К теории объемного вскипания жидкости при снижении давления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат наук Ялаев, Андрей Витальевич

• Ялаев, Андрей Витальевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Ялаев, Андрей Витальевич

Содержание

4

Глава 1. Обзор литературы_

1.1. Публикации, посвященные исследованиям объемного вскипания кипящей и газонасыщенной жидкости из каналов и емкостей_

1.2. Основные уравнения для газонасыщенной системы _

1.3. Некоторые равновесные модели газожидкостных и парожидкостных систем __

1.4. Выводы по главе_

Глава 2. Объемное вскипание жидкости с заходом в метастабильное состояние_

2.1. Объемное вскипание перегретой жидкости_

2.2. Уравнение состояния с учетом капиллярных сил. Изотермическое расширение _

2.2.1. Адиабатическое расширение_

2.3. Решения, описывающие неравновесное объемное вскипание_

2.3.1. Приближенные решения для течения в канале в стадии перехода от метастабильного состояния в двухфазное_

2.4. Результаты численных расчетов_

2.5. Сравнение численных решений с экспериментальными данными_

2.6. Выводы по главе_

Глава 3. Вскипание газонасыщенной жидкости при сбросе давления_

3.1 Введение__77

\ 'Л,)»'! .1 1 ^ '' >' л \ ' ' < у. ^'ч'^'Д ^ ч ¡л1

X. .V /(IV'ад.!,?,, :»V . '. ."< ■

уг , »/ | / ' ,1 *

3.2. Уравнение состояния газонасыщенной жидкости с учетом капиллярных сил при сбросе давления _

3.3. Переход газонасыщенной жидкости из метастабильного состояния в равновесное двухфазное состояние_

3.4. Анализ результатов для истечения вскипающей жидкости из емкости конечного объема_

3.5. Выводы по главе_

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ_

Литература_

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «К теории объемного вскипания жидкости при снижении давления»

Введение

Актуальность темы.

Большинство технологических процессов в химической промышленности, в атомной и тепловой энергетике, в трубопроводном транспорте происходит при высоких температурах и давлении. Нарушение герметичности реакторов, каналов, емкостей приводит к течениям, сопровождающимся вскипанием (т.е. фазовыми переходами, и как следствие этого эффектами звукового запирания потоков).

Пузырьковая парожидкостная смесь всегда является перегретой по отношению к равновесной температуре, когда поверхность раздела между паром и жидкостью - плоская. За счет же действия капиллярных сил, давление в пузырьках выше давления жидкости. В частности, в воде при радиусах пузырьков порядка сотни нанометра, величина такого превышения давления может составлять десятки атмосфер. Как следствие этого, пузырьковая жидкость может оказаться неустойчивой средой. Оказывается, такая неустойчивость в ряде случаев может исчезнуть, если пузырьковые зародыши содержат некоторое количество газа, не растворяющегося в воде.

Для анализа возможных последствий аварий на атомных электростанциях, технологических установках, в трубопроводах с легкокипящими углеводородными системами очень важно знать, как изменяется давление в емкости, массовый расход кипящей жидкости в случае нарушения герметичности.

Поэтому для оценки последствий аварийной разгерметизации емкостей и каналов, заполненных высокотемпературными жидкостями под высоким давлением, весьма актуально создание математических моделей, позволяющих расширить теоретические представления об особенностях теплофизических и гидродинамических процессов в таких системах и на их основе изучать нестационарные двухфазные течения.

'/' V ч ? )• >Жу: ' ) > Ч 1 >^ 5 Ч1'* ■ ' ' Л ^' V >л г Г и ' 1 • 1 '• 1 1 ' ' ^

{? / 1 > ч » 1 М ' 1 * к

Цель работы и задачи исследования.

Цель данной работы состоит в исследовании и создании математических моделей, расширяющих теоретические представления о теплофизических и гидродинамических особенностях процессов в системах, заполненных высокотемпературными жидкостями под высоким давлением, при сбросе давления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-построение равновесных уравнений состояния жидкости, содержащей газовые зародыши, с учетом капиллярных сил на межфазной поверхности, описывающее ее поведение при снижении давления;

- построение решений, описывающих неравновесное объемное вскипание;

- теоретическое объяснение, наблюдаемого в опытах, процесса вскипания жидкостей, с заходом в метастабильную область.

Достоверность.

Достоверность результатов диссертации основана на использовании фундаментальных законов термодинамики для двухфазных систем, корректным использованием уравнений механики сплошных сред и обусловлена количественным и качественным согласованием с экспериментальными данными, а также согласованностью с решениями других авторов в некоторых частных случаях.

Научная новизна работы.

Впервые построено уравнение состояния жидкости, с учетом капиллярных сил, содержащей в емкости газовые зародыши при снижении давления в адиабатическом режиме. Показано, что такое уравнение имеет вид (качественный нелинейный вид) изотермы Ван-дер-Ваальса. Предложено

решение, описывающее переход из метастабильного состояния в равновесное двухфазное состояние.

Согласно этому решению процесс истечения при разгерметизации из каналов и емкостей, заполненных в исходном состоянии высокотемпературными жидкостями под высоким давлением, можно разделить на три этапа. На первом этапе волна, распространяющаяся от открытого конца канала, переводит жидкость в метастабильное состояние, в котором давление снижается ниже равновесного значения для исходной температуры. На втором этапе вскипания происходит опорожнение при изобарическом режиме в емкости. При этом перегретая жидкость в канале переходит в двухфазное парожидкостное состояние. На третьем этапе происходит опорожнение канала с эффектами звукового запирания.

Практическая значимость.

Знание закономерностей истечения вскипающих жидкостей имеет большое прикладное значение для оценки последствий аварийной разгерметизации емкостей и каналов, покоящихся под высоким давлением, для оценки максимальных расходов через каналы, щели и для оценки характерных времен опорожнения.

Методы исследования.

