Неисчерпаемые проблемы теплообмена
Аннотация
Рассмотрены проблемы теплообмена, изучавшиеся последние пять лет на кафедре инженерной теплофизики. В процессах теплообмена жидких металлов в условиях подавления турбулентности магнитным полем обнаружены режимы с низкочастотными температурными пульсациями, обусловленными термогравитационной конвекцией и представляющими потенциальную опасность для жидкометаллических систем охлаждения в атомной энергетике и термоядерных установках. Совместная лаборатория ОИВТ РАН — МЭИ, созданная на территории института высоких температур, позволила проводить исследования магнитной гидро- динамики и теплообмена при сочетании параметров, близком к условиям реальных систем с жидкометаллическим охлаждением. Численные исследования теплообмена, включая прямое численное моделирование (DNS) однофазных турбулентных течений или процессов в гетерогенных системах, используются как эффективное средство изучения механизмов соответствующих явлений и вместе с тем позволяют решать прикладные задачи, в том числе по хозяйственным договорам. С помощью численных методов выполнена оптимизация металлогидридных систем очистки и компримирования водорода, изучены процессы гидродинамики и тепломассообмена в воздушных конденсационных установках. Впервые моделирование процессов в экспериментальной секции воз- душного конденсатора выполнено в сопряженной постановке с учетом рабочих характеристик газоудаляющих устройств. Примером успешного сочетания приближенных аналитических и численных методов анализа является решение задачи о свободной конвекции в крупномасштабных замкнутых объемах при высоких числах Рэлея. На кафедре широко исследуются процессы гидродинамики и теплообмена в двухфазных системах. В настоящее время выполнено несколько серий экспериментов по конденсации смесей паров воды и этанола с массовой долей спирта 0,8...16 % на поверхности горизонтальных и вертикальных труб, интенсивность теплоотдачи в сравнении с конденсацией чистого водяного пара может возрастать более чем в 4 раза. Проанализированы особенности кипения в микроканалах на гладкой и микроструктурированной поверхностях путем осаждения наночастиц. Разработаны модели уноса и осаждения капель и предложены уравнения для расчета распределения капель между жидкой пленкой и ядром потока в кольцевых двухфазных потоках. Проведены комплексные исследования пленочного кипения недогретой жидкости, создан уникальный массив опытных данных о режимах охлаждения высокотемпературных шаров из трех различных металлов в четырех различных жидкостях при давлении 0,1…1,0 МПа в широком диапазоне недогревов до температуры насыщения. Предложена гипотеза об условиях возникновения режима интенсивного теплообмена при пленочном кипении недогретой жидкости, при котором интенсивность теплообмена в 20…30 раз превышает уровень, отвечающий насыщенной жидкости. Ведутся опытные и теоретические работы по сонолюминесценции и гидролюминесценции при кавитации. Разрабатываются методы моделирования макроскопически проницаемых межфазных границ при численном решении задач тепломассообмена при фазовых превращениях.
Литература
2. Поддубный И.И., Разуванов Н.Г. Исследование гидродинамики и теплообмена при опускном течении жидкого металла в канале прямоугольного сечения в компланарном магнитном поле // Теплоэнергетика. 2016. № 2. С. 13—21.
3. Artemov V.I., Minko K.B., Yan’kov G.G. Numerical Simulation of Fluid Flow in an Annular Channel with Outer Transversally Corrugated Wall // Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2015. V. 90. Pp. 743—751.
4. Minko K.B., Artemov V.I., Yan’kov G.G. Numerical Simulation of Sorption/Desorption Processes in Metal-hydride Systems for Hydrogen Storage and Purification. Pt. I: Development of a Mathematical Model // Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2014. V. 68. Pp. 683—692.
5. Minko K.B., Artemov V.I., Yan’kov G.G. Numerical Simulation of Sorption/Desorption Processes in Metal-Hydride Systems for Hydrogen Storage and Purification. Pt. II: Verification of the Mathematical Model // Ibid. Pp. 693—702.
