УДК 536.423.1
ЗАМЕТКИ О НЕКОТОРЫХ АСПЕКТАХ ПАРОВОГО ВЗРЫВА
© 2008 г. Ю. А. Зейгарник, Ю. П. Ивочкин, В. С. Григорьев, А. А. Оксман
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва Поступило в редакцию 16.11.2007 г.
PACS 44.35.+С
Проблеме парового взрыва уделяется пристальное внимание уже в течение почти полувека. Общее число публикаций по данному вопросу составляет многие десятки наименований, из которых в силу ограниченности объема данной статьи следует выделить обзорные работы [1-4]. Надо сказать, что в целом сегодня понимание этого достаточно многопланового и многостадийного процесса со сложными обратными связями между подпроцессами достаточно высокое. Тем не ме-
нее обсуждение механизмов триггеринга (инициирования) "цепного" процесса интенсивного парообразования, который собственно и приводит к паровому взрыву, т.е. очень быстрому нарастанию давления в замкнутом объеме, и тонкой фрагментации (дроблению) крупных фракций горячей жидкости, которая обеспечивает это парообразование, продолжается и поныне. Это объясняется следующими обстоятельствами. Во-первых, возможных механизмов этих процессов
скорее всего несколько и в зависимости от конкретных условий, в которых протекает реальное событие, в наибольшей степени проявляется один из них. Во-вторых, каждый из этих процессов, возникнув, сильно стимулирует развитие другого. Эта "сопряженность" процессов триггеринга и тонкой фрагментации существенно затрудняет выделение индивидуальных, специфических черт каждого из них, привносит неопределенность в их описание даже в рамках феноменологических подходов.
В такой ситуации источником уточнения старых и появления новых идей обычно служит эксперимент. Если говорить о рассматриваемой проблеме, то подавляющее большинство имеющихся надежных опытных результатов, в том числе новых [5], пригодно лишь для формирования представлений о процессе парового взрыва в целом, т.е. без выделения быстропротекающих подпроцессов триггеринга и тонкой фрагментации. Характерные времена этих подпроцессов составляют микросекунды, в лучшем случае - десятки микросекунд. Их описание может быть основано лишь на результатах высокоскоростных киносъемок или измерений давления быстродействующими датчиками.
Использование высокоскоростной кинофотосъемки, даже в сочетании с вторичной электронной аппаратурой, циклически обновляющей запись в памяти устройства, требует жесткой приборной синхронизации времени съемки с моментами триггеринга и фрагментации. Такая синхронизация технически достижима при внешнем (искусственном) триггеринге [5], тогда как при внутреннем (спонтанном) триггеринге сегодня она может быть реализована лишь случайно. Но даже если такие снимки удается получить, они не обеспечивают однозначной трактовки зафиксированных на них явлений. Как правило, воспроизводится общая картина процесса, не позволяющая достаточно уверенно расшифровать поведение жидкости на участках ее локального контакта с горячей поверхностью, имеющих малую протяженность (миллиметры). Картина затеняется паровыми образованиями, развивающимися на соседних участках, присутствуют оптические эффекты, вызванные наличием межфазных поверхностей и переменной плотностью жидкости, связанной со значительными градиентами температуры. Иными словами, технические сложности реализации сфокусированной съемки, которая обеспечивала бы однозначное толкование наблюдаемых эффектов, до конца не преодолены.
Лучшие из использовавшихся в экспериментах датчики давления имеют резонансную частоту порядка сотен килогерц. Например, у прецизионных пьезодатчиков фирмы ЮвНег она составляет 400 кГц. Заметим, однако, что измерения без ис-
кажений могут быть гарантированы лишь на частотах, не превышающих примерно 10% от значений резонансной частоты. Таким образом, можно заключить, что даже лучшие датчики обеспечивают надежные измерения за времена того же порядка или даже более продолжительные, чем время протекания наблюдаемых явлений. Тем самым записываемые с их помощью данные об изменении давления, сопровождающего процессы триг-геринга и тонкой фрагментации, неточны и имеют в известной степени допустимый качественный характер. Более того, волна давления, достигшая чувствительного пьезоэлемента такого датчика, претерпевает несколько последовательных отражений от его тыльной и лобовой поверхностей. Этот эффект может породить появление последовательных затухающих знакопеременных сигналов, частота следования которых превышает резонансную частоту датчика и соизмерима с характерными временами исследуемых процессов. Иными словами, сигналы, возникнув благодаря исследуемым процессам, могут не отражать их реальные характеристики.
В итоге объем объективных данных сильно сужается и предлагаемые механизмы триггеринга и тонкой фрагментации горячей жидкости в значительной степени вынужденно остаются в приближении максимально правдоподобных предположений.
