Эволюция температурных возмущений при кипении криогенных жидкостей на тепловыделяющей поверхности

• Автор: Стародубцева, Ирина Петровна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 110 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Обзор литературы, состояние вопроса.
1.1. Переходные процессы при кипении жидкости в условиях свободной
конвекции
1.2. Особенности развития кризисных явлений при кипении в стекающих пленках жидкости
ГЛАВА 2. Численное моделирование эволюции локальных очагов пленочного кипения.
2.1. Постановка задачи, численная модель
2.2. Влияние граничных условий во фронте на тепловую устойчивость
и эволюцию температурного возмущения
2.3. Эволюция и тепловая устойчивость одномерных и двумерных очагов
пленочного кипения
2.4. Влияние нестационарного характера теплообмена в окрестности
границы смены режимов кипения на динамику развития и устойчивость
очагов пленочного кипения
ГЛАВА 3. Особенности эволюции температурных возмущений на
тепловыделяющих поверхностях при пленочном течении жидкостей.
3.1. Тепловая устойчивость сухих пятен и развитие кризиса в стекающих пленках жидкости
3.2. Краевые эффекты. Особенности эволюции очагов на ограниченных поверхностях
3.3. Динамика повторного смачивания перегретой поверхности
стекающей пленкой жидкости
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Исследования динамики развития переходных процессов при кипении, в том числе сопровождающихся наступлением кризисных явлений на теплоотдающей поверхности являются предметом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований. Пузырьковое кипение жидкости - один из наиболее эффективных способов отвода тепла от тепловыделяющей поверхности. В процессе кипения, вследствие возникновения по разным причинам температурных возмущений, на теплоотдающей поверхности появляются зоны с различными режимами кипения. В результате на поверхности развиваются переходные процессы, определяющие эволюцию зон с ухудшенным теплообменом (очагов пленочного кипения). Кризисы гашения жидкостей происходят за счет смены режимов кипения с существенно отличающимися интенсивностями теплообмена. Переход от одного режима к другому осуществляется за конечное время, которое определяется скоростью распространения очагов и линейным масштабом , характеризующим среднее расстояние между очагами, возникающими под влиянием различного рода флуктуаций. Время перехода является существенным параметром для расчета технических устройств. Знание таких характеристик как устойчивость и скорость распространения очагов пленочного режима кипения на тепловыделяющей поверхности важно в криогенных жидкостях в связи с необходимостью охлаждения сверхпроводящих устройств. Возникновение очагов пленочного кипения и их распространение вдоль теплоотдающей поверхности резко ухудшает теплообмен, приводит к перегреву поверхности нагревателя, зачастую к его разрушению.
Аналогом очагов пленочного кипения в стекающих пленках жидкости являются сухие пятна, образующиеся в предкризисных режимах. Плёночные течения жидкостей (в том числе криогенных) широко используются в различных технологических процессах для интенсификации тепломассопереноса. Испарение в тонких плёнках жидкости обеспечивает при малых расходах и низких температурных напорах высокую

интенсивность теплообмена. Испарители с плёночным течением жидкостей находят широкое применение в дистилляционных установках, в крупномасштабных аппаратах по ожижению природного газа. Перспективным является использование тонких пленок жидкости в системах охлаждения микроэлектронного оборудования. Актуальной является проблема создания эффективных компактных пленочных систем охлаждения высокопроизводительных графических процессоров, быстродействие и срок жизни которых в существенной мере зависят от эффективности отвода рассеиваемой мощности. При достижении определенных тепловых потоков в стекающей по охлаждаемой поверхности пленке жидкости развиваются кризисные явления, приводящие к полному осушению теплоотдающей поверхности и ее неконтролируемому разогреву. В подобных ситуациях необходимо надежное предсказание величины критического теплового потока, которое требует выявления фундаментальных закономерностей возникновения и развития кризиса в стекающих пленках жидкости. Исследование теплообмена при кипении и испарении криогенных жидкостей, ряд свойств которых существенно отличается от свойств высокотемпературных жидкостей (чистота, хорошая смачиваемость, небольшой температурный напор предельного перегрева, близкие к нулю краевые углы смачивания), важно для углубления понимания изучаемых процессов, служит способом проверки
существующих модельных описаний теплообмена и развития переходных и кризисных явлений. Необходимость построения модели распространения фронта смены режимов теплоотдачи обусловлена важностью выявления закономерностей распространения критического температурного
возмущения в теплопередающей стенке при возникновении
соответствующих кризисных условий.
Целью работы является: исследование методами численного
моделирования тепловой устойчивости и эволюции температурных возмущений на тепловыделяющих поверхностях с различными

Краевые условия определяются симметрией в центре очага пленочного кипения и неизменностью температуры нагревателя на бесконечности:
= 0. (2.1.2)
х=0,са
Необходимо отметить, что уравнение в случае двумерного дифференциального оператора имеет особенность в точке г=0, что следует' учесть при построении разностной схемы. Вследствие симметрии и ограниченности решения формулируется граничное условие:
= 0. (2.1.3)

Начальное температурное возмущение моделируем функцией в виде ступеньки, сглаженной экспоненциально в области высокоинтенсивного теплообмена. Максимальная температура достигается в центре очага.
Пузырьковое кипение < ><
Рис. 2.1.2. Начальное
Пленочное Пузырьковое
кипение кипение

-//2(т) +//2(т)
распределение температуры, т=0.