6. Минко К.Б., Артемов В.И., Бочарников М.С., Тарасов Б.П. Моделирование работы термосорбционного металлогидридного компрессора с интенсификацией теплообмена // Альтернативная энергетика и экология. 2013. № 10. С. 15—22.
7. Minko K.B., Artemov V.I., Yan'kov G.G. Numerical Study of Hydrogen Purification Using Metal Hydride Reactor with Aluminum Foam // Appl. Thermal Eng. 2015. V. 76. Pp. 175—184.
8. Artemov V.I., Minko K.B., Yan'kov G.G. Numerical Study of Heat and Mass Transfer Processes in a Metal Hydride Reactor for Hydrogen Purification // Intern. J. Hydrogen Energy. 2016. V. 41. No. 23. Pp. 9762—9768.
9. Артемов В.И., Минко К.Б., Яньков Г.Г. Моделирование процесса конденсации пара из паровоздушной смеси в наклонных трубах воздушного конденсатора // Теплоэнергетика. 2014. № 1. С. 32—43.
10. Artemov V.I., Minko K.B., Yankov G.G., Numerical Simulation of Heat and Mass Transfer Processes in Air-cooled Condenser // Proc.15th Intern. Heat Transfer Conf. Kyoto (Japan), 2014. IHTC15-9536.
11. Артемов В.И., Минко К.Б., Яньков Г.Г, Кирюхин А.В. Моделирование процессов тепломассообмена в экспериментальной секции воздушно-конденсационной установки ЗАО НПВП «Турбокон» // Теплоэнергетика. 2016. № 5. С. 14—23.
12. Глазков В.В., Свешников М.В., Синкевич О.А. Стационарные течения в замкнутом контуре при подводе и отводе теплоты и отсутствие внешних силовых воздействий // ТВТ. 2015. Т. 53. № 2. С. 225—230.
13. Синкевич О.А., Свешников М.В. Ламинарная конвекция газа в замкнутой трубке тока // Инженерная физика. 2016. № 9. С. 55—56.
14. Чиндяков А.А., Смирнов Ю.Б. Теплообмен при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода – этанол на гладких и оребренных трубах // Вестник МЭИ. 2013. № 1. С. 46—54.
15. Чиндяков А.А. Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода–этанол на гладких и оребренных трубах: Дисс…канд. техн. наук. М.: НИУ «МЭИ», 2014.
16. Чиндяков А.А., Смирнов Ю.Б. Обобщение опытных данных по теплообмену при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода–этанол на трубах// Вестник МЭИ. 2014. № 2. С. 19—23.
17. Nomura T. e. a. Subcooled Flow Boiling in Mini and Micro Channel; Contribution Toward High Heat Flux Cooling Technology for Electronics // Proc. IPACK 2009. San Francisco (USA), 2009.
18. Кузма-Кичта Ю.А. и др. Исследование интенсификации теплообмена при кипении воды на поверхности с микро- и нанорельефом // Теплоэнергетика. 2014. № 3. C. 35—38.
19. Kuzma-Kichta Yu.A. е. а. Boiling Investigation in the Microchannel with Nano-particles Coating // Proc. IHTC, Kyoto, 2014.
20. Кузма-Кичта Ю.А. и др. Исследование паросодержания при кипении в микроканале с покрытием из наночастиц // Тепловые процессы в технике. 2015. № 4. С. 156—164.
21. Минко М.В., Ягов В.В. Приближенная модель начала уноса капель в дисперсно-кольцевом двухфазном потоке // Вестник МЭИ. 2012. № 2. С. 30—33.
22. Ягов В.В., Минко М.В. Моделирование уноса капель в адиабатных дисперсно-кольцевых двухфазных потоках // Теплоэнергетика. 2013. № 7. C. 1—6.
23. Минко М.В. Исследование механизмов процесса и разработка методов расчета теплообмена двухфазных потоков в каналах: Дисc. … канд. техн. наук. М.: НИУ «МЭИ», 2012.
24. Минко М.В., Ягов В.В. Моделирование распределения жидкости между ядром и пленкой в адиабатных дисперсно-кольцевых двухфазных потоках // Теплоэнергетика. 2014. № 1. С. 68—74.
