Гидродинамика критических течений в двухфазных системах теплового регулирования

• Автор: Бруяка, Виталий Анатольевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 135 с. : ил.

ГЛАВА 1. КРИТИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ
1.1 Физические ограничения работы тепловой трубы
1.2. Методы исследования предела по взаимодействию пара и жидкости в тепловых трубах
1.3. Течение пара в зоне конденсации тепловой трубы
1.4. Постановка задачи исследования
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРИТИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВСТРЕЧНЫХ ПОТОКОВ ПАРА И ЖИДКОСТИ В ВЕРТИКАЛЬНОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ТЕРМОСИФОНЕ
2.1. Двухфазные термосифоны. Конструкция, особенности, свойства
2.2. Математическое моделирование взаимодействия встречных потоков пара и
жидкости в термосифоне
2.3 Кризис взаимодействия встречных потоков пара и жидкости в
транспортной зоне термосифона
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРИТИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВСТРЕЧНЫХ ПОТОКОВ ПАРА И ЖИДКОСТИ В ТЕПЛОВЫХ ТРУБАХ С КАПИЛЛЯРНОЙ СТРУКТУРОЙ
3.1. Тепловые трубы с капиллярной структурой. Общая характеристика
3.2. Математическая модель взаимодействия встречных потоков пара и жидкости в тепловой трубе с сетчатой капиллярной структурой
3.3. Кризис взаимодействия встречных потоков пара и жидкости в
горизонтальной тепловой трубе с сетчатой капиллярной структурой
3.4. Тепловые трубы с канавочной капиллярной структурой
3.5. Математическая модель взаимодействия встречных потоков пара и жидкости в тепловой трубе с канавочной капиллярной структурой
3.6. Кризис взаимодействия встречных потоков пара и жидкости в
горизонтальной тепловой трубе с канавочной капиллярной структурой
ГЛАВА 4. ЛАМИНАРНОЕ ТЕЧЕНИЕ ПАРОВОГО ПОТОКА В ПЛОСКОМ КАНАЛЕ ЗОНЫ КОНДЕНСАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ
4.1. Постановка задачи
4.2. Численное решение краевой задачи
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приложение 1. Метод Ныотоиа для решения системы нелинейных уравнений
Реализация в среде Maple
Приложение 2. Исходный текст модуля, реализующего численное решение
краевой задачи о течении жидкости в канавке
Приложение 3. Реализация в Maple численного метода решения задачи о течении.
пара в плоском канале зоны конденсации
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
Одной из важнейших задач современной космонавтики является термостабилизация энергонагруженных узлов и агрегатов летательного аппарата с помощью специальных систем теплового регулирования. Тепловая труба, как устройство для передачи теплоты из одной точки пространства в другую, является конструктивным элементом такой системы. Благодаря тому, что тепловые трубы могут работать в диапазоне от -40° С до 1200° С и самых различных физических условиях, системы теплового регулирования на их основе получили широкое распространение в энергетике и ракетно-космической технике. Способ передачи больших количеств тепла, применяемый в тепловой трубе, заключается в использовании скрытой теплоты парообразования путем испарения рабочей жидкости в горячем участке замкнутого контура трубы и ее конденсации в холодном. Возврат конденсата в испарительный участок происходит по специальной капиллярной системе за счет сил поверхностного натяжения, сил тяжести или инерции.
Для определения теплопередающей способности тепловой трубы весьма важным является изучение режимов ее работы. Большое значение при этом имеет ряд существующих физических ограничений: вязкостный, звуковой, капиллярный пределы, предел по кипению и взаимодействию пара и жидкости. Наименее изученным из них является предел по взаимодействию, при котором воздействие встречного потока пара приводит к нарушению устойчивости поверхности раздела пара и жидкости и срыву капель.
Во многих видах тепловых труб движение фаз происходит таким образом, что поток пара и поток жидкости взаимодействуют друг с другом. Если тепловая нагрузка невелика, то взаимодействие потоков слабое и практически не оказывает влияния на характеристики тепловой трубы. Однако при высоких нагрузках взаимодействие пара и жидкости может существенно влиять на работу тепловой трубы и ограничивать ее теплопередающую способность.
Ограничение по взаимодействию встречных потоков пара и жидкости актуально в основном для термосифонов и тепловых труб с жидкометаллическими теплоносителями. В термосифонах встречный поток пара непосредственно контактирует с пленкой жидкости и может нарушать устойчивость ее течения. В жидкометаллических тепловых трубах воздействие паровой фазы теплоносителя на течение жидкой фазы также может быть значительным вследствие большой плотности и скорости парового потока. В литературе предел по взаимодействию фаз часто называют «кризисом взаимодействия» или «критическим режимом» течения пара и жидкости.
Еще одно ограничение эффективной работы тепловой трубы связано с возможностью образования области обратного течения пара на конденсаторном участке. При этом возрастают потери давления в потоке пара, что сказывается на теплопередающей способности тепловой трубы. Расчет течения пара в конденсаторе при наличии такой области в потоке достаточно сложен, с другой стороны, такие режимы реализуются при сравнительно небольших числах Рейнольдса, характерных для реальных условий эксплуатации.
Актуальность темы исследования. Большинство исследований по кризису взаимодействия пара и жидкости в тепловых трубах основываются на физической аналогии между нарушением устойчивости поверхности раздела фаз в тепловых трубах и в противоточных парожидкостных системах. Эмпирические критериальные уравнения, полученные для таких систем, позволяют определять скорость пара, соответствующую моменту наступления кризиса взаимодействия потоков, однако суть явления остается при этом неясной. В связи с этим необходимо иметь математические модели, которые адекватно отражали бы взаимодействие пара и жидкости, и позволяли рассчитывать соответствующие кризисные характеристики тепловых труб.
2.3 Кризис взаимодействия встречных потоков пара и жидкости в транспортной зоне термосифона
Предложенные выше модели позволяют определять средние скорости движения потоков жидкости и пара, напряжение трения на межфазной поверхности и толщину стекающей пленки жидкости для рабочих режимов работы термосифона. Одним из определяющих входных параметров этих моделей является плотность передаваемого теплового потока. Однако при моделировании критического режима течения заранее неизвестно, при какой тепловой мощности наступает кризис взаимодействия встречных потоков пара и жидкости в термосифоне. Следовательно, в математическую модель критического режима взаимодействия фаз в термосифоне необходимо включить некоторый критерий, отражающий наступление кризиса взаимодействия.
Возникающая в результате взаимодействия потоков неустойчивость границы раздела характеризуется как неустойчивость Кельвина-Гельмгольца. В качестве критерия, отражающего наступление такой неустойчивости, выберем критерий Вебера (Уе), характеризующий отношение сил инерции парового потока к силам поверхностного натяжения в пленке жидкости
цге = ЕУо^^ (2.25)

где Уотн = У"р + У*а - относительная скорость парового потока, сг - поверхностное натяжение жидкости, а -характерный размер.
На вопрос о выборе характерного размера однозначного ответа нет. На поверхности пленки при критическом режиме течения образуются волны, и многие исследователи предлагают задавать в качестве характерного размера длину капиллярной волны Л. Однако получить достоверную оценку для Л весьма затруднительно. Будем использовать в качестве характерного размера толщину пленки жидкости 5.