В диссертационной работе были использованы методы и подходы, применяемые в области механики многофазных сред. Для численных расчетов дифференциальных уравнений использовался метод Рунге-Кутта 4 порядка точности. Численные расчеты проводились в среде программирования Delphi, также при расчетах использовался программный пакет MathCad 14 версии.

Апробация работы.

Результаты, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и в научных школах:

- на XV Всероссийской научной конференции студентов-физиков и

молодых ученых «ВНКСФ-15» (Кемерово, 2009);

- на IV Региональной научно-практической конференции «ЭВТ в обучении и моделировании » (Бирск, 2009);

- на V Международной научно-практической конференции «Образование, наука, инновации - вклад молодых исследователей» (Кемерово, 2010);

- на научной конференции аспирантов и студентов «Наука в школе и

вузе» (Бирск, 2010);

- на XVI Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-16» (Волгоград, 2010);

- на Российской конференции посвященной 70-летию акад. Р.И.

Нигматулина «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии» (Уфа, 2010);

- на Российской научно-технической конференции, посвященной 85-летию со дня рождения член-корр. РАН., д.т.н., профессора P.P. Мавлютова «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2011);

- на Всероссийской научной конференции с международным участием

«Дифференциальные уравнения и их приложения» (Стерлитамак, 2011). Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 11 научных работах, в том числе 2 из них в журнале, рекомендованном ВАК РФ: 1. Шагапов В.Ш., Ялаев A.B. Объемное вскипание жидкости, содержащей газовые зародыши // Теоретические основы химической технологии. 2012. Т. 46. №4. - С. 420-431.

2. Шагапов В.Ш., Ялаев A.B. К теории объемного пенообразования газонасыщенной жидкости при сбросе давления // Вестник СамГУ. Естественнонаучная серия. 2013. № 6(107). - С. 126-132.

В других изданиях:

3. Ялаев A.B. Моделирование ударных волн разряжения в кипящей жидкости // ВНКСФ-15: Материалы конференции. Кемерово-Томск. 2009. - С. 638.

4. Ялаев A.B. Капиллярные силы во взрывном вскипании жидкости // Наука в школе и вузе: Материалы научной конференции аспирантов и студентов. Бирск. 2010. ч. I. - С. 104-106.

5. Чиглинцев И. А., Ялаев A.B., Хузина Ф.Р. Некоторые задачи неравновесных процессов в пузырьковых жидкостях // Тезисы докладов Российской конференции «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии», посвященной 70-летию академика Р.И. Нигматулина. Уфа, 2010. - С. 121-123.

6. Ялаев A.B. О влиянии капиллярных сил при взрывном вскипании жидкости // Образование, наука, инновации - вклад молодых исследователей: материалы V (XXXVIII) Международной научно-практической конференции. КемГУ. 2010. Вып. 11. Т. 2. - С. 664-666.

7. Ялаев A.B. О взрывном вскипании жидкости из канала // ВНКСФ-16: материалы конференции. Волгоград. 2010. - С. 639-640.

8. Ялаев A.B. Объемное вскипание жидкости с заходом в метастабильное состояние // Мавлютовские чтения: Российская научно-техническая конференция, посвященная 85-летию со дня рождения член-корр. РАН.,д.т.н., профессора P.P. Мавлютова: сб. трудов в 5 т. Том 4. Механика жидкости и газа. / Уфимск. гос. авиац. ун-т. Уфа: УГАТУ, 2011. - С. 274-278.

9. Ялаев A.B. Построение спонтанных решений выхода из метастабильного состояния // Дифференциальные уравнения и их приложения. Труды

I 1 > ' . . ' ' 1

« i

/ f

П 1

j v,41'

I 1 1 3 u l' I , > I к

I

i , * к [ ' ( 1 '

J

i i с

H

Всероссийской научной конференции с международным участием (27-30 июня 2011, г. Стерлитамак) / Отв. Ред. М.А. Ильгамов. Уфа: Гилем, 2011. - С.272-274

10. Ялаев A.B. Построение спонтанных решений выхода из метастабильного состояния // Наука в школе и вузе: Материалы научной конференции аспирантов и студентов. Бирск. 2011. Ч. 1. - С. 120-122.

11. Ялаев A.B. О сбросе давления жидкости, насыщенной углекислым газом // Менделеев-2012. Физическая химия. Шестая Всероссийская конференция молодых ученых, аспирантов с международным участием. Тезисы докладов. СПб. 2012. - С. 619-621.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 108 страниц, включая 16 рисунков и список литературы, состоящий из 123 наименований.

Глава 1 Обзор литературы

В данной главе приводится современное состояние вопроса по проблеме описания объемного вскипания жидкости, находящейся под высоким давлением и температурой. Представлены основные уравнения и допущения, описывающие процесс истечения вскипающей и газонасыщенной жидкости.

1.1. Публикации, посвященные исследованиям объемного вскипания кипящей и газонасыщенной жидкости из каналов и емкостей

Процессы течения двухфазных смесей в трубах являются предметом широких теоретических и экспериментальных исследований у нас в стране и за рубежом. Однако современные методы расчета течений газожидкостных смесей не имеют еще той степени обоснованности и точности, которые присущи гидродинамике однофазных потоков.

Начальный период исследований в области гидродинамики смесей характеризовался использованием преимущественно эмпирических методов описания процесса с целью установления зависимости перепада давления от параметров потока и диаметра трубопровода.

В 40-х и 50-х годах начинается поиск методов обобщения экспериментальных данных, появляется классификация структур движения смеси и делаются первые шаги в разработке теоретических основ газожидкостных течений. Наибольшее влияние в этот период получили работы С. Г. Телетова [72], А. А. Арманда [1-4], С. С. Кутателадзе [43-47], Мартинелли [109], в которых были определены основные направления и задачи развития гидродинамических смесей.

