсации, заполняющего все поперечное сечение трубы. Фронт конденсации движется с постоянным ускорением, а значение его скорости может достигать нескольких десятков метро в секунду. При формировании фронта конденсации в близлежащем к пару слое жидкости образуется паровая полость, которая в ходе дальнейшего движения быстро исчезает, генерируя при этом вышеописанный импульс давления. На рис. 13 приведена картина изменения фронта конденсации при изменении угла наклона канала к горизонту. Здесь же приведено полное время конденсации заданного объема пара в зависимости от угла наклона при прочих равных условиях. В отсутствии данных о площади межфазной границы этот параметр может служить мерой интенсификации теплообмена при конденсации пара в зависимости от изменения геометрии. Как видно скорость конденсации пара уменьшается с уменьшением угла наклона и при переходе через горизонтальное положение время конденсации пара существенно возрастает, а граница контакта становится невозмущенной. При полной конденсации паровой полости в жидкости генерируется мощный импульс давления амплитудой до 40 - 45 МПа. Восстановленная по результатам исследований схема генерации импульса давления показана на рис. 14 а. Разогнавшийся до высоких скоростей фронт конденсации мгновенно тормозится о твердую стенку. В качестве стенки может 16 Рис. 14 Схема генерации и профиль мощного импульса давления выступать также либо сплошная жидкость, либо жидкая перемычка. После торможения, согласно закону сохранения импульса, в жидкость излучается импульс давления. На рис.14 б. показан характерный профиль давления, измеренный непосредственно на твердой стенке Этот импульс давления распространяется вверх по жидкости со скоростью звука в воде. При его отражении от свободной границы происходит разгрузка жидкости и формирование волны разрежения, двигающейся в противоположную сторону. Ширина импульса давления определяется временем, соответствующим двойному пробегу импульса давления по высоте столба жидкости. Амплитуда импульса давления зависит от длины пробки жидкости, длины паровой полости, температуры жидкости и давления, действующего на свободную поверхность жидкости. Обработка полученных изображений движения жидкости показала, что скорость жидкости в момент столкновения с твердой стенкой хорошо соответствует значению, полученному из решения уравнения движения пробки жидкости под действием постоянного перепада давления Здесь перепад давления определяется согласно уравнению Клапейрона - Клаузиуса по известной разнице между температурой пара и жидкости. Этот перепад может суммироваться с вынужденным 17 начальным перепадом давления, действующим на жидкость. Величина амплитуды излучаемого импульса давления хорошо соответствует соотношению где и - скорость жидкости в момент торможения, - скорость звука в жидкости. На рис. 15 показана экспериментальная зависимость максимальной амплитуды импульса излучаемого давления от безразмерного комплекса, в который входят длины паровой и жидкой пробок, суммарный перепад давления При изучении генерации максимально возможного по амплитуде импульса давления была использована дополнительная начальная нагрузка столба жидкости статическим давлением в диапазоне. Это позволило получить максимальное импульсное давление в 48 МПа, при длительности воздействия на стенку 2 мсек. Энергия такого мощного воздействия значительно усиливается при увеличении диаметра трубы. Полученное соотношение хорошо описывает экспериментальные значения. ВЫВОДЫ 1. Получены систематические экспериментальные данные, отчетливо показывающие взаимосвязь и синхронность изменения давления в жидкости и паре и динамики границы контакта пар - жидкость при конденсации пара в трубах. Выполнен анализ экспериментальных данных и определены основные параметры, влияющие на появление пульсаций и импульсов давления в жидкости и паре. 2. Экспериментально изучен процесс генерации пульсаций давления в жидкости при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе. Показано, что периодические колебания границы контакта и циклическое образование паровой полости в жидкости вследствие развития неустойчивости на межфазной границе вызывает две моды пульсаций давления в жидкости. Зафиксировано явление резонанса, проявляющееся в существенном возрастании амплитуд пульсаций давления и колебаний границы контакта. Установлено, что острота резонанса зависит от места приложения внешнего возмущения, а именно от действия возмущения на пар или жидкость. 