Процесс спонтанного парообразования

Процесс спонтанного парообразования

Совершенно иначе процесс спонтанного парообразования протекает в высокоскоростных трансзвуковых потоках, формирующихся при истечении жидкости высоких параметров из отверстий и коротких сопл. В статье показано, что при определенном сочетании режимных параметров развитие процесса фазовых превращений приводит не к уменьшению, а к стремительному росту перегрева — кипение приобретает самоускоряющийся, взрывной характер. Это явление сопровождается некоторыми существенными аномалиями в поведении струй перегретой жидкости, реактивных усилий и др.

При исследовании течений с ударным вскипанием оправдана постановка вопроса о существовании и закономерностях скачка вскипания. Концепция скачка вскипания оказалась полезной при анализе закономерностей истечения вскипающей жидкости из отверстий и коротких каналов. На ее основе в работе были выявлены три характерных режима истечения.

В работе было доказано, что в случае /*>/гом (область //, расположенная на рис. 2 между точками В и С) единственно возможным режимом движения двухфазной смеси через канал является истечение с радиальным расширением потока. При этом вблизи выходного среза на весьма малом расстоянии, равном толщине зоны ударного вскипания, происходит расширение струек тока на конечное значение, что приводит к интенсивному разлету струи в радиальном направлении. В результате парожидкостная струя, выходящая из канала, приобретает форму диска1 (см. рис. 1,6). Переместиться внутрь канала зона радиального разлета не может (в суживающемся канале расширение струек тока невозможно), поэтому удельный расход вскипающей жидкости вблизи выходного среза может быть определен по квазигидравлической формуле ‘(1), что позволяет легко рассчитать пропускную способность канала.

Для объяснения этого результата рассмотрим изменение параметров потока в координатах температура — давление (рис. 4). Начальные параметры жидкости лежат на кривой насыщения КЫ. В рамках рассматриваемой схемы до достижения границ области интенсивного спонтанного зародышеобразования (кривая КМ) вскипание жидкости практически отсутствует. Ввиду малой сжимаемости жидкости снижение ее температуры в результате адиабатического расширения мало—начальные отрезки кривых 1—3 близки к горизонтальным прямым. Начинающееся в окрестности кривой КМ интенсивное спонтанное зародышеобразование, с одной стороны, приводит к охлаждению жидкости, с другой стороны, накопление в потоке относительно легкой паровой фазы вызывает снижение средней плотности двухфазной смеси, уменьшение статического давления и как следствие падение температуры насыщения.

В области III преобладает снижение температуры жидкости, Приводящее к постепенному уменьшению перегрева и переходу потока в состояние теплового равновесия (кривые 1, 2).

Благодаря наличию этой обратной связи перегрев жидкости во фронте скачка вскипания может достигать очень больших значений.

В качестве иллюстрации, указанного на рис. 5, показаны кривые изменения температуры жидкой фазы, рассчитанные для случая адиабатного истечения воды с начальным давлением 50 МПа и различными начальными температурами. Так же, как и в предыдущем случае (см. рис. 4), до достижения кривой КМ процесс расширения жидкости близок к изотермическому. Левее кривой КМ начинается кипение жидкости. При этом процесс вскипания приводит к столь резкому падению давления, что расчетные кривые изменения температуры жидкости не только приближаются к спинодали КЬ, но и заходят за нее в пределы лабильной области. В околоспинодальной зоне принятое допущение о слабой сжимаемости жидкой фазы неправомерно, поэтому левые ветви кривых 1—6, показанные на рис. 5 пунктиром, носят условный характер. Тем не менее проведенные расчеты позволяют высказать гипотезу о том, что при истечении жидкости достаточно высоких параметров может быть экспериментально реализовано явление спинодального распада жидкости, обусловленное заходом за границы области термодинамической устойчивости. Конкретные представления о механизме спинодального распада впервые были сформулированы ЯБ. Зельдовичем и О. М. Тодесом.

Расчетные зависимости Х2=}(и2) при достижении определенного значения г>2, являющегося функцией начальных параметров, имеют максимум. Можно доказать, что сечение с л:2 = макс является критическим. Кривая, отвечающая условиям наступления кризиса истечения, показана на рис. 3 штрихпунктирной линией.

В суживающемся сопле критическое сечение совпадает с выходным срезом. Расширение струек тока в области радиального разлета, непосредственно прилегающей к выходному срезу канала, приведет к дальнейшему разгону трансзвукового потока. В результате на выходе из сопла сформируется область сверхзвукового течения, замыкающаяся пространственной системой скачков уплотнения. Ввиду ударного характера расширения потока давление в сверхзвуковой области должно существенно снижаться. Не исключена ситуация, когда давление в ее пределах окажется ниже противодавления. В этом случае значение равнодействующей сил реакции истекающей струи и действующих на сосуд сил статического давления окружающей среды и давления в зоне сверхзвукового течения должно уменьшаться. Этот эффект, по-видимому, объясняет явление резкого падения реактивного усилия при заходе в область //, сопровождающегося в некоторых случаях изменением направления вектора тяги.