25. Ягов В.В., Минко М.В. Распределение доли унесенной жидкости в адиабатных дисперсно-кольце вых потоках при низком расходе в пленке // Теплоэнергетика. 2016. № 4. С. 60—65.
26. Минко М.В., Ягов В.В. Распределение жидкости между ядром и жидкой пленкой в газокапельных потоках при высоких приведенных давлениях // Вестник МЭИ. 2017. № 4. С. 30—33.
27. Артемов В.И., Минко К.Б., Яньков Г.Г. Численное моделирование процессов тепло- и массопереноса в сопле и расширителе системы сепаратор– парогенератор теплоутилизационного комплекса // Теплоэнергетика. 2015. № 12. С. 61—69.
28. Забиров А.Р., Лексин М.А., Ягов В.В. Закономерности теплообмена в процессах закалки // Вестник МЭИ. 2015. № 1. С. 51—59.
29. Ягов В.В., Забиров А.Р., Лексин М.А. Нестационарный теплообмен при пленочном кипении недогретой жидкости // Теплоэнергетика. 2015. № 11. С. 70—80.
30. Yagov V.V. e. a. Film Boiling of Subcooled Liquids. Part I: Leidenfrost Phenomenon and Experimental Results for Subcooled Water // Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2016. V. 100. Pp. 908—917.
31. Yagov V.V. e. a. Film Boiling of Subcooled Liquids. Part II: Steady Regimes of Subcooled Liquids Film Boiling // Ibid. Pp. 918—926.
32. Забиров А.Р. и др. Влияние давления на устойчивое пленочное кипение недогретой жидкости // ИФЖ. 2016. Т. 89. № 6. С. 1487—1497.
33. Yagov V.V., Zabirov A.R., Kaban’kov O.N., Minko M.V. Heat Transfer During Cooling of High Temperature Spheres in Subcooled Water at Different Pressures // Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2017. V. 110. Pp. 219—230.
34. Ягов В.В., Забиров А.Р., Канин П.К., Денисов М.А. Теплообмен при пленочном кипении недогретой жидкости: новые опытные результаты и расчетные уравнения // ИФЖ. 2017. Т. 90. № 2. С. 287—298.
35. Забиров А.Р., Ягов В.В., Канин П.К. Влияние недогрева до насыщения и давления на пленочное кипение воды // Тепловые процессы в технике. 2017. Т. 9. № 2. С. 50—59.
36. Бирюков Д.А., Герасимов Д.Н., Синкевич О.А. Измерение и анализ спектра гидролюминесценции // Письма в ЖТФ. 2012. Т. 38. Вып. 2. С. 53—57.
37. Бирюков Д.А., Власова М.Н., Герасимов Д.Н., Синкевич О.А. Гидродинамическая люминесценция и гамма-излучение // Вестник МЭИ. 2013. № 1. С. 69—72.
38. Бирюков Д.А., Власова М.Н., Герасимов Д.Н., Синкевич О.А. Свечение жидкости в узком канале как триболюминесценция // Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 114. № 5. С. 55—59.
39. Бирюков Д.А., Власова М.Н., Герасимов Д.Н., Синкевич О.А. Электрическое поле внутри воздушного пузырька при гидродинамической люминесценции // ТВТ. 2013. Т. 51. № 4. С. 629—630.
40. Бирюков Д.А., Герасимов Д.Н., Синкевич О.А. Электризация жидкости при сонолюминесценции // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40. Вып. 3. С. 90—94.
41. Biryukov D.A., Gerasimov D.N. Tribolumines- cence of Liquid Dielectrics: On a Way to Discover the Nature of Sonoluminescence // Triboluminescence: Theory, Synthesis and Application. Springer, 2016.
42. Бирюков Д.А., Герасимов Д.Н. Изменение температуры жидкости в процессе многопузырьковой сонолюминесценции // Тепловые процессы в технике. 2017. Т. 9. № 3. С. 113—117.
43. Бирюков Д.А., Герасимов Д.Н. Динамика интенсивности многопузырьковой сонолюминесценции // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43. Вып. 11. С. 40—45.
