Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ I. Экспериментальные методы исследований и измерительная аппаратура 24
1.1. Введение 24
1.2. Разработка и апробация волоконно-оптической методики измерения мгновенной скорости потока жидкого металла 24
1.2.1. Обзор измерителей мгновенной скорости в жидких металлах 24
1.2.2. Разработка волоконно-оптической методики измерения скорости в жидких металлах 33
1.2.2.1. Принцип действия преобразователя, конструкция и методика измерения двух компонент скорости 33
1.2.2.2.Лабораторная технология изготовления волоконно-оптических преобразователей скорости жидкого металла 43
1.2.2.3. Основные характеристики волоконно-оптических преобразователей скорости 50
1.2.2.3.а. Пространственная разрешающая способность волоконно оптических преобразователей 50
1.2.2.3.6. Динамические характеристики волоконно-оптического преобразователя скорости 56
1.2.2.3.в. Влияние магнитного поля на показания волоконно оптического анемометра 61
1.2.2.3.г. Оценка влияния температуры на показания волоконно оптических преобразователей скорости 64
1.2.2.4.Вторичная аналоговая аппаратура обработки сигнала 65
1.2.2.5. Проверка работоспособности волоконно-оптических датчиков скорости жидких металлов 70
1.2.2.5.а. Краткий анализ работ по изучению поперечного МГД обтекания цилиндра потоком жидким металлом 71
1.2.2.5.6. Экспериментальная установка и рабочий участок з
1.2.2.5.в. Результаты исследований 75
1.3. Измерители давления и параметров паровых пленок 84
1.3.1. Введение. Типы датчиков давления 84
1.3.2. Разработка волоконно-оптических преобразователей давления 87
1.3.2.1 .Конструкция и принцип действия 87
1.3.2.2. Лабораторная технология изготовления волоконно-оптических датчиков давления 90
1.3.2.3.Оценка метрологических характеристик волоконно-оптических датчиков давления 92
1.3.3. Волоконно-оптические датчики для исследования характеристик паровой пленки 97
1.4. Измерители тепловых параметров и электрического контакта. Аппаратура для визуальных наблюдений 100
1.5. Заключение по разделу I 105
РАЗДЕЛ II. Исследование жидкометаллических электровихревых течений, инициированных неоднородным электрическим током 109
2.1. Введение 109
2.2. Литературное состояние вопроса
2.2.1. Обзор теоретических и расчетных исследований 113
2.2.2. Обзор экспериментальных исследований 130
2.2.3. Задача о парадоксальной спонтанной закрутке осесимметричных электровихревых течений 139
2.2.4. Выводы по обзорной главе и постановка задач исследования 142
2.3. Экспериментальные установки. Методики измерений и численных расчетов 145
2.3.1. Рабочие участки в опытах, проведенных в ИФ АН Латв. ССР 145
2.3.2. Экспериментальный стенд ОИВТ РАН 148
2.3.3. Методические вопросы по технике измерений 150
2.3.4. Методика проведения численных расчетов 156
2.3.5. Выводы по главе 2.3 163
2.4. Результаты и анализ исследований структуры электровихревых течений 164
2.4.1. Результаты и анализ исследований ЭВТ в горизонтальных цилиндрических ваннах с осесиметричным токоподводом 164
2.4.2. Результаты исследований ЭВТ в полусферической ванне с центральным электродом 174
2.4.2.1. Результаты экспериментальных исследований 174
2.4.2.1. а Результаты экспериментальных исследований ЭВТ в изотермических условиях 174
2.4.2.1.6. Результаты экспериментальных исследований ЭВТ в неизотермических условиях 180
2.4.2.2. Результаты численных исследований 191
2.4.2.3. Анализ полученных результатов. Влияние ЭВТ на процессы массопереноса и плавления 203
2.4.3. Выводы 216
2.4. Заключение по разделу II 221
РАЗДЕЛ III. Исследование механизмов вскипания недогретой воды на горячих металлических телах и жидкометаллических каплях 226
3.1. Введение 226
3.2. Современное состояние вопроса
2 3.2.1. Физические модели фрагментации капли при кризисе плёночного кипения 228
3.2.2. Обзор экспериментальных исследований 242
