Термоакустические автоколебания при поверхностном кипении жидкости в каналах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.06, кандидат физико-математических наук Ассман, Владимир Александрович

• Ассман, Владимир Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 1985

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ассман, Владимир Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Автоколебания давления при кипении в каналах; их свойства.

1.2. Существующие представления о механизме автоколебаний при поверхностном кипении в каналах

1.3. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА- ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОКОЛЕБАНИЙ В КАНАЛАХ И НЕКОТОРЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАМЕЧАНИЯ.

2.1. Экспериментальная установка.

2.2. Методика проведения опытов.

2.3. Представление результатов. Погрешности измерений

2.4. Волны давления при пульсациях паровой фазы в канале

ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И МЕХАНИЗМ АВТОКОЛЕБАНИЙ ПРИ

КИПЕНИИ В КАНАЛАХ.

3.1. Характерные свойства и признаки автоколебаний; их взаимосвязь с излучением звука при кипении

3.2. Корреляция пульсаций давления и паросодержания в канале при автоколебаниях.

3.3. Механизм автоколебаний в канале

3.4. Автоколебания в канале как самовозбуждающиеся стоячие волны - ССВ. Динамика ССВ, механизм ограничения и срыва.

3.5. Частотный спектр и структура поля ССВ. вывода.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ КИПЕНИЯ И ПАРАМЕТРОВ КАНАЛА НА

ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОКОЛЕБАНИЙ.

4.1. Влияние недогрева, скорости и давления жидкости-теплоносителя на область существования и параметры автоколебаний

4.2. Влияние геометрических размеров канала и материала нагревателя на характеристики автоколебаний

4.3. Особый случай автоколебаний при больших паросодержаниях в среде

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Термоакустические автоколебания при поверхностном кипении жидкости в каналах»

В связи с развитием таких областей техники, как атомная энергетика, ракетная техника, электроника СВЧ и других возникла необходимость охлаждения элементов конструкций, работающих при высоких тепловых нагрузках. Наибольшая интенсивность теплоотдачи может быть достигнута при поверхностном кипении жидкости-теплоносителя, протекающей по каналам охлаждения устройства. Однако теплообмен в таких условиях имеет особенность, которая может препятствовать его применению - он нередко сопровождается устойчивыми высокочастотными пульсациями давления в канале -/I/, имеющими характер автоколебаний (АК). Их частоты лежат в диапазоне от сотен герц до десятков килогерц, а амплитуда достигает половины значения статического давления в жидкости. Колебания с такими параметрами нарушают нормальную работу устройств, а в некоторых случаях приводят к усталостному разрушению каналов охлаждения. Все сказанное делает понятным внимание, уделяемое в последнее время исследованию свойств и механизма таких автоколебаний.

Несмотря на большое число работ, посвященных высокочастотным термоакустическим автоколебаниям в каналах с кипением, их свойства изучены недостаточно - экспериментальные результаты разных исследователей зачастую плохо согласуются между собой. Отсутствует также единая точка зрения на механизм генерации АК, а, следовательно, и научно обоснованные методы управления ими (в отличие от случаев апериодической и низкочастотной неустой-чивостей гидравлической природы в канале, способы подавления которых хорошо разработаны). Все это обусловило необходимость выполнения предлагаемой работы.

Целью работы является всестороннее экспериментальное исследование термоакустических автоколебаний при поверхностном кипении в каналах и построение физической модели явления.

В работе исследованы характерные признаки и свойства термоакустических автоколебаний в каналах с кипением; взаимосвязь автоколебаний с объемными пульсациями как отдельных пузырей пара в процессе поверхностного кипения, так и интегральной паровой фазы (паросодержания в среде). Предложена модель термоакустического механизма автоколебаний, учитывающая возмущающее влияние звукового давления на процессы испарения и конденсации при кипении. Модель обоснована результатами специальных опытов, позволивших обнаружить синхронные со звуковым давлением возмущения тепловых потоков в двухфазной среде в канале, а также найти фазовые соотношения между колебаниями различной физической природы в процессе АК. Рассмотрены причины и объяснен механизм искусственного срыва автоколебаний. Проанализированы акустические свойства двухфазной неравновесной среды при кипении с недогревом. Исследованы особенности формирования специфического кратночастотного спектра АК. Уточнено влияние условий кипения и параметров канала на характеристики автоколебаний; при этом обнаружена и исследована их разновидность, отличающаяся низкой стабильной частотой.

На защиту выносятся следующие положения:

I. Экспериментальное обнаружение возмущений теплоподвода к среде в канале и тепловыделения в ней с частотой акустических колебаний. Нахождение амплитудно-фазовых соотношений между колебаниями различной физической природы (звукового давления, объемного паросодержания и тепловых потоков в среде) в процессе АК.

2. Предложение и обоснование модели термоакустического механизма автоколебаний в каналах, учитывающей возмущение процесса кипения полем давления.

3. Определение акустических свойств неравновесной парожид-костной пузырьковой среды при кипении с недогревом, важнейшим из которых является ее активность.

4. Экспериментальное нахождение и объяснение взаимосвязи пространственной структуры поля давления в канале и частотного спектра автоколебаний.