Рассмотрим сначала в рамках такого подхода один из возможных механизмов тонкой фрагментации. Известно, что если тело подвергается воздействию импульсных растягивающих деформаций, то от его приповерхностного слоя происходит откол мелкомасштабных фрагментов. При коротких импульсах это в равной мере справедливо как для твердых, так и для жидких тел. Заметим, что, как отмечается в [6], удельная работа отрыва при динамической фрагментации жидких тел более чем в 103 раз превышает величину поверхностного натяжения жидкости. Это связано с отсутствием в жидкости предварительно накопленных дефектов.
В рассматриваемой нами ситуации растягивающие деформации в "крупном" исходном фрагменте горячей жидкости возникают при касании его поверхности холодной жидкостью (возможные факторы, способствующие такому касанию, будут рассмотрены ниже). Согласно оценкам [7] локальные тепловые потоки при прогреве холодной жидкости до температуры предельного перегрева Т*, когда происходит ее резкое вскипание в результате интенсивного образования флуктуа-ционных зародышей пара [8, 9], имеют большие значения, превышая на начальной стадии этого процесса 10 МВт/м2. Соответствующие сжимающие усилия, вызванные развивающимися значительными градиентами температуры, порождают
волну сжатия в капле. Эта волна в результате отражения от поверхности капли и взаимодействия с другими волнами в случае неравноосного сжатия при касании горячей капли холодной жидкостью в нескольких точках возвращается к поверхности капли как волна разрежения. Последняя вызывает поверхностную фрагментацию. Начальная деформация сжатия определяется произведением градиента температуры (функция теплового потока) в приповерхностном слое и толщины охлажденного слоя, которая нарастает во времени. Характерное время подобного "одиночного" процесса - микросекунды, а некой весьма вероятной совокупности таких процессов - десятки микросекунд. В [10], исходя из энергетических соображений, дается оценка размеров фрагментов, образовавшихся в результате этих процессов.
Авторы настоящей статьи полагают описанный выше механизм тонкой фрагментации наиболее вероятным. Тем не менее следует отметить, что существует ряд иных гипотез механизма тонкой фрагментации, которые отвечают сформулированному выше условию максимального правдоподобия. В частности, к ним следует отнести гипотезу "захвата" горячей жидкостью капелек холодной жидкости с последующим вскипанием последних и дроблением окружающего капли исходного горячего фрагмента [2].
Как отмечалось выше, характерное время развития процессов, реализующих тонкую фрагментацию горячей жидкости - микросекунды. Оно хорошо коррелирует с характерным, составляющим десятки микросекунд временем прогрева микронных пограничных слоев холодной жидкости, пришедшей локально в соприкосновение с фрагментом горячей жидкости. Быстрый прогрев жидкости обеспечивает повышение ее температуры до температуры предельного перегрева, и лишь только тогда происходит взрывное флуктуационное вскипание жидкости без активации центров парообразования, если таковые имеются на поверхности горячей капли.
Следует отметить важную роль смачивания горячей поверхности холодной жидкостью, пришедшей с ней в соприкосновение. Высокая смачиваемость способствует удержанию жидкости на поверхности, приближая условия вскипания к условиям гомогенной нуклеации в метастабиль-ной жидкости [8, 11]. Окисленные металлические поверхности смачиваются лучше, чем неокислен-ные. Следовательно, глубокое "проникновение" в метастабильное состояние и взрывное флуктуационное вскипание на таких поверхностях более вероятны.
Взрывное вскипание порождает акустические эффекты - импульсы давления. Можно полагать, что эти эффекты, вызванные резкой сменой режимов кипения на перегретых твердых и жидких
поверхностях, схожи. Основные измерения проводились на твердых моделях, где их легче технически реализовать.
Согласно полученным данным [12] вскипание воды на перегретых модельных полусферических твердых образцах диаметром 10 мм сопровождается импульсом давления примерно в 0.1-0.8 МПа. Измерения давления осуществлялись через отбор на торцевой поверхности полусферы. Зачастую взрывная смена режимов кипения ведет к выбросу струй (смесь жидкости и мелких пузырьков) или отдельных пузырьков размером в единицы-десятки микрометров в объем холодной жидкости. Там происходит конденсация паровой фазы, сопровождающаяся импульсом разрежения [7]. По своим акустическим эффектам данное явление во многом подобно кавитации, даже чисто звуковые эффекты (воспринимаемые на слух щелчки) схожи.
Возникающие при резком вскипании, а затем при конденсации эжектируемых паровых пузырьков акустические эффекты фиксируются датчиками давления как пакеты импульсов длительностью несколько миллисекунд. Эти эффекты стимулируют разрушение паровой пленки на соседних крупных фрагментах, обеспечивают воспроизведение уже свершившегося на исходном фрагменте сценария событий. Тем самым при благоприятных геометрических, концентрационных и режимных условиях стимулируется "цепное" развитие явления. По сути дела, для соседних крупных горячих фрагментов эти акустические эффекты выступают в роли внешнего триггеринга проце
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.