3.2.2.1. Экспериментальные установки 242
3.2.2.1.а. Установки с движущимся горячим телом 243
3.2.2.1.6. Установки с неподвижным горячим телом 245
3.1.2.2. Описание результатов экспериментальных исследований 249
3.2.2.2.а. Результаты визуальных наблюдений 249
3.2.2.2.6. Результаты исследований фрагментов капли 253
3.2.2.2.в. Результаты исследований температурных характеристик 254
3.2.2.2.г. Влияние состояния поверхности и физических свойств
охладителя 262
3.2.2.2.д. Результаты исследований импульсов давления и параметров паровых оболочек 265
3.2.3. Выводы и постановка задач исследований 274
3. Экспериментальные установки и методика измерений 276
3.3.1. Описание экспериментальных установок 276
3.3.2. Методика исследований и измерительная аппаратура 281
3.3.3. Методические особенности измерений
2 3.3.3.1. Методические особенности измерения давления 286
3.3.3.2. Методические особенности измерения температуры 295
3.3.3.3. Методические особенности измерений параметров контакта 296
3.3.4. Выводы 300
4. Результаты экспериментальных исследований 302
3.4.1. Результаты экспериментов с металлическими каплями 302
3.4.2. Результаты экспериментов с твёрдыми металлическими образцами полусферической формы 307
3.4.2.1. Визуальные наблюдения и видеосъемка. Общая картина процесса 307
3.4.2.2. Температурные исследования 316
3.4.2.3. Оценка параметров колебаний паровой пленки 321
3.4.2.4. Влияние посторонних частиц и газов, растворенных в охладителе 322
3.4.2.5. Характеристики пульсаций давления 325
3.4.2.6. Характеристики контакта недогретой воды с горячей поверхностью и импульсы давления 330
3.4.3. Выводы 336
5. Анализ и интерпретация полученных результатов 340
3.5.1. Анализ результатов температурных измерений 340
3.5.2. Анализ пульсаций давления и их связь с изменением объема паровой полости 348
3.5.3. Возможная схема протекания процессов соприкосновения охладителя с горячей поверхностью и температурная карта режимов фрагментации капель 351
3.5.4. Выводы 356
3.5. Заключение по разделу III 357
Заключение. Общие выводы и результаты 360
Литература
- Принцип действия преобразователя, конструкция и методика измерения двух компонент скорости
- Задача о парадоксальной спонтанной закрутке осесимметричных электровихревых течений
- Описание результатов экспериментальных исследований
- Возможная схема протекания процессов соприкосновения охладителя с горячей поверхностью и температурная карта режимов фрагментации капель
Принцип действия преобразователя, конструкция и методика измерения двух компонент скорости
Зависимость между средним на мерном участке значением скорости движения каретки и средним значением выходного электрического сигнала с волоконно-оптического преобразователя определялась следующим образом. При движении каретки закрепленная на ней мерная пластина попадала в оптический зазор фотоэлектронного устройства, состоящего из излучателя 16 и фотоприемника 77. В момент прерывания оптической связи (закрытие мерной пластиной фотоприемника) фотоэлектронное устройство генерировало электрический сигнал, с помощью которого запускался измеритель времени 12 (частотомер, работающий в режиме измерения времени) и специально разработанный электронный блок 10. Одна из функций блока 10 состояла в частотной модуляции сигнала с зонда преобразователя 3. В качестве счетчиков импульсов в паре с блоком 10 Т - время измерения, т - текущее время, а - коэффициент пропорциональности напряжение - частота. В момент выхода мерной пластины из оптического зазора также генерировался электрический сигнал, после которого прекращалось измерение времени и счета импульсов. Скорость движения определялась путем деления длины мерной пластины на время нахождения каретки в оптическом зазоре. Длина мерной пластины была равна 50.9 мм. Неравномерность хода каретки определялась экспериментально и не превышала 3 %.