5. Экспериментальное обнаружение и исследование низкочастотной разновидности термоакустических АК; объяснение причин ее появления.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на IX и X Всесоюзных акустических конференциях (Москва, 1977 и1983 гг), на 1-м и 2-м научно-технических семинарах "Акустические методы исследования процесса кипения и гидродинамика двухфазных потоков" (Киев, 1978 и 1981 гг.), на совещании-семинаре 4 "Высокотемпературный теплообмен в динамике сплошных сред" (Ставрополь, 1978 г.), на У1 Всесоюзной конференции по тепломассообмену (Минск, 1980 г.), на научных семинарах кафедры акустики МГУ (1979 г.) и лаборатории волновых явлений ИОФАН СССР (1984 г.).

Заключение диссертации по теме «Акустика», Ассман, Владимир Александрович

ВЫВОДЫ

1. Экспериментально наблюдалась последовательность акустических эффектов в канале в пределах области пузырькового кипения. Выделены характерные признаки исследуемых автоколебаний.

2. Показано, что однократные пульсации отдельных пузырей в процессе кипения, так же, как и периодические колебания объемного паросодержания в среде, не являются непосредственной причиной автоколебаний.

3. Развита модель термоакустического механизма автоколебаний. Она обоснована обнаруженными в опыте пульсациями теплового потока от нагревателя, а также тепловыделения в жидкости с частотой АК.

4. Рассмотрена модель неравновесной двухфазной среды при кипении, объяснившая в линейном приближении происхождение ее активности и изменение упругости.

5. Экспериментально исследована динамика АК - их возбуждение, установление и затухание при заданных пульсациях мощности теплоподвода. Опыт служит иллюстрацией анализа механизма АК и свойств среды, и дополняет его.

6. Исследован процесс искусственного срыва автоколебаний. Он осуществлен введением в канал дополнительной газовой фазы. Механизм срыва объяснен на основе модели АК.

7. Экспериментально обнаружен одномодовый режим возбуждения автоколебаний с одновременной генерацией широкого кратно-частотного спектра. Показано, что причиной такого режима является сильная упругая нелинейность среды. Неоднородность свойств среды вдоль канала приводит к соответствующему изменению как длины, так и амплитуды стоячей волны.

8. Экспериментально показано, что канал с коротким участком обогрева представляет собой сложный резонатор, в котором одновременно возбуждаются две связанные моды - нелинейная активная и линейная пассивная - что приводит к усложнению частотного спектра автоколебаний.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ КИПЕНИЯ И ПАРАМЕТРОВ КАНАЛА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОКОЛЕБАНИЙ

Известно, что условия кипения в канале существенно влияют на характеристики АК - область существования, амплитуду, частоту; однако имеющиеся данные разрозненны, не всегда согласуются и недостаточно подробны - см.§ I.I. В данной главе решается задача детального экспериментального исследования зависимости свойств АК от условий кипения и параметров канала, а также их объяснения на основе предложенной термоакустической модели АК.

Анализ результатов будет проведен с использованием известных закономерностей для процесса кипения (зависимостей области существования и механизма теплоотдачи от режимных и геометрических параметров) - / I, 89-93, 101-106/, а также на основе развитой в гл.З модели автоколебаний - в частности, найденного соотношения для амплитуды установившихся АК - формула 3.16. Следует учесть также изменения коэффициента отражения от границ канала с двухфазной средой - формула 2.7. Отметим, что строгая теория кипения до сих пор отсутствует; и что изменение одного из параметров кипения или канала может влиять одновременно на несколько коэффициентов в выражении 3.16 - причем для этих зависимостей зачастую отсутствуют количественные соотношения. Поэтому анализ будет носить качественный характер. Заметим также, что изменение условий может влиять на область АК как непосредственно, так и за счет движения границ области кипения, внутри которой существуют автоколебания.

4.1. Влияние недогрева, скорости и давления жидкости-теплоносителя на область существования и параметры автоколебаний.

I. Наиболее существенным фактором, определяющим возникновение АК при пузырьковом кипении в каналах, является недогрев основной массы жидкости до температуры насыщения дТнеЭ • Большинство исследователей отмечает, что при отсутствии недогрева (при насыщенном кипении) АК не возникают - см. § I.I. Этот факт легко объяснить на основе термоакустического механизма АК: при насыщенном кипении для вынужденной конденсации пузырей в жидкости необходим импульс давления большой амплитуды / 69 /, при этом затраты энергии превышают ее поступление за счет выделения тепла при конденсации. Напротив, в случае недогрева жидкости происходит непрерывная самопроизвольная конденсация пузырей и выделение тепла в жидкости; акустическое поле лишь управляет этим процессом - затраты энергии незначительны.

Увеличение недогрева приводит к росту критических значений

Гт-1 Н тепловой нагрузки (J* и перегрева (температурного напора) Д 1 - /I/. Соответственно, должна отодвинуться верхняя граница АК и повыситься их максимальный уровень. Следствием роста недогрева является также уменьшение паросодержания в среде X (при неизменном теплоподводе ^ ) - поскольку процесс кипения локализуется вблизи поверхности нагрева. Соответственно растет скорость звука в среде с и снижаются потери fj (по двум причинам - из-за уменьшения поглощения в среде и улучшения акустических границ - см. формулу 2.7). В соответствии с выражением 3.16 это должно приводить к повышению уровня АК, а также к облегчению их возникновения (расширению области АК в сторону малых значений ).