С. Г. Телетовым [72] были построены общие уравнения гидродинамики и энергии газожидкостной смеси. На основе этих уравнений разработаны критериальные методы обработки экспериментальных данных. Решены

задачи, основанные на интегрировании дифференциальных уравнений движения смеси, и дана классификация визуально наблюдаемых форм течения смеси и введены теоретически обоснованные методы обобщения экспериментальных данных.

Работы А. А. Арманда [1-4] отличаются разнообразием примененных им экспериментальных методов определения истинных газосодержаний и гидравлических сопротивлений и оригинальностью обобщений, основанных на результатах полуэмпирических исследований.

Р. Мартине л ли [109] и его последователи на основе модели стержневого течения разработали и распространили на все остальные формы течения методику обработки и обобщения экспериментальных данных. Причем классификацию течений построили по принципу режима течения каждой фазы. За рубежом представление результатов исследований по методике Мартинелли стало традиционным.

Период с 50-х годов характеризуется наращиванием экспериментов, поиском новых и углублением существующих методов исследований и теоретических основ, возникновением ряда новых направлений в изучении гидродинамики смесей, вызванных развитием техники.

В решение теоретических и практических задач, вытекающих из насущных потребностей народного хозяйства, значительный вклад внесли Б. М. Боришанский [12], В. Е. Дорощук [25-26], С. С. Кутателадзе [43-47], А. Л. Крылов [40], А. И. Леонтьев [44], 3. Л. Миропольский [52], Е. И. Невструева [53], М. А. Стырикович [71], Л. Е. Стернин [57] и др. Теоретические исследования, связанные с построением и уточнением основных уравнений гидродинамики смесей, продолжили X. А. Рахматуллин [60-63], И. X. Рахматуллина [64], Ф. И. Франкль [86-87], Б. А. Фидман [8283], С.С. Духин [27], В. А. Мамаев [51].

На практике любые течения газожидкостных смесей сопровождаются фазовыми переходами. Эти превращения наиболее ярко проявляются при

больших тепловых нагрузках. Большинство течений многофазных смесей происходят в неравновесном режиме (температура, скорости фаз сильно различаются), кроме того, фазовые превращения происходят в неравновесном режиме. Изучение гидродинамики неравновесных течений началось сравнительно недавно. Современное состояние вычислительной техники позволяет создать новые методы обработки экспериментальных данных, основанные на непосредственном использовании дифференциальных уравнений, описывающих движение смеси.

Целью исследований в данной области явилось развитие идей и методов, базирующихся на основных уравнениях гидродинамики смесей, предполагающих критериальные методы постановки экспериментальных исследований и обработки опытных данных. При конкретизации проблемы это свелось к формулировке следующих задач:

а) используя законы механики жидкости и газа, а также некоторые экспериментально наблюдаемые закономерности, создать обоснованные теоретические и полуэмпирические методы исследования ряда конкретных структур течения смеси;

б) построить нелинейную теорию движения тонких слоев вязкой жидкости вместе с газом и использовать ее для анализа данной структуры течения;

в) на основе указанных исследований установить общий характер критериальных соотношений и некоторые частные соотношения (автомодельность, опрокидывание, границы перехода и др.) для конкретных структур течения смеси; определить возможность использования этих соотношений в методике обобщения экспериментальных данных;

г) путем систематических экспериментальных исследований гидродинамики смесей в вертикальных и горизонтальных трубах различных диаметров накопить значительный экспериментальный материал при различных физических свойствах жидкости и газа (пара), проанализировать и

ч / *) 1 ■<

обобщить его, чтобы построить физически обоснованные зависимости для определения основных гидродинамических величин при течении парогазожидкостных смесей в необогреваемых трубах;

д) исследовать влияние перехода фаз или неравновесности потока на гидродинамические характеристики течения;

е) на основе обобщенных зависимостей построить уточненные методы инженерных расчетов гидродинамики необогреваемых и обогреваемых течений парогазожидкостных смесей в трубах;

ж) создать методы расчета газожидкостных течений, основанные на непосредственном интегрировании одномерных дифференциальных уравнений, описывающих движение смесей.

Очевидно, что успешному выполнению такого комплекса исследований должно способствовать изучение внутреннего механизма течения смеси при различных структурах. Сочетание результатов исследований локальных и интегральных характеристик течения является наиболее эффективным путем получения ценных для практики результатов.

Наиболее полные экспериментальные данные о протекании процесса нестационарного истечения представлены в работах: A. Edwards, Т. O'Brien, 1970г [105]; В.С Кузеванов и др., 1977г [41]. Эксперименты, представленные в первой из перечисленных работ, проводились на трубе длиной 4,1 м и диаметром 7,3 см, заполняемой водой, после чего в ней повышались давление и температура. Стеклянный диск (диафрагма), с помощью которого герметизировался один из концов трубы, разрушался специальным ударником. Время разрушения диска составляло менее 1мкс. Остатки диска после разрушения удерживались в блоке крепления и сокращали площадь выходного сечения на 10-15 %. Температуру воды Т,К в начальном состоянии удавалось поддерживать примерно одинаковой вдоль всей трубы благодаря секционным нагревателям, покрывшим 70% внешней поверхности трубы.

■ t , 1 -л ь Vi* { л м I К <' : .t'i i1!? ',V !

j ( 1 ' M i ) 1ц i , i »и i

( f ,V >« 1 , ' t

Давление в трубе измерялось в семи точках малоинерционными датчиками давления. В одном из сечений было размещено устройство для измерения среднего объемного паросодержания. Точность показаний такого устройства оказалось невелика, ибо результат измерения существенно зависит от структуры потока.

Измерялись также осевые усилия, действующие на элементы крепления трубы. Время срабатывания датчика усилий составляло 10'4 с, что позволяло фиксировать колебательные и волновые процессы на начальной стадии истечения.