44. Артемов В.И., Минко К.Б., Яньков Г.Г. Прямое численное моделирование процессов тепло- и массообмена в двухфазных системах с явно выделенной межфазной поверхностью // XV Минский международный форум по тепло- и массообмену: Тез. докладов. 2016. Т. 1. С. 266—269.
---
Для цитирования: Ягов В.В. Неисчерпаемые проблемы теплообмена // Вестник МЭИ. 2017. № 6. С. 86—105. DOI: 10.24160/1993-6982-2017-6-86-105.
#
1. Genin L.G., Sviridov V.G. Avariynye Rezhimy Teploobmena v Termoyadernom Reaktore. Teplofizika Reaktorov Novogo Pokoleniya: Tez. Dokladov. Obninsk: GNU RF-FEI, 2015:87—89. (in Russian).
2. Poddubnyy I.I., Razuvanov N.G. Issledovanie Gidrodinamiki i Teploobmena pri Opusknom Techenii Zhidkogo Metalla v Kanale Pryamougol'nogo Secheniya v Komplanarnom Magnitnom Pole. Teploenergetika. 2016;2:13—21. (in Russian).
3. Artemov V.I., Minko K.B., Yan’kov G.G. Numerical Simulation of Fluid Flow in an Annular Channel with Outer Transversally Corrugated Wall. Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2015;90:743—751.
4. Minko K.B., Artemov V.I., Yan’kov G.G. Numerical Simulation of Sorption/Desorption Processes in Metal-hydride Systems for Hydrogen Storage and Purification. Pt. I: Development of a Mathematical Model. Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2014;68:683—692.
5. Minko K.B., Artemov V.I., Yan’kov G.G. Numerical Simulation of Sorption/Desorption Processes in Metal-hydride Systems for Hydrogen Storage and Purification. Pt. II: Verification of the Mathematical Model. Ibid:693—702.
6. Minko K.B., Artemov V.I., Bocharnikov M.S., Tarasov B.P. Modelirovanie Raboty Termosorbtsionnogo Metallogidridnogo Kompressora s Intensifikatsiey Teploobmena. Al'ternativnaya Energetika i Ekologiya. 2013;10:15—22. (in Russian).
7. Minko K.B., Artemov V.I., Yan'kov G.G. Numerical Study of Hydrogen Purification Using Metal Hydride Reactor with Aluminum Foam. Appl. Thermal Eng. 2015;76:175—184.
8. Artemov V.I., Minko K.B., Yan'kov G.G. Numerical Study of Heat and Mass Transfer Processes in a Metal Hydride Reactor for Hydrogen Purification. Intern. J. Hydrogen Energy. 2016;41;23:9762—9768.
9. Artemov V.I., Minko K.B., YAn'kov G.G. Modelirovanie Protsessa Kondensatsii Para iz Parovozdushnoy Smesi v Naklonnyh Trubah Vozdushnogo Kondensatora. Teploenergetika. 2014;1:32—43. (in Russian).
10. Artemov V.I., Minko K. B., Yankov G. G., Numerical Simulation of Heat and Mass Transfer Processes in Air-cooled Condenser. Proc. 15th Intern. Heat Transfer Conf. Kyoto (Japan), 2014. IHTC15-9536.
11. Artemov V.I., Minko K.B., Yan'kov G.G, Kiryu- hin A.V. Modelirovanie Protsessov Teplomassoobmena v Eksperimental'noy Sektsii Vozdushno-kondensatsionnoy Ustanovki ZAO NPVP «Turbokon». Teploenergetika. 2016;5:14—23. (in Russian).
12. Glazkov V.V., Sveshnikov M.V., Sinkevich O.A. Statsionarnye Techeniya v Zamknutom Konture pri Podvode i Otvode Teploty i Otsutstvie Vneshnih Silovyh Vozdeystviy. TVT. 2015;53;2:225—230. (in Russian).
13. Sinkevich O.A., Sveshnikov M.V. Laminarnaya konvektsiya Gaza v Zamknutoy Trubke Toka. Inzhenernaya Fizika. 2016;9:55—56. (in Russian).