Сводные данные по влиянию недогрева на характеристики АК (для двух сочетаний параметров Р и W ) приведены на рис. 4.1. Как видно, значения верхних границ АК - по тепловым потокам а и перегревам лТ - быстро растут с увеличением дIнеЭ . Так, граница по (J, смещается примерно в 2 раза при увеличении дТцвэ в 2 * 2,5 раз. При больших недогфевах нижние границы области АК и кипения близки; последняя линейно зависит от дТнеэ . Напротив, при малых дТнеЪ ( < 60 + 80 К) с его уменьшением область АК быстро сужается; при дТце& <40 * 45 К и других неблагоприятных факторах (случай а) АК не возникают.

Из рис.4.1 следует, что величина недогрева существенно влияет на паросодержание - скорость звука С увеличивается, несмотря на рост . Значительно возрастает максимальный уровень АК - в 3 + 4 раза при увеличении дТнеэ в 2 * 2,5 раз.

Из зависимостей для перегрева дТ следует, что АК возникают при достаточной развитости процесса кипения - об этом свидетельствуют существенно положительные значения дТ , соответствующие началу АК. (Как отмечалось в § 2.3, наблюдаемые "отрицательные" средние по длине нагревателя перегревы являются следствием неоднородности условий по длине канала и неразвитости кипения - оно первоначально возникает на конце нагревателя, близком к выходу из канала). Это объясняется тем, что коэффициент К в выражении 3.16 мал в случае неразвитого кипения, когда значительна доля конвективной теплоотдачи - последняя не вносит вклад в АК-систei^y (см.§§ 3.3 и 3.4).

Полученные зависимости хорошо согласуются с данными других авторов - см.§ I.I.

Графики на рис. I и 2 Приложения подробно демонстрируют влияние теплового потока ^ на параметры акустического сигнала

1 Р дБ гма», и О

-5

-10 -15 с/с.

0,7 0,5

0,3 0,1 q,МВт/м1 16

12 8 О дТ,К 40

1 / о -в - 1 -1 •-2 •- 1 -3 -А

S3 \ \xv

О- 1—»- \ v

I—в

Л/

50 75 100 дТн«э,К

5) :;

Рис. 4.1. Влияние недогрева жидкости на область существования АК по тепловым потокам ^ и перегревам дТ , а также на максимальный уровень АК ртях и среднюю скорость звука'в среде С/с0 . Кривые соответствуют: I » началу кипения, 2 - возникновению АК, 3 - максимальному уровню АК, 4 - затуханию АК, Заштрихованы области существования АК.

Условия: а) Р= 0,2 МПа, иг= I м/с; б) Р = 0,35 МПа, Ы = 2,5м/с, Т в канале при различных значениях недогрева А I иеъ. Как видно, А периодическая составляющая в спектре звукового давления существует практически во всей области кипения, поскольку оно происходит в канале-резонаторе. При малых и неразвитом кипении - это резонансный I максимум (см.§ 3.1); с увеличением ^ возникают собственно АК. Поначалу они маскируются щумом кипения (пологий участок кривой р (<р при небольших (j, ), затем становятся сравнимыми с ними, после чего наблюдается одновременный рост £ и fa .С этого момента АК явно проявляют себя; он отмечен на графике рис.4.1 как начало АК. Разность уровней р и а ' р,, в случае интенсивных АК обусловлена не столько шумом кипения, сколько большим числом высших гармоник в спектре звукового давления (см.§ 3.1). Поэтому с ростом ^ и уровня колебаний эта разность может увеличиваться.

Из рис.1 и 2 Приложения следует, что с увеличением недогрева растет не только максимальный уровень АК, но и их уровень при неизменном значении тепловой нагрузки (J, - что подтверждает приведенный выше анализ.

Отметим также следующие эффекты: при малом недогреве (рис. 1а) АК зарождаются, но быстро затухают, оставаясь все время значительно ниже уровня щума кипения. Последний, в свою очередь, сначала быстро растет, а затем медленно спадает с ростом На рис.2 (а также на рис.5) видно, что интенсивные АК задерживают уменьшение скорости звука с ростом теплоподвода С^ ; напротив, перед срывом АК их частота быстро падает. Это свидетельствует о влиянии АК на свойства среды в канале - см.§ 3.4.

2. Зависимость параметров АК от скорости вынужденного движения жидкости-теплоносителя W (или массового расхода ^ ) определяется в значительной степени ее влиянием на процесс кипения и теплообмена в канале. Повышение скорости жидкости задерживает начало кипения, поскольку теплоотдача от поверхности обеспечивается вынужденной конвекцией; после возникновения кипения конвективная теплоотдача продолжает играть заметную роль при сравнительно небольших ^ , конкурируя с теплоотдачей за счет парообразования. Поток жидкости влияет также на параметры цузырей - их максимальный размер Ro и характерное время жизни Tl уменьшаются с ростом W - /103/. Уменьшается также толщина пристенного перегретого слоя. Увеличение ОаГ в некотором отношении эквивалентно увеличению недогрева - теплообмен интенсифицируется, паросодержание падает. Принципиальное отличие

- в росте конвективной составляющей

Область кипения с увеличением скорости жидкости смещается в сторону больших тепловых нагрузок. При этом верхняя граница движется из-за интенсификации теплоотдачи, нижняя - из-за задержки начала кипения.