Разрушение стеклянного диска приводит к появлению в трубе двух волн разгрузки (разрежения). Первая волна разряжения движется в жидкости со скоростью Cj=103 м/с, вызывая ее вскипание. Время, за которое быстрая волна разряжения пересекает сосуд ничтожно мало по сравнению со временем истечения, на графике это видно как отвесное падение давления в начальный момент времени. После прохождения быстрой волны в сосуде устанавливается практически однородное давление, которое меньше равновесного. Это давление в течение десятых долей секунды держится постоянным, а затем начинает быстро падать, когда объемное паросодержание в трубе приближается к единице. Для процесса истечения жидкости необходимо использовать неравновесную схему с запаздыванием вскипания. Более того, при температурах, близких к критическим (Т0 «(0.57-0.97)7^), когда парообразование на имеющихся зародышевых

пузырьках происходит медленно и в волнах достигаются значительные перегревы, некоторый вклад может внести и гомогенное зародышеобразование, которое облегчается при условиях, близких к критическим.

Эксперименты по разгерметизации сосуда проводились и другими исследователями, и полностью подтверждали результаты, полученные в работе [105]. В частности, в работе O.A. Исаева, П.А. Павлова [39]

Li i* . 1< f ^ ' 1

представлены результаты опытов по резкому сбросу давления в перегретых воде и углекислоте. Исследованы поля давления после разгерметизации трубы для различных начальных температур, изменяющихся в интервале 0,57 - 0,97 от критической температуры. Обсуждается природа возникновения центров кипения.

Результаты численного исследования задачи об истечении вскипающей жидкости из труб конечной длины в равновесном приближении приведены в работах В. С Кузеванова [41], Г. В. Циклаури (1974) [90], А. И. Ивандаева, А. А. Губайдуллина (1977,1978) [18-20],[34-35], А. И. Ивандаева [33].

Б. И Нигматулиным, К. И Сопленковым (1980) [54-55] были получены теоретические результаты численным интегрированием уравнений с граничными и начальными условиями. В отмечавшихся работах указывалось на возникновение численных осцилляций, особенно вблизи выходного сечения трубы. Для подавления их использовалась процедура послойного сглаживания с применением "дифференциального анализатора" А. И. Ивандаева [35].

При рассмотрении стационарного течения двухфазной смеси из большого объема через каналы различной геометрии важной характеристикой потока является критический (максимальный) расход смеси. По определению, течение смеси считается критическим, если при фиксированных параметрах торможения и отношении расходов фаз на входе в канал невозможно добиться дальнейшего увеличения расхода смеси за счет понижения давления на выходе из канала. Соответствующий этим условиям расход называется критическим, или максимальным.

Задача о нестационарном истечении вскипающей жидкости, в частности об истечение из трубы перегретой воды после мгновенной разгерметизации трубы с одного конца, рассмотрена в работе В. В. Власова, В. Г. Грудницкого, Н. А. Попова, В. Н. Рыгалина (1991) [16]. В данной работе рассматривалось истечение парожидкостной смеси из трубы длиной четыре

метра при резком открытии правого конца трубы. На левой границе ставилось условие непротекания (скорость смеси равна нулю). На правой границе возможны граничные условия двух типов. На начальном этапе развития процесса, пока скорость истечения дозвуковая, нужно задавать на границе давление равным давлению в затопленном пространстве. При достижении потоком звуковой скорости давление на срезе трубы превышает давление в затопленном пространстве и определяется параметрами смеси в критическом сечении. В этом случае (если на правую границу из затопленного пространства не приходят ударные волны) не требуется задания дополнительных граничных условий, поскольку все характеристики приходят на границу из внутренней области.

По мере истечения смеси давление на срезе трубы падает. Когда перепад давления станет меньше критического, оба способа задания граничных условий становятся некорректными, и для продолжения расчета нужно переходить к задаче в двумерной постановке с рассмотрением течения в затопленном пространстве. Результаты расчетов были следующие. На начальном этапе решение содержит волну разрежения, бегущую по недогретой воде, которая сбрасывает давление и переводит смесь в перегретое состояние. За волной разрежения происходит процесс вскипания жидкости, приводящий к увеличению концентрации пара и уменьшению скорости звука. Начальное объемное паросодержание слабо влияет на режим течения, а концентрация зародышей в основном определяет скорость тепломассообмена и степень неравновесности смеси.

Проблема распространения нестационарных возмущений малой амплитуды в гетерогенных смесях газа с паром и каплями жидкости является одной из актуальных проблем волновой динамики дисперсных систем. И важное значение приобретают исследования по изучению влияния различных процессов на характер распространения возмущений в двухфазных газокапельных системах. Такого рода исследования были проведены и

имеются в работах Д. А.Губайдуллина (1994) [21]. Им были получены важные результаты, приведем некоторые из них:

-получена замкнутая система линеаризованных интегрально-дифференциальных уравнений движения полидисперсной парогазокапельной системы при наличии неравновесного диффузионного массообмена;

- выведено общее дисперсионное соотношение, описывающее распространение возмущений в полидисперсных парогазокапельных взвесях с любыми функциями распределения капель по размерам, справедливое в широком диапазоне частот;

- исследован процесс нестационарного волнового истечения вскипающих углеводородов из трубопроводов разных длин при различных начальных условиях.

Результаты изучения нестационарного волнового истечения жидких углеводородов, полученные Д. А. Губайдуллиным, вошли в монографию акад. Р. И. Нигматулина "Динамика многофазных сред" [56].

О. Е. Ивашнев, М. Н. Ивашнева, Н. Н. Смирнов [37] для объяснения особенностей процесса наблюдаемого в [39,105] разработали математическую модель, учитывающую разность скоростей фаз. Хотя в пузырьковых потоках она всего порядка 1 м/с, но оказывается достаточной, чтобы вызвать дробление пузырьков. Расчеты показали, что дробление протекает, как цепная реакция, то есть один акт дробления создает условия для следующих.