В процессе калибровки преобразователь мог поворачиваться вокруг оси чувствительного элемента на угол (р. Вид зависимости относительных значений выходных сигналов с фотоприемников U = Ui I UiMaKC, где Uімакс и Ui - максимальное и текущее значения выходного сигнала, от угла ф при \w\ = const для двух каналов показаны на рис. 1.10. Как видно из рисунка, сигналы с обоих каналов преобразователя описываются синусоидальными зависимостями от угла (р, а угол между двумя парами световодов составляет Рис. 1.10. Сигналы двух каналов фотоприемников в зависимости от угла поворота преобразователя. 1 - эксперимент; 2 - расчет. Uy, усл. ед. О ( У-і 20 О АЧ\ v Од 10 v v JJ v WyX 102 ,м/с
При тарировке по найденной зависимости Uх = Uх ( р) находилось значение (р = (рмакс, при котором Uy= 0, a Ux принимало значение близкое к своему максимуму. Затем определялась зависимость Ux(wx) при р = рмакс (кривая 5 на рис. 1.8). Следует отметить, что при этой ориентации оптической системы относительно скорости набегающего потока, несмотря на отсутствие перпендикулярности (86 вместо 90 ) между двумя парами светопроводов, кривая Ux(wx) практически не отличается от истинной из-за слабой зависимости Ux от ср при ср= (рмаКс.- Значение wy задавалось с помощью поворота преобразователя на угол А(р = (р-(рмакс, причем #lsinA /9 = w , wcosA /9 = wx. Результаты измерений в диапазоне скоростей 6.0 wx 10.5 см/с, -3.2 w 3.2 см/с приведены на рис. 1.11. Представив полученные опытные данные в форме (1-13), можно видеть (см. рис. 1.12), что в указанных выше диапазонах значений wx и wy это соотношение подтверждается экспериментом.
Подытоживая вышеизложенное, отметим, что соотношения (1-12) и (1-13) могут служить основой достаточно простого алгоритма обработки сигналов волоконно-оптического преобразователя, позволяющего одновременно измерять две компоненты скорости.
Волоконно-оптические преобразователи скорости имеют относительно малые размеры и сложную конструкцию. Лабораторная технология их изготовления состоит из нескольких операций и проводится с помощью оптических микроскопов. За основу процесса изготовления преобразователей была взята лабораторная технология, описанная в работе [1.70]. Нами были усовершенствованы наиболее трудоемкие операции, связанные с изготовлением преобразователя перемещений.
В качестве материала, из которого изготавливались детали преобразователя, использовалось обычное стекло, которое технологично и обладает наилучшими с точки зрения соотношения чувствительности и динамических характеристик преобразователя физическими свойствами [1.50]. Отдельные этапы процесса изготовления преобразователя схематично показаны на рис. 1.13 - 1.19. Рис. 1.13. Схема изготовления чувствительного элемента- конуса. 1 - стеклянная трубка; 2 - нагреватель; 3 - груз. Рис. 1.14. Схема оттягивания светопроводов. 1 - светопроводы; 2 - нагреватель; 3 - груз.
На первом этапе изготавливались чувствительный элемент - конус (рис. 1.13) и четверка оттянутых светопроводов (рис. 1.14). Конус изготавливался из тонкостенной стеклянной трубки 1 с внешним диаметром 0.8 - 0.9 мм и толщиной стенки 0.1 мм. В вертикальном положении с помощью электрического нагревателя 2 трубка нагревалась до температуры плавления стекла и под действием груз Р оттягивалась на конус. Затем с помощью ножниц и специального резца из конической заготовки изготавливался усеченный конус, имеющий длину 8 мм и диаметр в узкой части 30 - 40 мкм.