На рис.4.2 представлены сводные данные, характеризующие влияние скорости потока на область существования и максимальную амплитуду АК, а на рис.3 Приложения - серия зависимостей р , ,

•fот q, при различных значениях 1хГ . Из них следует, что область существования АК смещается в сторону больших тепловых потоков (и меньших паросодержаний в среде); при этом она несколько расширяется. Однако это расширение не столь значительно, как при увеличении дТц^ (рис.4.1). Верхняя граница области по CJ, смещается всего в 1,5 4- 2 раза при увеличении скорости в 8 + 18 раз. Более значительно относительное смещение нижней границы - что естественно, поскольку влияние потока проявляется заметнее при неразвитом кипении - /I/. Об улучшении теплоотдачи ск = С^/дТ с ростом можно судить по весьма слабой зависимости ДТ= дТсч>

- см.рис.4.2.

Pmax.36 О

-5 с/с.

07 0,5

0,3 0,1 аЩ rF

АО 20 О

-20 -АО

9-1 • -3 в — 2 ® -А аг-—Г

2,5 а)

0 w,m/c б)

Рис. 4.2. Влияние скорости движения жидкости в канале на области существования АК по тепловым потокам и перегревам дТ , а также на максимальный уровень АК р^лх и среднюю скорость звука с среде с/Cq . Кривые соответствуют: I - началу кипения, 2 -возникновению АК, 3 - максимальному уровню АК, 4 - затуханию АК. Заштрихованы области существования АК.

Условия: а) Р = 0,2 МПа, Т* = 303 К ( дТНгЭ = 90 К); б) Р = 0,32 МПа,Тж = 303 К, ( дТнеЭ = 106 К). j

Как видно, максимальный уровень АК мало зависит от скорости

- р^ду возрастает на 3 + 4 дБ (примерно в 1,5 раза) при изменении to- в 8 т 18 раз - несмотря на рост теплоподвода (J, и уменьшение паросодержания (рост скорости звука С ). Это факт объясняется отмеченным выше увеличением доли конвективного теплообмена, который не вносит вклада в АК-систему - коэффициент в выражении 3.16 уменьшается. По этой же причине происходит увеличение задержки возникновения АК относительно начала кипения -см. рис.4.26 и рис.3 Приложения.

По рис.3 отметим также следующие эффекты. Уровень шума турбулентного потока жидкости, регистрируемый до начала кипения, велик при больших значениях № - серии (д) и (е). I (резонансный) максимум на кривых ^ = р((Сср отсутствует как при очень малых, так и при больших W - что вызвано нарушением условия резонанса 1 J^C = -f^ (см.§ 2.4) из-за изменения значения t"

- /103/. В представленной серии опытов сильно проявилось обратное воздействие звуковых колебаний АК на параметр среды - скорость звука в ней (кривые -f = -f, ).

Итак, из опытов следует, что движение жидкости (в отличие от недогрева) не является фактором принципиально необходимым для возникновения АК - их высокий уровень сохраняется при весьма малых скоростях потока.

3. Влияние давления Р на генерацию АК проявляется более гр сложно, чем параметров л! неэ и ьг . Известно, что повышение i—p давления (как и перегрева д I ) приводит к увеличению числа действующих центров парообразования, более интенсивному перемешиванию жидкости в пристенном слое (микроконвекция) и увеличению теплоотдачи о( - /I/. Повышается критическая плотность теплового потока. Уменьшается максимальный размер пузырей R0 и время их жизни t - /104/, следствием чего является уменьшение объемного паросодержания в среде. Одновременно с давлением растет и недогрев жидкости (из-за повышения температуры насыщения) , что приводит к наложению эффектов.

Таким образом, следует ожидать, в основном, положительного влияния давления Р на возбуждения АК - из-за повышения значения С (его роль рассмотрена выше), увеличения относительной поверхности конденсации пузырей (вызванного ростом их числа при одновременном уменьшении размеров), а также из-за повышения значения недогрева жидкости. (Увеличение поверхности конденсации, в соответствии с моделью АК - § 3.3, приводит к повышению эффективности термоакустического механизма. Таким образом, модель объясняет и положительное влияние накипи на генерацию АК - /18/, § X.X: накипь также увеличивает площадь поверхности пузырей). Поэтому в опытах по влиянию Р на АК задавались "неблагоприятные" значения других параметров - повышена температура жидкости Тж (рис.4.3 и рис.4 Приложения), увеличена скорость ее движения пАг (рис.5 Приложения).

Как следует из рис.4.3, представляющего сводные данные, увеличение давления Р , действительно, облегчает появление автоколебаний - значения тепловых потоков ^ начала кипения и АК сближаются; автоколебания возникают даже в области неразвитого кипения - соответствующее значение дТ меньше нуля. (Некоторая задержка начала кипения с увеличением Р обусловлена ростом недогрева).

При малых давлениях Р с его ростом наблюдается значительное расширение области АК по CJ, - в основном, из-за повышения верхней ее границы. Одновременно растет и максимальный уровень АК - что согласуется со сделанными предложениями. Однако,

Рис. 4.3. Влияние статического давления на области существования АК по тепловым потокам ц и перегревам дТ , а также на максимальный уровень АК ртах и среднюю скорость звука в паро-жидкостной среде. Показано также изменение недогрева жидкости дТнеэ • Кривые соответствуют: I - началу кипения, 2 - возникновению АК, 3 - максимальному уровню АК, 4 - затуханию АК. Заштрихованы области существования АК.