Далее в работе О. Е. Ивашнева, Н. Н. Смирнова [38] анализируется соответствие экспериментам по разгерметизации сосудов различных теорий образования пузырьков. Предложена теория "механической нуклеации": считается, что жидкость начинает кипеть на незначительном числе примесных частиц, а пузырьки, образовавшиеся на ядрах нуклеации, многократно дробятся за счет неустойчивости, развивающейся действием центробежных ускорений поверхности пузырька в процессе его роста.

г1,;:, ..,■,:■■•„

Ь'Щ

/ и;

ГгК>

и*

11. I

I '/ у <

-1 I <» м,1'

> I \ Ч ' : .....

■М'Ф'Р

I Н / « I , I , м

г/. • ,1

V

(7,

¿удеЬ!

(I«

В работе В. Ш. Шагапова, Г. Я. Галеевой, Р. Г. Шагаева "Об истечении вскипающей жидкости из трубчатых каналов" [92,95] рассмотрены вопросы опорожнения трубчатых каналов со вскипающей жидкостью, а также вопросы истечения парожидкостной системы из большой емкости через трубчатый насадок. Для адиабатического и равновесного течений вскипающей жидкости предложено баротропическое уравнение состояния. Определены критические условия, разделяющие начальную стадию, когда интенсивность опорожнения определяется чисто газодинамическими явлениями (инерционными эффектами и процессом адиабатического расширения) с последующим этапом, когда инерция не существенна.

В исследовании вскипания перегретых жидкостей большой вклад внес В. П. Скрипов и его ученики. Накоплен большой экспериментальный и теоретический опыт в направлении понимания процессов вскипания сильно перегретых состояний, изложенный в монографиях [6,28,59,68,69,70].

В частности, в монографии Г. В. Ермакова [28] приведены результаты исследований термодинамических свойств и кинетики распада перегретых жидкостей. Описаны экспериментальные установки для изучения уравнения состояния, изобарной теплоемкости и скорости звука, методики измерений на этих установках, сделаны оценки погрешности измеряемых величин, приведены результаты измерений.

Кроме того существует много работ посвященных экспериментальным исследованиям вскипания растворов. Например, в работе В. Г. Байдакова и др. [8] выявлены особенности зародышеобразования в растворах кислород -азот, аргон - гелий, аргон - неон. Проведены первые опыты с растворами кислород - аргон - азот и кислород - азот - гелий.

В [7] В. Г. Байдаковым, А. М. Кавериным, В. Н. Андбаевой исследована кинетика спонтанного вскипания перегретых растворов аргон - гелий и аргон ~ неон. Выделен режим гомогенной нуклеации. Обнаружено систематическое (на 0.25-0.34 К) занижение достигнутых в опыте температур перегрева по

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ялаев, Андрей Витальевич, 2013 год

Литература

1. Авдеев A.A., Майданик В.Н., Шанин В.К. Методика расчета вскипающих адиабатических потоков // Теплоэнергетика.- 1977.-№8.-С.67-69.

2. Андбаева В.Н. Фазовый переход жидкость-пар при вскипании растворов гелия и неона в аргоне. Влияние акустического поля на температуру достижимого перегрева // Тепловые процессы в технике. 2010. №1. С. 27-31.

3. Арманд A.A. Исследование механизма движения двухфазной смеси в вертикальной трубе / В кн.: Гидродинамика и теплообмен при кипении в котлах высокого давления. М.: Изд-во АН СССР. 1955. С. 21-34.

4. Арманд A.A. Сопротивление при движении двухфазной системы по горизонтальным трубам // Изв. Всес. теплотехн. ин-та.-1946.-№ 1. С. 1623.

5. Базаров И.П. Термодинамика: Учеб. для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк. 1991.-376 с.

6. Байдаков В.Г. Перегрев криогенных жидкостей. Екатеринбург: УрОРАН, 1995,264 с.

7. Байдаков В.Г., Каверин A.M., Андбаева В.Н. Перегрев и взрывное вскипание растворов аргон - гелий и аргон — неон // Вестник Казанского технологического университета. 2010. №2. С. 111-115.

8. Байдаков В.Г., Каверин A.M., Турчанинова Е.А., Андбаева В.Н. Экспериментальные исследования спонтанного вскипания перегретых растворов криогенных жидкостей // Труды 4-й РНКТ, 2006. С. 41-43.

9. Блинков В.Н., Фролов С.Д. Модель течения вскипающей жидкости в соплах // ИФЖ.-1982.-Т.42, № 5.-С.741-746.

10. Бойко В. Г., Могель Х.-Й., Сысоев В. М., Чалый А. В. Особенности метастабильных состояний при фазовых переходах жидкость - пар // Успехи физических наук. Т. 161. №2. С. 78-82.

11. Большой энциклопедический словарь. Физика. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия». М, 1998, -944 с.

12. Боришанский В.М., С.С. Кутателадзе С.С., Новиков И.И., Федынский О.С. Жидкометаллические теплоносители. Атомиздат,1967. -205 с.

13. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. -720 с.

14. Вахитова Н.К., Шагапов В.Ш. О распространении малых возмущений в парожидкостных пузырьковых средах // Прикладная механика и техническая физика. 1984, № 5. С.34-43

15. Вильсон Дж. Камера Вильсона / Пер. с англ.— М.: ИЛ, 1954. -152

с.

16. Власов В.В., Грудницкий В.Г., Попов H.A., Рыгалин В.Н. Нестационарное истечение вскипающей жидкости. Академия наук СССР. Сибирское отделение ордена трудового красного знамени институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева. Сб. трудов. Вып. 100, 1991. С .6877.

17. Гиббс Дж. В. Термодинамические работы / Пер. с англ. М.; Л.: Гостехиздат, 1950. -492 с.

18. Губайдуллин А. А., Ивандаев А.И., Нигматуллин Р.И. Исследование нестационарного истечения вскипающей жидкости в термодинамически равновесном приближении // ТВТ.1978. Т6. №3. -556 с.