Схема изготовления волоконно-оптического преобразователя перемещений. 1 -светопроводы; 2 - точечный нагреватель; 3, 5 - держатель; 4 - резец.
Волоконно-оптичекая система, состоящая из двух взаимно перпендикулярных светопроводов, была выполнена из предварительно скрепленных четырех светопроводов, каждый диаметром 150 мкм (см. рис. 1.15а). Как и в предыдущей операции, с помощью груза Р и микронагревателя 2 в вертикальном положении вся четверка светопроводов 1 оттягивалась на конус до торцевого диаметра 5 мкм (рис. 1.156).
Система регистрации перемещений указателя изготавливалась из четырех скрепленных конусообразных светопроводов в следующей последовательности. К одному из светопроводов 1 (рис. 1.15а) подводился в горячем состоянии платиновый микронагреватель 2. Затем с помощью держателя 3 нагретый светопровод изгибался на 90 относительно своей оси (рис. 1.15.6). Микронагреватель 2 и держатель 3 были закреплены на двух микрокоординатниках. Обрезка загнутого светопровода (рис. 1.15.в) осуществлялась следующим образом. С помощью микрорезца из твердотельного материала в предполагаемом месте облома загнутого светопровода делался надрез. Для того, чтобы светопровод сильно не пружинил при нанесении надреза, с противоположной резцу стороны светопровод предварительно подпирался держателем 5. Затем с помощью держателя 3 надрезанный светопровод изгибался и отламывался. Таким же образом поочередно изгибались и отламывались три другие оставшиеся светопровода.
Задача о парадоксальной спонтанной закрутке осесимметричных электровихревых течений
Проведенный анализ научно-технической литературы позволяет сделать следующие выводы по состоянию изучаемого вопроса. Системные аналитические, численные и экспериментальные исследования характеристик электровихревых течений ведутся с 70 - х прошлого столетия, главным образом, в научных центрах бывшего СССР: ИФ Латв. АН, ИМСС УрО. РАН (Пермь), Санкт-Петербургский технический университет, МГТУ им. Носова (Магнитогорск), ИЭС им. Е.О. Патона (Киев), ДонНУ (Донецк), Красноярск (КГТУ) и др. Применительно к проблемам сильноточных электрошлаковых технологий и электродугового переплава наиболее полные исследования были выполнены в Риге в научной группе под руководством Э.В. Щербинина.
Теоретические исследования, которые проводились, в основном, в стоксовом приближении, позволили в первом приближении выявить основные закономерности поведения электровихревых течений, вызванных неоднородным распределением плотности электрического тока в токонесущей жидкости. Было установлено, что в двухэлектродных осесимметричных ваннах, имеющих цилиндрическую или полусферическую форму (плавильные ванны со схожей формой имеют место в электрошлаковой сварке и электрометаллургии), ЭВТ обладают рядом общих свойств. В частности: при отсутствии азимутальной закрутки ЭВТ по своей структуре представляет собой осесимметричный тороидальный вихрь, в котором перемещение жидкости на его оси направлено в сторону от малого электрода. При достаточно больших значениях силы электрического тока / (в этих условиях параметр электровихревого взаимодействия S = JUQI /4icpv 100) значение скорости на оси V0 стремится к бесконечности. Возможное разрешение этого парадокса состоит в переходе от поступательного к спиральной форме движения струйного течения вблизи малого электрода; внешнее магнитное поле, имеющее продольную составляющую относительно оси рабочего участка, может посредством силового взаимодействия с пропускаемым электрическим током приводить к азимутальной закрутке жидкости и генерации вторичных течений уже в меридиональной плоскости. Эти вторичные вихри вращаются в противоположную сторону относительно ЭВТ и ослабляют его влияние на процессы тепломассопереноса; правомерность применения электродинамического приближения для изучения ЭВТ справедливо для значений S 10 .