Условия: -UT = I м/с, Т* = 333 К. при более высоких давлениях такая тенденция нарушается. Причиной этого является, по-видимому, идентичное влияние на процесс теплоотдачи при кипении значений давления Р и перегрева лТ , (а, следовательно, и теплового потока ^ ) - с их увеличением растет доля теплообмена, обеспечиваемого микроконвекцией, которая не вносит полезного вклада в АК-систеь^у. Поэтому коэффициент К в уравнении 3.16 уменьшается - несмотря на улучшение теплоотдачи (значение с^ = CJ,/дТ растет - см. рис.4.3). Такое уменьшение К компенсирует положительное влияние роста скорости звука т

С и уменьшения недогрева Л IнеЭ . Этот эффект, однако, проявляется лишь при высоких тепловых нагрузках . В области же малых и средних рост давления положительно влияет на параметры АК - увеличивает скорость их нарастания Ър , а также средний по области существования АК уровень колебаний - см. рис.4 Приложения.

Серия на рис.5 Приложения отличается увеличенным значением скорости потока жидкости - из-за этого возникновение АК задерживается, область АК по ^ смещена вверх. Эта серия, как и предыдущая,демонстрирует положительное влияние Р на АК: увеличение их максимального уровня, скорости нарастания др/д<р , увеличение среднего уровня АК в пределах их области по , а также расширение этой области. Сильно выражено влияние давления на скорость звука в среде, а также обратное воздействие на нее акустических колебаний (кривые -f4 = -f4 ().

В обеих сериях (рис.4 и 5) детально прослеживается противоположное влияние давления на уровни I (резонансного) максимума на кривых - pj (<р (а также шума кипения - кривые р = р Ц,) ) и П-го максимума - автоколебаний, что свидетельствует об их различной природе (см.§ 3.1).

Таким образом, экспериментальные данные по влиянию недогрева, скорости и давления жидкости в канале на параметры АК в целом согласуются с данными других авторов - § I.I. Получены новые сведения - в частности, об изменении скорости звука в среде в пределах области АК, а также о соотношении автоколебаний с шумом кипения и резонансными колебаниями в области неразвитого кипения. Основные закономерности объяснены на основе модели термоакустического механизма АК.

4.2. Влияние геометрических размеров канала и материала нагревателя на характеристики автоколебаний

В обзоре отмечалось, что конструкция и геометрические размеры каналов охлаждения - как реальных, так и используемых в эксперименте, существенно различаются. Поэтому представляет интерес исследовать влияние параметров канала на характеристики автоколебаний. Анализ удобно проводить, используя выражение для амплитуды АК 3.16, в которое непосредственно входят геометрические размеры канала.

Влияние изменений длины канала Ц и длины участка обогрева (нагревателя) i на автоколебания исследовано как раздельно , так и совместно: в опытах варьировалась длина нагревателя L при постоянном значении L , и длина канала L при постоянных L или <L/L .В последнем случае можно применять соотношение 3.16 непосредственно, поскольку при его выводе положено

L/L = I - при этом подводимая к каналу мощность N^ffditj, пропорциональна L .

В таблице 4.1 приведены данные по влиянию длины канала L на область существования АК по тепловым потокам ^ , их максимальный уровень, а также на скорость звука в среде; отношение

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны экспериментальные методики комбинированного исследования автоколебательного процесса в канале. Создана установка, позволившая реализовать такие методики.

2. Экспериментально выделены характерные признаки исследуемых автоколебаний; отмечены сопутствующие им акустические явления другой природы.

3. Исследована пространственная и временная корреляция звукового давления и пульсаций локального объемного паросодержания в среде. Сделан вывод о пассивной роли последних в процессе генерации АК. Обнаружены и измерены высокочастотные пульсации температуры нагревателя в канале, свидетельствующие о глубоком возмущении процесса теплоотдачи при возникновении автоколебаний.

4. Предложена модель термоакустического механизма автоколебаний при поверхностном кипении в канале, объясняющая их генерацию пульсациями тепловыделения в жидкости, синхронными со звуковым давлением. Положительная обратная связь по давлению заключается в увеличении скорости конденсации пузырей в волне сжатия - при этом жидкости сообщается теплота фазового перехода.

Экспериментальная проверка модели АК показала существование высокочастотной температурной волны в жидкости вблизи кипящего слоя. Фаза колебаний тепловыделения в жидкости удовлетворяла критерию Рэлея термоакустической генерации.

5. Исследован механизм искусственного срыва автоколебаний. В соответствии с моделью АК, основная его причина - понижение скорости звука в среде.

6. Рассмотрена в линейном приближении модель двухфазной пузырьковой среды при кипении с недогревом, которая соотносит ее акустические свойства (упругость и активность) с наблюдаемыми в опыте пульсациями паросодержания и тепловыделения в поле давления.

7. Изучены особенности формирования частотного спектра автоколебаний. Исследована пространственная структура поля давления в канале; обнаружен одномодовый режим возбуждения автоколебаний с одновременной генерацией широкого кратночастотного спектра. Показано, что причина такого режима - сильная упругая нелинейность парожидкостной среды в канале.

8. Исследовано влияние условий кипения и параметров канала на область существования и характеристики автоколебаний. Полученные закономерности объяснены на основе предложенной модели явления.

Обнаружен и исследован особый случай низкочастотных автоколебаний. Его появление объяснено увеличением проницаемости акустических границ канала при больших паросодержаниях в среде - что приводит к выходу стоячей волны давления за пределы канала.

В заключение считаю своим приятным долгом выразить благодарность профессору Е.И.Несису за научное руководство данным исследованием и доценту Б.М.Дорофееву за внимание к работе и полезное обсуждение результатов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ассман, Владимир Александрович, 1985 год

1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. -4-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоиздат, 1981.- 416 с.