19. Губайдуллин A.A., Ивандаев А.И., Нигматуллин Р.И. Нестационарные волны в жидкости с пузырьками газа // ДАН СССР.-1976. Т.226, № 6. С. 1299-1302.

20. Губайдуллин A.A., Ивандаев А.И., Нигматуллин Р.И., Хабеев Н.С. Волны в жидкостях с пузырьками. Итоги науки и техники. Механика жидкости и газа. М.: ВИНИТИ. 1982. Т.17. С. 160-249.

21. Губайдуллин Д.А. Нестационарные волны в дисперсных средах с фазовыми превращениями. Автореферат на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. - Тюмень.- 1994.- 40 с.

22. Гумеров А. Г., Шагиев Р. Г., Халлыев H. X. Аварийное истечение из наклонных участков трубопроводов сжиженных углеводородных газов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2012. №1. С. 96-102.

23. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред.- М.:-Энергоиздат, 1981. -472 с.

24. Дерягин Б. В. К теории вскипания газированной жидкости / Б. В. Дерягин, А. В. Прохоров // Коллоид, журн. - 1982. - Т. 44. - № 5. - С. 847862.

25. Дорощук В,Е. Кризисы теплообмена при кипении воды в трубах.-М.: Энергоатомиздат,1983. -120с.

26. Дорощук В.Е., Левитан Л.Л., Ланцман Ф.П. Рекомендации к расчету кризисов теплообмена в круглой трубе при равномерном тепловыделении // Теплоэнергетика. 1975. № 12. -438 с.

27. Духин С.С. Теория дрейфа аэрозольной частицы в стоячей звуковой волне. //Коллоидный журнал.-1960. Т.22. № 1. С. 28-130.

28. Ермаков Г.В. Термодинамические свойства и кинетика вскипания перегретых жидкостей, Екатеринбург: УрО РАН, 2002, 272 с.

29. Жданов С.К., Трубецков Б.А. Квазигазовые неустойчивые среды. М.: Наука. 1991.-176с.

30. Зельдович Я.Б. Химическая физика и гидродинамика.- М.: Наука, 1984.-3 74с.

31. Зельдович Я. Б. //ЖЭТФ. 1942. Т. 12. -525 с.

32. Зысин В.А., Баранов Г.А., Барилович В.А., Парфенова Т.Н. Вскипающие адиабатные потоки.- М.: Атомиздат, 1976.-152 с.

33. Ивандаев А.И., Нигматуллин Б.И. К элементарной теории критических максимальных расходов двухфазных смесей // ТВТ.-1972.-Т10,№ 5. С. 1055-1064.

34. Ивандаев А.И., Нигматуллин Б.И. Распространение слабых возмущений в парожидкостных дисперсно-кольцевых потоках // ТВТ.-1980. Т18, №2. С.359-366.

35. Ивандаев А.И., Нигматуллин Б.И. Применение модели дисперсно-кольцевого потока к расчету двухфазных критических течений // ТВТ.-1977. Т15, №3. С.573-580.

36. Ивашнев O.E. Самопод держивающиеся ударные волны в неравновесно кипящей жидкости. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Москва. 2009. -37с.

37. Ивашнев O.E., Ивашнева М.Н., Смирнов H.H. Ударные волны разряжения в потоках неравновесно кипящей жидкости // Механика жидкости и газа. 2000. №4. С. 20-33.

38. Ивашнев O.E., Смирнов H.H. Возникновение ударных волн нуклеации во вскипающей жидкости // Механика жидкости и газа. 2005. №3. С. 103-117.

39. Исаев O.A., Павлов П.А. Вскипание жидкости в большом объеме при быстром сбросе давления // ТВТ. 1980. Т. 18. №4. С. 812-818.

40. Крылов A.JL, Призволова Е.К. Численное изучение течения жидкости между вращающимися цилиндрами. Вычислительные методы и программирование // Сборник работ вычислительного центра МГУД, Изд.МГУ, 1962.-137 с.

41.Кузеванов B.C. и др. Критические условия при нестационарном истечении двухфазной среды при обрыве трубопровода // ТВТ.-1977.-Т.15, № 3. С. 589-597.

42. Куни Ф. М. Термодинамика распада пересыщенного газом раствора / Ф. М. Куни, В. М. Огенко, JL Н. Ганюк, JI. Г. Гречко // Коллоид, журн. - 1993. - Т. 55. - № 2. - С. 22-27.

43. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена,- М.: Атомиздат, 1979. -265 с.

44. Кутателадзе С.С. , Леонтьев А.И. Тепло-массообмен и трение в турбулентном пограничном слое.- М.: Энергия, 1972. -342 с.

45. Кутателадзе С.С., Миронов Б.П., Накоряков В.Е., Хабахпашева Е.М. Экспериментальное исследование пристенных турбулентных течений. - Новосибирск: Наука, 1975. - 166 с.

46. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Тепло-массообмен и волны в газожидкостных системах. - Новосибирск: Наука, 1984. - 302 с.

47. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. - М.: Энергия; 1976. - 296 с.

48. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.:Наука, 1986.736 с.

49. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.:Наука, 1973. -839 с.

50. Лопатин A.A., Гортышов Ю.Ф., Осипова В.И. Обобщение экспериментальных данных о критическом истечении двухфазного потока из осесимметричных каналов // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2011. №4. С. 50-53.

51. Мамаев В.А., Одишария Г.Э., Клапчук О.В., Точигин A.A., Семенов Н.И. Движение газожидкостных смесей в трубах. -М.: недра, 1978.-271C.

52. Миропольский З.Л., Шнеерова Р.И., Карамышева А.И. Паросодержание при напорном движении паровой смеси с подводом тепла и в адиабатных условиях // Теплоэнергетика.-1971. №5. С.60-63.