Наиболее полно гидродинамические и тепловые характеристики ЭВТ исследованы с помощью численных методов. Полученные результаты подтвердили имеющиеся в литературе аналитические оценки и расширили область исследования до следующих значений безразмерных параметров: S 108, N 1500, Рг = 102 - 104, Sc = 2 - 103. Расчеты были выполнены при различных соотношениях размеров электродов (для цилиндрической геометрии 0.2 RQ/R 0.8) и относительных длинах рабочего участка. Было установлено: уменьшение отношения размеров малого и большого электродов приводит к интенсификации электровихревых течений, а увеличение глубины ванны - к переходу структуры потока с одиночным вихрем к двухвихревой системе. Гидродинамическая структура, состоящая из двух вихрей, образуется также в двухслойной модели ЭВТ; для расчета ЭВТ наиболее удобно использовать к є и к со модели турбулентности, а полученные результаты существенным образом зависят от применяемой схемы вычислений; действие внешнего продольного магнитного поля приводит к азимутальной закруткой потока, которая, в свою очередь, вызывает генерацию вторичного вихря в вертикальной плоскости при значении отношения параметров N/S 0.6 и 0.35, соответственно, для контейнеров параболической и цилиндрической формы. В рабочей ванне параболического типа при значении N/S 4.5 имеет место полное подавление ЭВТ возникшим вторичным течением; электровихревое течение интенсифицирует тепломассообменные процессы внутри рабочей ванны. Внешнее продольное магнитное поле, вследствие подавления ЭВТ, приводит к ухудшению перемешивания металла; в большинстве проведенных численных исследований нет сопоставления с экспериментальными результатами.
Экспериментальные исследования ЭВТ даже в лабораторных условиях сопряжены с существенными методическими трудностями. В опытах, выполненных применительно к изучению роли ЭВТ в электрошлаковых технологиях, в основном, измерялись: давление на стенках ванны и с помощью трубки Пито - Прандтля осевая скорость потока. Вследствие неудовлетворительных динамических характеристик эти методы измерений не позволяют всесторонне исследовать структуру ЭВТ и изучить характеристики турбулентности. Используемые в некоторых опытах датчики механического типа, хотя и обладают рядом достоинств, связанных с простотой конструкций и удовлетворительной воспроизводимостью результатов, однако, вследствие малой чувствительности и больших размеров чувствительного элемента также непригодны для измерений мгновенных значений скорости. Применение ультразвукового доплеровского анемометра (УДЗА) для измерения скорости позволило обнаружить ранее не описанные физические эффекты, связанные с устойчивостью ЭВТ и низкочастотными колебаниями вихрей. Однако, из-за недостаточного пространственного разрешения УЗДА вопрос об изучении с помощью подобного метода тонкой турбулентной структуры ЭВТ остается открытым.
Осесимметричные электровихревые течения, сходящиеся к малому электроду, обладают важной особенностью поведения - спонтанной закруткой. Этот эффект наблюдается в 145 электроплавильных процессах, однако механизм его возникновения изучен недостаточно полно. Подводя итоги, отметим, что результаты проведенного литературного обзора свидетельствуют об ограниченном объеме опытных данных, необходимых для углубленного понимания структуры ЭВТ и подтверждения достоверности результатов многочисленных расчетно-теоретических исследований. Поэтому основной задачей исследования является получение надежных экспериментальных данных по гидродинамическим и тепловым характеристикам электровихревых течений. Для выполнения поставленной задачи предполагалось: адаптировать (с использованием современных средств обработки информации) для исследования ЭВТ волоконно-оптические датчики скорости, разработанные нами и описанные в первом разделе диссертации; разработать и создать экспериментальные установки для изучения закономерностей электровихревых течений; экспериментальными и численными методами исследовать поля скорости и температуры в рабочих ваннах с цилиндрической и полусферической геометрией; изучить влияние внешних магнитных полей, включая магнитное поле Земли, а также деформации свободной поверхности расплава на гидродинамические и тепловые характеристики ЭВТ.