2. Кафенгауз Н.Л., Федоров М.И. Возникновение ВЧ-колебаний давления при теплообмене с диизопропилциклогексаном. ИФЖ,1966, т.II, * I, с.99-101.

3. Кафенгауз Н.Л., Федоров М.И. О разрушении труб ВЧ-колебания-ми давления, возникающими при теплообмене. Атомная энергия,1967, т.23, № 2, с.147-148.

4. Кафенгауз Н.Л., Федоров М.И. Исследование высокочастотных колебаний давления, возникающих при теплоотдаче к воде. -Теплоэнергетика, 1968, № I, с.47-49.

5. Кафенгауз Н.Л. О связи кризиса теплообмена с высокочастотными автоколебаниями давления. ИФЖ, 1969, т.17, № 4, с.725-729.

6. Васьянов В.Д., Кафенгауз Н.Л., Лебедева А.Г. и др. О механизме термоакустических автоколебаний. ИФЖ, 1978, т.34, № 5, с.773-775.

7. Аладьев И.Т., Дышель Н.Н., Кафенгауз Н.Л. Влияние теплообмена на скорость звука в турбулентном потоке жидкости. -ТВТ, 1981, т.19, № 5, с.1108-1111.

8. Fuge R. Untersuchung des Siedegerausches bein unterkuhlten Sieden. Rossendorf bei Dresden, gentralinstitut fur Kernforschung, 1967, Zfk-134.- 43S.

9. Fuge R. Die Eigenschwingungen des Blasen-Flussigkeits -Gemisches Beim unterkuhlten Sieden.-: Dissertation.- Dresden, 1969, Zfk-167.- 49S.

10. Fuge R. Eigenschwingungen des Blasen-Fliissigkeits Gemisches beim unterkuhlten Sieden.- Kernenergie, 1970, Bd.13, H.8,1. S.245-253.

11. Hayama~ S. Self-excited standing wawe generated boiling. -В ull JSME, 1967, v.10, No 37, p.132-141.

12. Герлига 6.A., Морозов И.И., Накозин В.Н. 0 высокочастотных пульсациях в обогреваемых каналах. ТВТ, 1968, т.6, № 4, с.721-725.

13. Герлига В.А., Прохоров Ю.Ф., Шмаков А.А. О звуковых колебаниях в обогреваемых каналах. ТВТ, 1971, т.9, № 5, с.1084--1086.

14. Герлига В.А., Присняков В.Ф. 0 звуковых колебаниях в кипящих каналах. В сб.: Гидродинамика. Твердое тело. - Днепропетровск: ДГУ, 1971, с.125-136.

15. Герлига В.А., Прохоров Ю.Ф., Сытин В.Г. 0 влиянии накипи, отлагающейся в обогреваемых каналах, на процесс высокочастотных колебаний давления. Теплоэнергетика, 1972, № 9, с.88-89.

16. Герлига В.А., Морозов И.И., Прохоров Ю.Ф., Шмаков А.А. Стоячие волны в каналах с поверхностным кипением. В сб.: Динамика гидравлических систем. - Челябинск: ЧПИ, 1972, вып.115, с.100-105.

17. Герлига В.А., Прохоров Ю.Ф. Некоторые особенности теплообмена с водой при поверхностном кипении. В кн.: Тепло- и массо-перенос. - Минск: ИТМ0 АН БССР, 1972, т.2, ч.1, с.159-163.

18. Герлига В.А., Прохоров Ю.Ф. Механизм возникновения термоакустических колебаний при докритических давлениях. Изв.АН СССР: Энергетика и транспорт, 1974, № 6, с.125-134.

19. Прохоров Ю.Ф., Герлига В.А. Влияние входного недогрева жид-сти на характеристики термоакустических колебаний давления в каналах. В сб.: Динамика гидравлических систем. - Челябинск: ЧПИ, 1976; вып.180, с.29-32.

20. Прохоров Ю.Ф., Герлига В.А., Прохоров М.Ф. Влияние растворенного газа на термоакустические колебания давления в обогреваемых каналах. В том же сб., с.33-36.

21. Герлига В.А., Ветров В.И. Экспериментальное исследование термоакустических колебаний в обогреваемых каналах при сверхкритических давлениях. Изв. вузов: Авиационная техника, 1978, * I, с.31-36.

22. Кичигин A.M., Кесова Л.А. 0 возникновении звуковых колебаний при переходе от поверхностного кипения к пленочному. Изв. вузов: Энергетика, 1966, № 8, с.114-117.

23. Каплан Ш.Г., Толчинская Р.Б. Возникновение высокочастотных колебаний давления в процессе теплообмена при вынужденном движении жидкости. ИФЖ, 1969, т.17, № 3, с.486-490.

24. Несис Е.И., Дорофеев Б.М. Акустический метод исследования кипения (обзор). В сб.: Исслед. по физ. кипения /Под ред-Е.И.Несиса. - Ставрополь: СГПИ, 1972, вып.1, с.3-19.

25. Дорофеев Б.М., Четвериков Е.И. Исследование при помощи подвижного гидрофона автоколебаний давления в канале с поверхностным кипением. В том же сб., c.III-121.

26. Несис Е.И. Кипение жидкостей. М.: Наука, 1973, - 280 с.

27. Дорофеев Б.М., Четвериков Е.И. Параметрически возбуждаемые акустические автоколебания в каналах с кипящим теплоносителем. В сб.: Докл. УIII Всесоюзн.акуст.конф. (Секция Р). -М.: АКИН, 1973, с.64-67.