53. Невструева Е.И. Тепломассообмен в атомных энергетических установках с водоохлаждаемыми реакторами // Итоги науки итехники. Тепло-массобмен.- М.:ВИНИТИ,1978.-Т.1.-112 с.

54. Нигматулин Б.И., Сопленков К.И. К элементарной теории критического (максимального) расхода двухфазной смеси в каналах переменного сечения // ТВТ.1978.Т.16, №2. С.370-376.

55. Нигматулин Б.И., Сопленков К.И. Исследование нестационарного истечения вскипающей жидкости из каналов в термодинамически неравновесном приближении // ТВТ. 1980.-Т. 18, № 1. С.118-131.

56. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. 2. М.: Наука, 1987. -360 с.

57. Нигматулин Р.И. Методы механики слошной среды для описания многофазных смесей // ПММ. 1970. Т. 34. №6. С. 1097-1112.

58. Нигматулин Р.И., Шагапов В.Ш., Галеева Г.Я., Шагиев Р.Г. О взрывном истечении вскипающей жидкости из каналов // Доклады РАН. 1998. Т. 359. №4. С. 481-485.

59. Павлов П.А. Динамика вскипания сильно перегретых жидкостей. Свердловск: УрО АН СССР, 1988,248 с.

60.Рахматуллин Х.А. Основы газовой динамики взаимопроникающих движений сплошных сред // ПММ. 1956. Т.20, № 2. С. 184-195.

61. Рахматуллин Х.А. Газовая и волновая динамика.-М.: Изд-во МГУ,1983.-200 с.

62. Рахматуллин Х.А., Демьянов Ю.А. Прочность при интенсивных кратковременных нагрузках.- М.: Логос, 2009. -512 с.

63. Рахматуллин Х.А., Мамадалиев H.A. Двухскоростная теория обтекания тонкого профиля // ПМТФ.-1969.-№4. С. 32-36.

64. Рахматуллина И.Х. Нестационарный тепломассобмен при испарении, конденсированном росте и горении частиц или капель // Отчет №1910.-М.: НИИ «Механика», МГУ,1977. 205. С. -451.

65. Решетников А. В. Взрывное вскипание и полный развал струи перегретой воды / А. В. Решетников, В. В. Роенко, Н. А. Мажейко, В. П. Ковер да, С. П. Храмцов, К. А. Бусов, А. В. Пряничников // Тепловые процессы в технике. 2013. №7. С. 295-302.

66. Самарский А. А. Введение в численные методы. М.: Наука, 1987. -286 с.

67. Седов Л.И. Механика сплошной среды.-М.: Наука, 1970. -568 с.

68. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость.-М.: Наука, 1972. -312 с.

69. Скрипов В.П., Коверда В.П. Спонтанная кристаллизация переохлажденных жидкостей. М.: Наука, 1984, 232 с.

70. Скрипов В.П., Синицын Е. А. и др. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии. М.Атомиздат, 1980. -208 с.

71. Стырикович М.А., Полонский B.C., Циклаури Г.В. Тепломассообмен и гидродинамика в двухфазных потоках атомных электрических станций. -М.: Наука, 1982. -270 с.

72. Телетов С.Г. Исследования по общим уравнениям гидродинамики и энергии двухфазных смесей. - М.: Атомиздат.- 1970. -63 с.

73. Тихоненко Л.К., Кеворков Л.Р., Лутовинов С.З. Критические расходы горячей воды при истечении из трубы // Теплоэнергетика.-1979.-№5.-С.32-36.

74. Тихонов А.Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1972. -736с.

75. Тонконог В.Г. Термическая неравновесность потока истечения вскипающих жидкостей // Материалы докладов 2-го международного симпозиума по энергетике, окружающей среде и экономике ЭЭЭ-2, Казань, 1998, т. 1, с. 121-124.

76. Тонконог В.Г. Арсланова С.Н., Махмудов A.A. Исследование течения азота с фазовыми переходами жидкость-пар применительно к

, ! 1 ' + 104

разработке систем пожаротушения // Технический отчет КАИ. Казань, 1991,-42с.

77. Тонконог В.Г., Бакоуш А.М. Моделирование условий зарождения паровой фазы в потоке жидкости // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2006. №4. С. 47-49.

78. Тонконог В.Г., Мухачев Г.А. Критическое истечение вскипающих жидкостей в соплах. В кн.: Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации. Двухфазные потоки. Часть 4. Рига, 1986, с.67-75.

79. Тонконог В.Г., Мухачев Г.А., Муравьев И.Ф. Критический расход насыщенной и недогретой воды через каналы различной формы. Инженерно-физический журнал, 1977, т.32, №6, с.990-994.

80. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения.-М.: Мир,1972. -440 с.

81.Федоренко Р. П. Введение в вычислительную физику. — Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2008. - 504 с.

82. Фидман Б.А., Минский Е.М. Об экспериментальном определении некоторых статистических характеристик турбулентных потоков // Известия энергетического института АН СССР. Т.9, №1. 1940. С. 112-115.

83. Фидман Б.А. Применение высокоскоростной киносъемки к исследованию поля скоростей турбулентного потока // Известия АН СССР, серия география и геофизика. Т.2, № 2. 1946. С. 99-106.

84. Фисенко В.В. Критические двухфазные потоки.-М.: Атомиздат, 1978.-159 с.

85. Фольмер М. Кинетика образования новой фазы / Пер. с нем.— М.: Наука, 1986. -204 с.

86. Франкль Ф.И., Войшель В.В. Трение в турбулентном пограничном слое около пластинки в плоскопараллельном потоке сжимаемого газа при больших скоростях // Труды ЦАГИ. Вып.321, 1937. -20 с.

87. Франкль Ф.И., Карпович Е.А. Газодинамика тонких тел. -М., Л. ОГИЗ, 1948.-176 с.

I и

ы, \

х',

< Н I

( <1.