3. Экспериментально исследована эволюция давления и температуры в паре и жидкости при их соприкосновении. Зафиксировано, что от границы контакта в противоположные стороны вглубь пара и жидкости распространяются волны разрежения. Глубина разрежения зависит только от начальной температурой жидкости и хорошо соответствует равновесному значению, определяемому по уравнению Клапейрона - Клаузиуса. Показано, что на фоне волны разрежения, распространяющейся в cropoiry xo18 лодной жидкости, возникает высокоамплитудный импульс давления. Установлено, что время генерации этого импульса определяется начальной температурой жидкости. 4. Изучен процесс генерации мощного импульса давления при полной конденсации пара в трубах. Получены данные по скорости движения жидкости, изменения давления в паре, максимально достижимой амплитуде давления и длительности импульса. Полученные экспериментальные значения амплитуды мощного импульса давления хорошо согласуются с предложенной расчетной зависимостью. По материалам диссертации опубликованы следующие работы: 1. М.В. Алексеев, Влияние возмущения давления на неустойчивость потока пара при его конденсации в трубе //Материалы XXXVII Международной научной студенческой конференции "Студент и научнотехнический прогресс", 1999 г, НГУ, Физика,часть 1, с. 69. 2. Pribaturin N.A., Alekseev M.V., Fedorov V.A., Influence of Pressure Pulsation on Instability of Condensed Vapour Flow // Transactions of Internal Symposium "Actual problems of physical hydroaerodynamics", Novosibirsk, Russia, 19-23 April 1999. p.II, p. 98. 3. Алексеев М.В., Автоколебания границы пар-жидкость и пульсации давления при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе //"Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках". XII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, Москва 1999, Издательство МЭИ, с. 189-192. 4. М.В. Алексеев, Экспериментальное исследование генерации пульсаций давления при полной конденсации пара в трубе //Материалы XXXVIII Международной научной студенческой конференции "Студент и научнотехнический прогресс",2000, НГУ,Физика,часть 2, с. 51. 5. Алексеев М.В., Пульсации давления и резонансные явления при полной конденсации пара в трубе //Тезисы докладов VI Всероссийской конференции молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", 25-28 апреля 2000 г., Новосибирск., ИТ СО РАН., с. 130-131. 6. Прибатурин Н.А., Алексеев М.В., Федоров В.А., Резонансные явления при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе //Письма в ЖТФ, 2000, том 26, вып. 14,с. 13-17. 7. М.В. Алексеев, Экспериментальное изучение ударной конденсации пара в трубе //Материалы XXXIX Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс", 2001 г, НГУ, Физика, с. 146-147. 19 8. Прибатурин Н.А., Алексеев М.В., Федоров В.А., Акустический резонанс при полной конденсации пара в трубе // Динамика сплошной среды, ИГиЛ СО РАН, 2001, выпуск 117, с.151-154. 9. Н.А.Прибатурин, М.В. Алексеев, Излучение волн давления при прямом контакте холодной жидкости и пара // XI сессия Российского акустического общества, Москва, Россия, 19-23 ноября 2001г., М ГЕОС, с.60-63. 10. N.A.Pribaturin, M.V.Alekseev, Impulse Radiation of a Sound at Condensation of a Vapour Cavity in a Liquid // 17th International Congress on Acoustics Proceedings, Rome, Italy, September 2- 7, 2001, pp. 56-57. 11. Pribaturin N.A., Fedorov V.A., Alekseev M.V. Resonance phenomena at complete vapour condensation in a cooled pipe // Proc. 12 Int. Heat Transfer Conf, Grenoble, France. - August 24, 2002. - V. 3. pp. 833-838. 12. Pribaturin N.A., Fedorov V.A., Alekseev M.V., Influence of forced pressure pulsation on vapour condensation in coolling pipe// Proc. of the 3d Int. Conf. on Transport Phenomena in Multiphase Systems" (Heat - 2002). Kielce, Poland, June 24-27. 2002. - pp. 435-441. 13. Алексеев М.В. Межфазные процессы при внезапном контакте пара с холодной жидкостью // Тезисы III Всероссийской конференции молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии", 19-21 ноября 2003 г., ИТПМ СО РАН, г. Новосибирск, с. 80. 14. Pribaturin N.A., Alekseev M.V. Evolution of pressure and temperature under direct contact of cold water and vapour // 5-th Euromech Fluid Mechanics Conference, Toulouse, France, Book of Abstracts, 2003, pp.42 15. Алексеев М.В. Динамика давления в паре и жидкости при движении фронта конденсации// Тезисы IV Всероссийской конференции молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии", 1-2 июля 2004 г., ИТПМ СО РАН, г. Новосибирск, с. 37. Подписано к печати 11 августа 2004 г. Заказ № 104 Формат 60/84/16. Объем 1 уч.-изд. л. Тираж 120 экз. Отпечатано в Институте теплофизики СО РАН 630090, Новосибирск, пр. Акад. Лаврентьева, I
