Моделирование вскипания метастабильной жидкости при наличии фронтов испарения

Abstract

Из экспериментов известно, что при перегревах больше некоторого порогового значения возможен прямой переход от режима однофазной конвекции к режиму пленочного кипения (так называемый, третий кризис теплоотдачи). Этот сценарий развития кризиса теплоотдачи возможен в различном теплообменном оборудовании. Визуализация процесса вскипания показала, что в режиме третьего кризиса вскипание начинается с появления сферического пузыря на поверхности нагревателя. Через некоторое время на линии контакта пузырька со стенкой нагревателя формируются конусообразные каверны, примыкающие к сферическому пузырьку. Лобовая точка конусообразной каверны (фронт испарения) распространяется вдоль нагревателя с постоянной скоростью, которая зависит от перегрева и может достигать значений несколько десятков метров в секунду. Фронт испарения наблюдался как при квазистационарном, так и при импульсном нагреве различных веществ (вода, криогенные и органические жидкости, жидкие металлы). Несмотря на большое количество экспериментальных данных по скорости распространения фронта испарения для различных жидкостей, механизм его формирования практически не изучен. Имеющиеся в литературе различные модели позволяют рассчитать только скорость стационарного распространения фронта испарения в зависимости от параметров жидкости перед вскипанием и не описывают динамику вскипания при наличии фронта испарения. В данной работе численным методом исследуется динамика вскипания перегретой жидкости при наличии фронта испарения. Расчеты, проведенные как для условий насыщения, так и при недогреве жидкости в объеме сравниваются с имеющимися экспериментальными данными для различных веществ. Результаты численного моделирования показали, что предложенная модель хорошо описывает как рост первичного парового пузырька, так и форму конусообразной паровой каверны. Для случая недогрева жидкости в объеме модель описывает эффект отделения конусообразной каверны от первичного пузырька при его конденсации и распространение «парового остатка» вдоль поверхности нагревателя.