V,

Иа,1 V < ¡,'1

, А

I

. <

М-*,

4 и , ' •

' I < \

„ I |)1 > Ч '

I

и

< <

I,» »

88. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей.— Л.: Наука, 1975. -592 с.

89. Хвольсон О. Д. Курс физики. Т. 3.— Берлин, 1923. -751 с.

90. Циклаури Г.В., Данилин B.C., Селезнев Л.И. Адиабатные двухфазные течения.-М.: Атомиздат, 1973.-447с.

91. Чаплыгин С.А. Избранные труды. Механика жидкости и газа. Математика. Общая механика. М.: Наука, 1976. -496 с.

92. Шагапов В.Ш. Истечение газожидкостных и парожидкостных сред из большой емкости через щель // ТВТ. 1979. Т.17. №3. С.655-657.

93. Шагапов В.Ш. Об устойчивости пузырьковых парожидкостных сред //ПММ. 1986. Т. 50. №3. С. 516-521.

94. Шагапов В.Ш., Галеева Г.Я. Опорожнение каналов и емкостей, сопровождаемое вскипанием // ТВТ. 2010. Т. 48, №3. С. 409-418.

95. Шагапов В.Ш., Галеева Г.Я., Шагиев Р.Г. Об истечении вскипающей жидкости из трубчатых каналов. // ТВТ. 1998. Т.36. № 1. С.106-112.

96. Ardron К.Н. A two - fluid model for critical vapour - liquid flow // Int.J. Multiphase Flow.-1978.-V.4.-P.323-337.

97. Baidakov V. G. Explosive Boiling of Superheated Cryogenic Liquids / V. G. Baidakov. - Weinheim: Wiley-VCH, 2007. - 340 p.

98. Baidakov V. G. Nucleation in superheated gas-saturated solutions. I. Boiling-up kinetics / V. G. Baidakov // J. Chem. Phys. - 1999. - V. 110. - N 13. -P. 3955-3960.

99.Banarjee S., Laney R. Advances in Two-phase flow instrumentation.-In: Nuclear science and technology.- Ed.J. Becker et al, v.13, Plenum Press: 1981, p.227-414.

100. Becker R., Doring W. // Ann. Phys. 1935. V. 24. P. 712.

101.Boure J., Reocreux M. General equations of two-phase flows-applications to critical flows and to non - steady flows // 4-th All Union Heat and Mass Transfer Conf., Minsk, 1972.

102. Brenner M.P., Lohse D. Dynamic equilibrium mechanism for surface nanobubble stabilization // Physical review letters. -2008. -PRL 101. -214505.

103. Cavicchi R.E., Avedisian C.T. Bubble nucleation and growth anomaly for a hydrophilic microheater attributed to metastable nanobubbles // Physical review letters. -2007. -PRL 98. -124501.

104. Ducker W.A. Contact angle and stability of interfacial nanobubbles // Langmuir 2009. -25(16). 8907-8910.

105. Edvards A.R., O'Brien T.R. Studies on phenomena connected with depressurization of water reactions // J.Brit. Nucl. Eng. Soc. 1970. V. 9. №2. P. 125-135.

106. Hagen D. E., Kassner J. L., Jr., Miller R. C. // J. Atmos. Sci. 1982. V. 39. P. 1115.

107. Kameda N., Nakabayashi S. Size-induced sign inversion of line tension in nanobubbles at a solid/liquid interface // Chemical Physics Letters. -2008.-461.-P. 122-126.

108. Kelt G. S. //Am. J. Phys. 1983. V. 51. P. 1038.

109. Martinelli R. Heat transfer to molten metals, Trans. ASME 69 (1947). P. 949-959.

110. Poynor A., Hong L., Robinson I.K., Granick S., Zhang Z., Fenter P.A. How water meets a hydrophobic surface // Physical review letters. -2006, -PRL 97, -266101.

111. ScharrerL. // Ann. Phys. 1939. V 35. P. 619.

112. Scriven L.E. On the dynamics of phase growth // Chem. Eng. Sei. 1959. V. 10. №1. P. 1-13.

113.Stever H.G. Condensation phenomenon in high speed flows / Fundamentals of gas dynamics/ Ed. H.W. Emmons. Princeton: Univ. Press,

1958. P. 526-573 = Основы газовой динамики / Под ред. Г.Эммонса. М.: ИЛ, 1963.

114. Tyrrell J.W.G., Attard P. Images of nanobubbles on hydrophobic surfaces and their interactions // Physical review letters. -2001. -PRL 87. -176104.

115. Wallis G.B . One-dimensional two-phase flow.- New York: McGraw-Hill Book Co., 1969. P. 408.

116. Wallqvist V., Claesson P.M., Swerin A., Ostlund C., Schoelkopf J., Gane P.A.C. Influence of surface topography on adhesive and long-range capillary forces between hydrophobic surfaces in water // Langmuir 2009, 25(16), 9197-9207.

117. Wang Y., Bhushan В., Zhao X. Improved nanobubble immobility induced by surface structures on hydrophobic surfaces // Langmuir 2009. -25(16). 9328-9336.

118. Wilson С. T. R. // Phil. Trans. Ser. A. 1897. V. 189. P. 265.

119. Wismer K. L // J. Phys. Chem. 1922. V. 26. P. 301.

120. Zhang L., Zhang X., Fan C., Zhang Y., Hu J. Nanoscale multiple gaseous layers on a hydrophobic surface // Langmuir 2009. - 25(16). 88608864.

121. Zhang X.H., Khan A., Ducker W.A. A nanoscale gas state // Physical review letters. -2007, -PRL 98, -136101.

122. Zhang X.H., Quinn A., Ducker W.A. Nanobubbles at the interface between water and a hydrophobic solid // Langmuir 2008, 24, 4756 - 4764.

123. Zuber N., Staub F.W. The propagation and wave form of the vapour volumetric concentration under oscilatory conditions // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1966. V 9. P. 871-895.