Описание результатов экспериментальных исследований
Совпадение опытных и расчетных данных при / 300 А с достаточным основанием позволяет предположить, что при относительно больших токах (300 I 1000 А) результаты численных расчетов также достоверны и не нуждаются в значительной корректировке вследствие влияния свободной конвекции. В пользу подобного утверждения свидетельствуют результаты специально проведенных вычислений (см. рис. 2.74), свидетельствующие, что в наших условиях можно пренебречь движением, вызванным свободной конвекцией, поскольку ее скорость на два - три порядка меньше скорости ЭВТ. Кроме того, результаты, представленные на рис. 2.74 опровергают выдвинутое в работе [2.66] предположение, что описанные в ней возвратные течения в области около малого электрода могут быть вызваны свободной конвекцией.
В реальных условиях помимо внешних магнитных полей искусственного происхождения на электровихревые течения влияют сила Кориолиса и магнитное поле Земли (см. рис .2.75). Однако, как показывают результаты элементарных оценок, выполненных в [2.58], воздействие силы Кориолиса на ЭВТ существенно слабее (на 2-3 порядка), чем влияние электромагнитной силы, связанной с относительно слабого магнитного поля Земли. Поэтому можно предположить, что процесс спонтанной закрутки расплава в осесимметричной ванне, наблюдаемой в работе [2.1], обусловлен влиянием магнитного поля Земли.
С целью дополнительного подтверждения влияния МП Земли на гидродинамику ЭВТ был проведен эксперимент по измерению скорости азимутальной закрутки в условиях максимального отсутствия электромагнитных полей искусственного происхождения. Для этого через установку пропускался относительно малый ток, равный 40 А, а для сохранения плотности тока на достаточном уровне использовался малый электрод с диаметром -0.55 мм. Как и в предыдущих опытах, электрод погружался на глубину радиуса. Горизонтальные участки токопродводов были удалены на достаточное расстояние, чтобы минимизировать влияние их МП, при этом измеренное суммарное (МП Земли и помех) значение индукции магнитного поля в области рабочего участка не превышало 60 мкТл. Магнитное поле измерялось при помощи датчика АК8975 пр-ва Asahi
Результаты проведенных экспериментально-расчетных исследований показаны на рис. 2.76, где представлен график зависимости азимутальной скорости закрутки жидкого металла от расстояния до малого электрода. Из графика видно, что полученные экспериментальные и расчетные значения азимутальной скорости достаточно хорошо согласуются друг с другом и подтверждают предположение о спонтанной закрутке расплава в осесимметричной ванне в результате силового взаимодействия рабочего электрического тока с магнитным полем Земли [2.1]. Заметим, что описанные выше опыты, по-видимому, являются первыми экспериментами, в которых прямыми измерениями доказывается влияние МП Земли на ЭВТ.
На рис. 2.77 представлены результаты вычислений для осевого магнитного поля индукцией В 1.6x10"5 Тл, т.е. значения, которое несколько меньше вертикальной составляющей магнитного поля Земли. Как видно из графика, хотя подобное поле и создает азимутальную закрутку потока, но оно не приводит к существенной перестройке ЭВТ ввиду отсутствия генерации вторичных вихрей. -W,i : 0.3O-Mfe ;. : 0.25- 0,008- _ м/с 5 мм 0,007- і 1 5 MMК }
Результаты стационарного расчета распределения по радиусу горизонтальной (азимутальной) составляющей скорости под действием продольного магнитного поля индукцией 5-1.6x10" Тл при I = 400 А и различных значениях расстояния z. На врезке показано временное развитие вертикальной составляющей скорости на различных расстояниях от малого электрода по оси рабочего участка.