28. Несис Е.И. Параметрический резонанс и его возникновение в кипящей жидкости. В сб.: Исслед. по физ. кипения. - Ставрополь: СГПИ, 1974, вып.2, с.3-17.

29. Несис Е.И. Взаимосвязь между тепловыми и акустическими характеристиками пузырькового кипения. В том же сб.,с.26-35.

30. Дорофеев Б.М., Четвериков Е.И. Исследование параметрически возбуждаемых волн давления в каналах с кипящим теплоносителем. В том же сб., с.18-25.

31. Дорофеев Б.М. Экспериментальное исследование влияния стоячих волн давления на теплообмен при кипении в каналах. В сб.: Исслед. по физ. кипения. - Ставрополь, СГПИ, 1975, вып.З,с.46-58.

32. Несис Е.И., Дорофеев Б.М. О высокочастотных колебаниях давления в трубе с поверхностно кипящим потоком. ТВТ, 1976, т.14, № I, с.132-138.

33. Федоров М.И. К расчету гармонических колебательных процессов, возникающих в жидкостях при теплообмене их с нагретыми стенками каналов. ИФЖ, 1973, т.25, № 2, с.217-226.

34. Хмара В.А., Манкеев В.И., Войцеховский В.И. Акустические пульсации давления при кипении охлаждающей жидкости причина усталостного разрушения теплонагруженных элементов ЭВП. - Электронная техника: сер. Электроника СВЧ, 1974, № 6, с.78-81.

35. Фомичев В.М. Условия возбуждения акустических колебаний в обогреваемом канале. В сб.: Вопросы атомной науки и техники: сер. Динамика ядерных энергетических установок. - М.: ЦНИЙатоминформ, 1974, вып.1(5), с.33-38.

36. Дрижюс М.-Р.М., Шкема Р.К., Шланчяускас А.А. Цульсации давления в тепловыделяющих каналах в условиях поверхностного кипения. Тр.АН Лит.ССР: сер. Б, тЛ(98), 1977, с.77-81.

37. Дрижюс М.-Р.М., Кайрис О.П., Шкема Р.К. Пульсации температуры стенки тепловыделяющих трубок при поверхностном кипении воды. Тр. АН Лит.ССР: сер. Б, т.6(115), 1979, с.79-85.

38. Синицын А.Т. Обоснование акустической природы механизма улучшения теплообмена при сверхкритических параметрах теплоносителя. В кн.: Нелинейные волновые процессы в двухфазных средах. - Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1977, с.337-346.

39. Stewart Е., Stewart Р,, Watson A. Thermo-acoustic oscillations in forced convection heat transfer to supercritical pressure water.- Int. Journ Heat Mass Transfer, 1973, v.16, p.257-270.

40. Ветров В.И., Шамин B.H. Частоты термоакустических колебаний, возникающих в обогреваемых каналах при сверхкритических давлениях теплоносителей. В сб. тр. ЧПИ. - Челябинск: ЧПИ,1979, вып.273, с.41-46.

41. Раушенбах Б.В. Вибрационное горение. М.: Физматгиз, 1961.500 с.51.3арембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. М.: Наука, 1966,- 519 с.- 176

42. Chu В.Т.Stability of sistems coutaining a heat sourcc-the Rayleigh criterion.- NACA Res. Memo. 56D27,1956.

43. Chu B.T. Analysis of self-sustained thermally driven noulinear vibration.- Physics fluids, 1963, v.6, No 11, p.1638-1643.

44. Maling G.C. Simplified Analysis of the Bijke phenomenon.-JASA, 1963, v.35, No 7, p.1058-1060.

45. Feldman K.T. Rewiew of the literature on Sondhauss and Rijke thermoacoustic phenomena.- Journ. Sound and Vibr., 1968, No <7(1), p.71-89.

46. Кильчинская Г.А., Проценко О.П. Термоакустические автоколебания в газовом объеме с внутренним источником теплоподвода. -Прикладная механика, 1981, т.17, № 3, с.117-121.

47. Бэтчелор Г.К. Волны сжатия в суспензии газовых пузырьков в жидкости. Механика, 1968, т.109, № 3, с.65-84.

48. Муди Ф. Модель критического режима течения двухфазной смесии скорости звука, основанная на механизме распространения импульса давления. Теплопередача, 1969, т.91, № 3, с.84-101.

49. Ван Вейнгарден Л. Одномерные течения жидкостей с пузырьками газа. В кн.: Реология суспензий. - М.: Мир, 1975, с.68-103.

50. Заболотская Е.А., Солуян С.И. Об одной возможности усиления акустических волн. Акуст. Ж., 1967, т.13, * 2, с.296-298.

51. Заболотская Е.А., Солуян С.И. Излучение гармоник и комбинационных частот воздушными пузырьками. Акуст. Ж., 1972, т.18, № 3, с.472-474.

52. Заболотская Е.А. Генерация второй гармоники звуковой волны в жидкости с равномерно распределенными воздушными пузырьками. Акуст. ж., 1975, т.21, № 6, с.934-937.

53. Накоряков В.Е., Соболев В.В., Шрейбер И.Р. Длинноволновые возмущения в газожидкостной смеси. Изв. АН СССР: МЖГ,1972, № 5, с.71-76.

54. Покусаев Б.Г., Корабельников А.В., Прибатурин Н.А. Волны давления в жидкости с пузырьками пара. В кн.: Волновые процессы в двухфазных средах /Под ред.В.Е.Накорякова. - Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1980, с.20-46.

