Движение сверхтекучего гелия и обычных жидкостей в каналах с паром при наличии осевого теплового потока

• Автор: Королев, Павел Викторович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 176 с. : ил.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Актуальность проблемы

Цель работы

Научная новизна

Положения, выносимые на защиту

Практическая ценность

Достоверность полученных результатов

Апробация работы

Публикации

Структура и объем работы

1, ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ РАССМАТРИВАЕМЫХ ПРОБЛЕМ

1.1. Течение гелия II и обыкновенных жидкостей в капиллярах и пористых средах
1.1.1. Сверхтекучий гелий
1.1.2. Обычные жидкости
1.2. Влияние капиллярных сил на движение перемычек и капель
1.2.1. Классические жидкости
1.2.2. Сверхтекучий гелий
1.3. Выводы по Ной главе
2. СТАЦИОНАРНОЕ ЛАМИНАРНОЕ ТЕЧЕНИЕ СВЕРХТЕКУЧЕГО ГЕЛИЯ В
КАПИЛЛЯРАХ ПРИ НАЛИЧИИ ОСЕВОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
2.1. Об экспериментальной ячейке для изучения кипения Не II в невесомости
2.2. Стационарное движение гелиевой перемычки в капилляре с паром
2.2.1. Постановка задачи
2.2.2. Математическое описание
2.2.3. Определение перепада давления по длине гелиевой перемычки
2.2.4. Выражение для скорости равномерного движения гелиевой перемычки и получаемые из него следствия
2.3. Решение задачи о теплопереносе в паровой полости переменного размера
2.4. Развитие предложенного подхода для системы, состоящей из двух сосудов, соединенных капилляром

2.5. Выводы по 2-ой главе
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ПЕРЕМЫЧКИ ГЕЛИЯ II В КАПИЛЛЯРЕ
3.1. Описание экспериментальной установки и процесса ее проектирования
3.2. Определение максимальной допустимой тепловой нагрузки
3.3. Методика проведения эксперимента
3.4. Эксперимент со сверхтекучим гелием
3.4.1. Описание эксперимента и его результаты
3.4.2. Анализ результатов
3.4.2.1. Плотность теплового потока в предположении о равномерном распространении теплоты
3.4.2.2. Оценки величины теплоотдачи за счет свободной конвекции
3.5. Эксперименты с жидким азотом Результаты и их анализ
3.6. Выводы по 3-ей главе
4. НЕСТАЦИОНАРНОЕ ДВИЖЕНИЕ ПЕРЕМЫЧЕК ОБЫКНОВЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ В КАПИЛЛЯРАХ ПРИ ПОДАЧЕ ПРОДОЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
4.1. Постановка задачи
4.2. Математическое описание
4.3. Решение уравнения энергии
4.4. Решение уравнения движения
4.4.1. Случай постоянного градиента температуры
4.4.2. Случай изменяющегося с течением времени градиента температуры
4.4.3. Результаты и их анализ
4.5. Выводы по 4-ой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
А - коэффициент в формуле для градиента давления, Па/м; а - радиус капилляра, м;
В = а1/Х - число Био;
С — безразмерный коэффициент в формуле, описывающей естественную конвекцию;
С' - теплоемкость жидкости, Дж/(кг-К);
Ср'- теплоемкость жидкости при постоянном давлении, Дж/(кг-К);
Ср " - теплоемкость пара при постоянном давлении, Дж/(кг-К); с - безразмерный параметр в эмпирическом соотношении для зависимости давления насыщения от температуры, К; с - коэффициент из уравнения роста парового пузыря;
£) - диаметр сосуда, м;
£>о - диаметр сосуда, в котором находится нагреватель, м;
А - диаметр капилляра, м;
Е' - плотность потока энергии в жидкости, Вт/м2;
Е- площадь сечения капилляра, м2;
/- отношение давления нагреваемого пара к его начальному давлению;
/(6) - произвольная функция времени в формуле Дюамеля;
£ - ускорение свободного падения, м/с2;
Н - неравновесная добавка к химическому потенциалу Не II;
И - шаг по координате в конечно-разностных соотношениях;
Н' - энтальпия гелия II, Дж/(кг-К); к" - энтальпия пара, Дж/(кг-К);
/?1, к2 - высоты столбов гелия II в сосудах, м;
До - функция Бесселя нулевого порядка;
] - плотность потока массы, кг/(м2 -с);
Ь - начальная длина жидкой перемычки, м;

1.2.2. Сверхтекучий гелий
Выше рассмотрено поведение поверхностей раздела фаз при движении в капилляре столбика обычной (неквантовой) жидкости и связанные с этим эффекты. Конечно, для решения проблемы движения гелиевой перемычки крайне полезной была бы информация о том, как ведет себя в аналогичных условиях гелий II. Но, к сожалению, экспериментальные работы, посвященные движению перемычек сверхтекучего гелия в капиллярах неизвестны. Однако, существуют экспериментальные исследования капель гелия II на цезиевой поверхности [36]. Капли гелия II на поверхности являются чрезвычайно необычными объектами. Ведь хорошо известно, что сверхтекучий гелий является жидкостью смачивающей практически все вещества. Вследствие этого фактически все поверхности внутри криостатов со сверхтекучим гелием во всех экспериментах всегда покрыты его тонкой пленкой. Это означает, что капли Не II неустойчивы и немедленно растекаются, формируя гладкую непрерывную пленку по всей поверхности, отделяющую пар от твердого тела. Однако, недавние эксперименты показали, что щелочные металлы - особый класс материалов, на которых могут существовать капли гелия II. В частности, для формирования сверхтекучих капель с отчетливо различимой линией смачивания, где твердая поверхность, сверхтекучая жидкость и пар находятся в контакте, могут быть использованы подложки из цезия. В работе [36] представлены результаты непосредственных наблюдений капелек сверхтекучего гелия на цезиевой подложке, изготовленной путем конденсации из пара пятидесяти атомных слоев цезия на кварцевые или золотые поверхности.
В одном из экспериментов изучалось поведение капель сверхтекучего гелия на горизонтальной цезиевой подложке при температуре 1.16 К (см. рис. 5). Объем капли можно было увеличивать или уменьшать путем подвода или отвода гелия по капилляру, нижний конец которого находился в контакте со сверхтекучей каплей (темная полоска на изображениях). Это позволяло определять величины наступающего и отступающего углов смачивания. Когда объем капли увеличивался, контактный угол был равен приблизительно 32° и не зависел от