В связи с последним обстоятельством было проведено численное исследование структуры ЭВТ при различных значениях тока и внешнего магнитного поля. Одной из целей проведенных вычислений было определение практически важной зависимости t = f(I, Вт), где t -время, необходимое для формирования вторичного вихря в вертикальной плоскости, Вт - индукция внешнего магнитного поля. Результаты этого исследования показаны на рис. 2.78, где область над граничными кривыми соответствует структуре потока с двумя устойчивыми вихрями.
граничной области свидетельствуют о возможности существования не двух, а трех типов режимов течений в полусферической ванне. Для первой из этих форм, наблюдаемой в эксперименте при относительно больших значениях внешнего магнитного поля и величины электрического тока, характерно преобладание вторичного вихревого течения, вызванного закруткой потока. В противоположность этому случаю в третьем режиме основным является электровихревое течение, а слабая азимутальная закрутка потока лишь приводит к незначительному снижению интенсивности движения расплава в меридиональной плоскости.
Особый интерес ввиду своей необычности представляет второй -колебательный режим существования потока в рабочей ванне, являющийся переходным между первой и третьей формами. На рис. 2.70 и рис. 2.80а представлены характерные осциллограммы вертикальной составляющей скорости Vz при токе / = 400 А и вертикальной компонентой внешнего магнитного поля индукцией В = 4x10"5 Тл. Расхождение в представленных результатах связано с применением вычислительных сеток с разными временными и пространственными шагами. Как видно из графиков, Vz периодически изменяет свое значение и направление с характерной частотой f 10" Гц. Причину обнаруженных знакопеременных пульсаций скорости можно пояснить, анализируя изменение во времени размеров вихрей во всем объеме рабочей ванны (смотри вставку на рис. 2.79). Как видно из этого рисунка, в переходной области наблюдается периодический процесс роста и уменьшения придонного вихря, коррелированного с изменением размера вихревого образования, расположенного в верхней части объема расплава. Знакопеременные периодические пульсации скорости в фиксированной точке потока возникают вследствие периодического попадания в измерительную область вихрей, вращающихся в противоположные стороны.
Возможная схема протекания процессов соприкосновения охладителя с горячей поверхностью и температурная карта режимов фрагментации капель
При измерении давления чувствительный элемент датчика обычно располагался в объеме охладителя на расстоянии нескольких сантиметров от дробящегося объекта. В качестве вторичной измерительной аппаратуры использовались либо записывающие осциллографы, либо измерительные системы, основанные на схеме АЦП - компьютер.
Как неоднократно отмечалось выше, в экспериментах использовались две принципиально разные методики проведения опытов. По одной из них сход паровой пленки с последующей фрагментацией капли расплава инициировался внешней волной давления, вызванной, например, взрывным разрушением тонкой проволоки под импульсным воздействием протекающего через неё значительного электрического тока. Во втором случае, представляющим основной интерес для наших исследований, дробление капли происходило самопроизвольным случайным образом.
Характерный вид пульсаций давления, сопутствующих процессу спонтанной фрагментации медной горячей капли, падающей в холодную воду [3.33], показан на рис. 3.24. При анализе графика, представленного на этом рисунке, акцентируем внимание на следующих важных моментах. Во-первых, процессу интенсивного роста давления предшествуют (опережение составляет 9.8 мс и 5.4 мс) два этапа деформации жидкометаллической капли [3.33], связанные с выбросом из нее струй расплава и последующей за этим полной фрагментации капли (т.е. процесс дробления предшествует моменту образованию максимального импульса давления!). Отметим, что наблюдаемые в работе [3.33] жидкометаллические струи характерны лишь для опытов, выполненных с медными каплями. Во-вторых, максимальное значение амплитуды пульсаций давления составляло 1 МПа, а длительность пакета импульсов (которые на рис. 3.24 вследствие недостаточного временного разрешения оси абсцисс графика представлены одним импульсом) около 1 миллисекунды. В-третьих, как видно из графика, после достижения максимума давление падает и остается постоянной отрицательной величиной (т.е. в воде около датчика фиксируется область разрежения), причем величина давления по модулю в этой области может быть больше (а в пиковой области, существенно больше) одной атмосферы. Наблюдаемый эффект не согласуется с общепринятыми физическими представлениями, а полученные опытные данные требуют дополнительной методической проверки.