14. Chindyakov A.A., Smirnov Yu.B. Teploobmen pri Psevdokapel'noy Kondensatsii Parovoy Smesi Voda- Etanol na Gladkih i Orebrennyh Trubah. Vestnik MPEI. 2013;1:46—54. (in Russian).
15. Chindyakov A.A. Eksperimental'noe Issledovanie Teploobmena pri Psevdokapel'noy Kondensatsii Parovoy Smesi Voda–Etanol na Gladkih i Orebrennyh Trubah: Diss…Kand. Tekhn. Nauk. M.: NRU «MPEI», 2014. (in Russian).
16. Chindyakov A.A., Smirnov Yu.B. Obobshchenie Opytnyh Dannyh po Teploobmenu pri Psevdokapel'noy Kondensatsii Parovoy Smesi Voda–Etanol na Trubah. Vestnik MPEI. 2014;2:19—23. (in Russian).
17. Nomura T. e. a. Subcooled Flow Boiling in Mini and Micro Channel; Contribution Toward High Heat Flux Cooling Technology for Electronics. Proc. IPACK 2009. San Francisco (USA), 2009.
18. Kuzma-Kichta Yu.A. i dr. Issledovanie Intensifikatsii Teploobmena pri Kipenii Vody na Poverhnosti s Mikro- i Nanorel'efom. Teploenergetika. 2014;3:35—38. (in Russian).
19. Kuzma-Kichta Yu.A. e. a. Boiling Investigation in the Microchannel with Nano-particles Coating. Proc. IHTC, Kyoto, 2014.
20. Kuzma-Kichta Yu.A. i dr. Issledovanie Parosoderzhaniya pri Kipenii v Mikrokanale s Pokrytiem iz Nanochastits. Teplovye Protsessy v Tekhnike. 2015;4:156—164. (in Russian).
21. Minko M.V., Yagov V.V. Priblizhennaya Model' Nachala Unosa Kapel' v Dispersno-kol'tsevom Dvuhfaznom Potoke. Vestnik MPEI. 2012;2:30—33. (in Russian).
22. Yagov V.V., Minko M.V. Modelirovanie Unosa Kapel' v Adiabatnyh Dispersno-kol'tsevyh Dvuhfaznyh Potokah. Teploenergetika. 2013;7:1—6. (in Russian).
23. Minko M.V. Issledovanie Mekhanizmov Protsessa i Razrabotka Metodov Rascheta Teploobmena Dvuhfaznyh Potokov v Kanalah: Disc. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: NRU «MPEI», 2012. (in Russian).
24. Minko M.V., Yagov V.V. Modelirovanie Raspredeleniya Zhidkosti Mezhdu Yadrom i Plenkoy v Adiabatnyh Dispersno-kol'tsevyh Dvuhfaznyh Potokah. Teploenergetika. 2014;1:68—74. (in Russian).
25. Yagov V.V., Minko M.V. Raspredelenie Doli Unesennoy Zhidkosti v Adiabatnyh Dispersno-kol'tsevyh Potokah pri Nizkom Raskhode v Plenke. Teploenergetika. 2016;4:60—65. (in Russian).
26. Minko M.V., Yagov V.V. Raspredelenie Zhidkosti Mezhdu Yadrom i Zhidkoy Plenkoy v Gazokapel'nyh Potokah pri Vysokih Privedennyh Davleniyah. Vestnik MPEI. 2017;4:30—33. (in Russian).
27. Artemov V.I., Minko K.B., Yan'kov G.G. Chislennoe Modelirovanie Protsessov Teplo- i Masso- perenosa v Sople i Rasshiritele Sistemy Separator– Parogenerator Teploutilizatsionnogo Kompleksa.Teplo- energetika. 2015;12:61—69. (in Russian).
28. Zabirov A.R., Leksin M.A., Yagov V.V. Zakonomernosti Teploobmena v Protsessah Zakalki. Vestnik MPEI. 2015;1:51—59. (in Russian).
29. Yagov V.V., Zabirov A.R., Leksin M.A. Nestatsionarnyy Teploobmen pri Plenochnom Kipenii Nedogretoy Zhidkosti. Teploenergetika. 2015;11:70—80. (in Russian).