55. Гончаров В.В., Наугольных К.А., Рыбак С.А. Стационарные возмущения в жидкости, содержащей пузырьки газа. ПМТФ, 1976, » 6, с.90-96.

56. Остроумов Г.А., Дружинин Г.А., Крячко В.М., Токман А.С. Нелинейные явления при распространении акустических волн в пористых средах. В сб.: Тезисы докл. 6-го Международного симпозиума по нелинейной акустике. - М.: МГУ, 1975, с.166-169.

57. Борисов А.А., Гельфанд Б.Е., Губайдулин А.А. и др. Усиление ударных волн в жидкости с пузырьками пара. В кн.: Нелинейные волновые процессы в двухфазных средах. - Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1977, с.67-74.

58. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука; 1973. - 496 с.71.руденко О.В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. М.: Наука, 1975. - 288 с.

59. Handbook of Physics/ Ed. by E.U.Condon.- N.Y.: Mc Graw-Hill book, 1958.- 1485 p.

60. Скучик E. Основы акустики: Пер. с англ./Под ред.Л.М.Лямшева. М.: Мир, 1976, т.1. - 520 с.

61. Ультразвук: Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.

62. Харкевич А.А. Автоколебания. М.: Физматгиз, 1953. - 265 с.

63. Рабинович М.И. Автоколебания распределенных систем. Изв. вузов: Радиофизика, 1974, т.17, № 4, с.478-510.

64. Ананьев А.А. Керамические приемники звука. М.: Изд-во АН СССР, 1963. - 178 с.

65. Боббер Р. Гидроакустические измерения: Пер. с англ./Под ред. А.Н.Голенкова. М.: Мир, 1974. - 364 с.

66. Методика поверки измерительных гидрофонов. МИ 9-74. М.: Изд-во Гос. ком. стандартов, 1975. - II с.

67. Дорофеев Б.М., Ассман В.А. Калибровка гидрофонов, применяемых при исследовании шума кипения. В сб.: Исслед. по физ. кипения. - Ставрополь: СГПИ, 1976, вып.4, с.52-60.

68. Якушев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарных температур. Л.: Энергия, 1967. - 299 с.

69. Таблицы физических величин: Справочник. /Под ред. И.К.Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. - 1008 с.

70. Ассман В.А., Дорофеев Б.М. Экспериментальное исследование термоакустических автоколебаний при кипении. В сб.: Исслед. по физ. кипения. - Ставрополь: СГПИ, 1976, вып.4, с.36-46.

71. Дорофеев Б.М., Ассман В.А., Сологуб И.С. Некоторые вопросы, связанные с возбуждением термоакустических автоколебаний в каналах с кипением. В сб.: Исслед. по физ. кипения. -Ставрополь: СГПИ, 1979, вып.5, с.36-46.

72. Кичигин A.M., Повстень С.Г. Влияние давления и недогрева на характер шума при кипении жидкости в большом объеме. В сб.: Теплофизика и теплотехника. - Киев: Наукова думка, 1972, вып.21, с.92-95.

73. Тонг Л. Теплоотдача при кипении и двухфазном течении. М.: Мир, 1968. - 344 с.

74. Снайдер Н., Робин Т. Модель массопереноса при пузырчатом кипении в недогретой жидкости. Теплопередача, 1969, № 3,с.122-134.

75. Джад Р., Хуан К. Модель теплоотдачи при кипении в большом объеме, учитывающая испарение микрослоя. Теплопередача, 1976, т.96, № 4, с.96-102.

76. Сорокин Д.Н. Модель процесса теплообмена при пузырьковом кипении. ТВТ, 1977, т.15, № 4, с.828-832.

77. Plesset M.S. The contribution of latent heat transport in subcooled nucleate boiling.- Int. Journ. Heat Mass Transfer, 1978, v.21, No 6, p.725-734.

78. Ибрагимов M.X., Субботин В.И., Бобков В.П. и др. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах. -М.: Атомиэдат, 1978. 296 с.

79. Исакович М.А. Нелинейные эффекты в некоторых задачах акустики. Акуст.ж., I960, т.6, » 3, с.321-325.96.3арембо Л.К. К вопросу о вынужденных колебаниях конечной амплитуды в трубе. Акуст. ж., 1967, т.13, * 2, с.298-300.

80. Воронина Л.С., Зарембо Л.К. 0 вынужденных конечных колебаниях слоя с комплексным граничным импеданцем. Акуст. ж., 1975, т.21, № 3, с.378-381.

81. Островский Л.А. 0 разрывных колебаниях в акустическом резонаторе. Акуст. ж., 1974, т.20, * I, с.140-142.

82. Канер В.В., Руденко О.В. К теории нелинейных колебаний в акустических резонаторах. Акуст. ж., 1977, т.23, № 5, с.756-764.

83. Малых Н.В. Стоячие волны во вскипающей жидкости. В кн.: Теплообмен при фазовых превращениях /Под ред.С.С.Цутателад-зе. - Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1983, с.103-109.

84. Ю1.Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. -М.: Машгиз, 1952, 164 с.

85. Юб.Миропольский З.Л., Факторович Л.Е. Обобщение экспериментальных данных о влиянии обогреваемой длины канала на критические тепловые потоки. ДАН СССР, 1961, т.141, * 6, с.721-730.

86. Дорофеев Б.М. Звуковые явления при кипении.- Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 1985.- 88 с.