В [3.68] (одной из наиболее цитируемых в мире экспериментальных работ по дроблению капли) опыты по фрагментации расплава оксидов железа в 268 воде были выполнены как с использованием, так и без применения (т.е. в условиях спонтанного диспергирования) внешнего импульса давления. Одна из характерных осциллограмм пульсаций давления, полученных в этих экспериментах, представлена на рис. 3.25. Одновременно с измерением давления в опытах велась скоростная видеосъемка процесса фрагментации, что позволило определить размеры парового пузыря (смотри рис. 3.26а, б) в процессе его коллапса и соотнести их с пульсациями давления. Вследствие методических трудностей, возникающих при исследовании спонтанных процессов, синхронизированные исследования были выполнены лишь в экспериментах с внешним импульсом давления, вызванным взрывом нагретой тонкой проволоки под действием импульса электрического тока.
Представленные опытные данные свидетельствуют о качественном различии в механизмах дробления в условиях его спонтанного протекания и инициированного внешним источником. Если в первом случае фрагментация предшествует процессу возникновения интенсивного импульса давления, то во втором эти два процесса происходят одновременно. Поэтому нельзя исключить возможности, что внешний импульс давления может, одновременно с разрушением паровой пленки, самостоятельно привести к фрагментации жидкометаллической капли под действием, например, акустических эффектов, происходящих в объеме горячей капли [3.64].
Осциллограмма давления, соответствующая процессу взрывного взаимодействия расплава с охладителем (см. рис. 3.25), имеет характерную длительность 10 мс и состоит из нескольких пакетов импульсов, разделенных между собой миллисекундными интервалами. Характерный временной интервал внутри отдельного пакета - несколько десятков микросекунд. Амплитуда знакопеременных импульсов давления может достигать значений свыше 10 атмосфер, причем их отрицательная составляющая может значительно превышать (по модулю) атмосферное давление. Дополнительно отметим два важных момента. Во-первых, на начальном временном этапе импульс давления по неясным причинам имеет отрицательное значение (смотри врезку на рис. 3.25). Во-вторых, можно предположить, что колебания давления с характерным миллисекундным временным интервалом, связаны с изменением размеров пузырей, образующихся возле нагретой капли при коллапсе паровой оболочки. Физическая интерпретация причин пульсаций давления с характерной частотой 105 Гц вызывает определенные затруднения. Возможно, эти колебания обусловлены возбуждением («подзвоном») чувствительного элемента пьезоэлектрического датчика на характерной для него резонансной частоте, которая, вследствие своего высокого значения, трудно поддается экспериментальному определению.
На основании полученного видеоматериала были определены размеры образующихся пузырей и прослежена их эволюция во времени (см. рис. 3.26а). На рис. 3.266 показана временная зависимость размеров пузыря, сгенерированного при импульсном нагреве тонкой проволочки (этот процесс служит триггерингом фрагментации капли). Как видно из представленных графиков, которые синхронизированы по времени, в опытах наблюдается несколько колебаний объема парового пузыря. Импульсы пульсаций давления совпадают по времени с резким изменением размеров парового пузыря, причем максимальное значение амплитуды давления соответствует этапу схлопывания паровой полости. Амплитуда пульсаций давления, вызванных разрушением паровой полости, увеличивается с ростом ее максимального диаметра (см. рис. 3.27а), а процесс фрагментации капли не наблюдался в условиях, когда инициирующая ударная волна имела амплитуду менее 0.5 МПа (см. рис. 3.276).