30. Yagov V.V. e. a. Film Boiling of Subcooled Liquids. Part I: Leidenfrost Phenomenon and Experimental Results for Subcooled Water. Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2016;100:908—917.
31. Yagov V.V. e. a. Film Boiling of Subcooled Liquids. Part II: Steady Regimes of Subcooled Liquids Film Boi- ling. Ibid:918—926.
32. Zabirov A.R. i dr. Vliyanie Davleniya na Ustoychivoe Plenochnoe Kipenie Nedogretoy Zhidkosti. IFZH. 2016;89;6:1487—1497. (in Russian).
33. Yagov V.V., Zabirov A.R., Kaban’kov O.N., Min- ko M.V. Heat transfer During Cooling of High Temperature Spheres in Subcooled Water at Different Pressures. Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2017;110:219—230.
34. Yagov V.V., Zabirov A.R., Kanin P.K., Deni- sov M.A. Teploobmen pri Plenochnom Kipenii Nedogretoy Zhidkosti: Novye Opytnye Rezul'taty i Raschetnye Uravneniya. IFZH. 2017;90;2:287—298. (in Russian).
35. Zabirov A.R., Yagov V.V., Kanin P.K. Vliyanie nedogreva Do Nasyshcheniya i Davleniya na Plenochnoe Kipenie Vody. Teplovye Protsessy v Tekhnike. 2017; 9;2:50—59. (in Russian).
36. Biryukov D.A., Gerasimov D.N., Sinkevich O.A. Izmerenie i Analiz Spektra Gidrolyuminestsentsii. Pis'ma v ZHTF. 2012;38;2:53—57. (in Russian).
37. Biryukov D.A., Vlasova M.N., Gerasimov D.N., Sinkevich O.A. Gidrodinamicheskaya Lyuminestsentsiya i Gamma-izluchenie. Vestnik MPEI. 2013;1:69—72. (in Russian).
38. Biryukov D.A., Vlasova M.N., Gerasimov D.N., Sinkevich O.A. Svechenie Zhidkosti v Uzkom Kanale kak Tribolyuminestsentsiya. Optika i Spektroskopiya. 2013;114;5:55—59. (in Russian).
39. Biryukov D.A., Vlasova M.N., Gerasimov D.N., Sinkevich O.A. Elektricheskoe Pole Vnutri Vozdushnogo Puzyr'ka pri Gidrodinamicheskoy Lyuminestsentsii. TVT. 2013;51;4:629—630. (in Russian).
40. Biryukov D.A., Gerasimov D.N., Sinkevich O.A. Elektrizatsiya Zhidkosti pri Sonolyuminestsentsii. Pis'ma v ZHTF. 2014;40;3:90—94. (in Russian).
41. Biryukov D.A., Gerasimov D.N. Tribolumines- cence of Liquid Dielectrics: On a Way to Discover the Nature of Sonoluminescence. Triboluminescence: Theory, Synthesis and Application. Springer, 2016.
42. Biryukov D.A., Gerasimov D.N. Izmenenie temperatury Zhidkosti v Protsesse Mnogopuzyr'kovoy Sonolyuminestsentsii. Teplovye Protsessy v Tekhnike. 2017;9;3:113—117. (in Russian).
43. Biryukov D.A., Gerasimov D.N. Dinamika Intensivnosti Mnogopuzyr'kovoy Sonolyuminestsentsii. Pis'ma v ZHTF. 2017;43;11:40—45. (in Russian).
44. Artemov V.I., Minko K.B., YAn'kov G.G. Pryamoe Chislennoe Modelirovanie Protsessov Teplo- i Massoobmena v Dvuhfaznyh Sistemah s Yavno Vydelennoy Mezhfaznoy Poverhnost'yu. XV Minskiy Mezhdunarodnyy Forum po Teplo- i Massoobmenu: Tez. Dokladov. 2016;1:266—269. (in Russian).
---
For citation: Yagov V.V. Inexhaustible Problems of Heat Transfer. MPEI Vestnik. 2017; 6:86—105. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2017-6-86-105.