756
.pdf
П.М.Плетнев,И.И.Рогов
керамикиА-995иВК95-1.РазличиеструктурыкерамикимарокА-995иВК95-1состоит в том, что структура керамики А-995 является однофазной ( -Al2O3), а у керамики ВК95-1 нарядус корундом присутствует магний-алюмосиликатная стеклофаза в коли- честведо7%.ПоэтомуповышенноесветопропусканиекерамикиА-995обусловленоее однофазным кристаллическим строением с небольшим содержанием пор. Меньшая светопропускнаяспособностькерамикиВК95-1связанасеемелкозернистымстроени- емкорунда,наличиемстеклофазыибольшейпористостью.Большоезначениепоказателя поглощения алюмооксидной керамики 22ХС обусловлено влиянием красящихся добавок (Cr2O3, MnO), вводимых в состав материала.
Вработе [8] даны теоретические предпосылки и проведены экспериментальные исследования возможности неразрушающего контроля светорассеивающих композиционных материалов слоистой и ячеистой структур (стеклопластики, пенопласты) на предметвыявлениядефектных участков.
Вкачестве теоретической модели выбран 3-слойный композит, центральный слой которого по оптическим свойствам заметно отличается от крайних. Показана возможность обнаружения дефектов структуры, связанных с нарушением целостности или толщины центрального слоя, и выявления границ дефектных участков. Выявление таких участков (и прорисовка их контура путем компьютерной обработки сигнала фотоприемника)обусловлено тем,что награницах дефектногослоя происходит существенное рассеяние света (и угловое расширение пучка), интенсивность которого на выходебудет отличаться от интенсивности света, прошедшего бездефектный участок. Авторамисконструировандефектоскоп,работающийвближнейинфракраснойобласти спектра.ВкачествеисточникаинфракрасногоизлученияиспользуетсяарсенидгаллиевыйсветодиодАЛ-107А( =950нм),приемникизлучения—фотоумножительФЭУ-28
счувствительностьюфотокатода 15мкА/Лм.Излучениесветодиодамодулируетсяпо амплитуде с частотой 2,2 кГц для «отсева» фоновой засветки в приемном тракте. Показанавозможностьобнаружениядефектоввстеклопластикахтолщиноювнесколь- косантиметров,вызванныхнепроклеиваниемотдельныхсотоблоков,из-зачеговнутри стеклопластика образуются воздушные полости микронной толщины. Дефектоскоп позволяет обнаружить нарушения структуры и в композитах другой связности — матричной или типа статистической смеси (пенопласт пенополиуретана).
Авторыотмечают,чтоконтрастностьвыявлениядефектавихустановкелимитируется апертурой входной и выходной оптики. На наш взгляд, для повышения контрастностибылобыцелесообразноприменитьдвухлучевуюоптическуюсхему,прикоторой опорный луч проходит через бездефектный участок материала, а другой, рабочий, последовательно«прощупывает»пограничныесдефектомобласти.Приэтомприемное устройство регистрировало бы различие в интенсивностях световых потоков.
Стоит отметить, что в современной функциональной электронике в качестве прецизионных устройствиспользуютсяпленочныекомпозитныеструктуры(типасэндвичей) из различных по свойствам материалов. Например, двухслойные феррит-пьезо- электрические структуры (тонкие монокристаллические слои), слоистые композиты «сегнетоэлектрик-полимер», которые обладают уникальными свойствами — гигантский магнитоэлектрический эффект для первых композитов (cильное резонансное поглощение СВЧ-энергии) [9] и гигантский пьезоэлектрический эффект для вторых (гигантский пьезомодуль) [10]. Толщины слоев таких композитов составляют доли микрона,иони,каксветорассеивающиеввидимойиУФ-областяхспектра,могутстать подходящими объектами для оптических методов выявления несовершенств структуры.
211
ВестникСГУПСа.Выпуск28
Такимобразом,установленныеструктурныеособенностиалюмооксиднойкерами- киВК95-1оттемпературыобжигаобразцовиобнаружениедефектовструктурыдругих светорассеивающихматериаловсогласуютсясрезультатамиихсветопропускания,что позволяет рассматривать светопропускание как комплексную характеристику при исследовании процессов спекания керамических материалов и контроля качества оптически прозрачных изделий. Достоинствами светопропускания являются высокая чувствительность к происходящим структурным изменениям материала, безопасность использованияивозможностьсозданияизмерительныхсредствнеразрушающегоконтроля качества различных светорассеивающих материалов и изделий.
Библиографический список
1.Плетнев П.М. Керамические материалы функционального назначения. Новосибирск: Изд-во СГУПСа,2010.190с.
2.Дегтярева Э.В. Микроструктура прозрачной поликристаллической корундовой керамики и ее взаимодействиеспросвечиваемостью//Неорганическиематериалы.1967.Т.III.№12.С.12–15.
3.Бердов Г.И., Плетнев П.М. и др. Неразрушающий оптический контроль качества керамических изделий//Электроннаятехника.Сер.Технология,организацияпроизводстваиоборудования.1979.Вып. 2. С.1–6.
4.Бердов Г.И., Плетнев П.М. и др. Неразрушающий контроль качества керамических изделий оптическимметодом//Стеклоикерамика.1988.Вып.8.С.17–18.
5.Плетнев П.М., Рогов В.И. Светопропускание и структурные особенности вакуумно-плотной алюмооксиднойкерамики//Физика.2008.№5.С.10–15.
6.ПлетневП.М.,СимоноваГ.В.,СтепановаС.А.Зависимостьсветопропусканиявакуумно-плотных керамическихматериаловотспектральногосоставаизлучения// Специализированноеприборостроение, метрология,теплофизика,микротехника:Сб. мат-ловIVМеждунар. науч.конгресса.Т. 4.Ч. 2.Новоси- бирск,2008.С.162–165.
7.ПлетневП.М.,СимоноваГ.В.,СтепановаС.А.Разработкаоптическогометодаконтролякачества функциональнойкерамики//ГЕО-Сибирь–2010:Сб.мат-ловVI Междунар.выставкиинаучногоконгрес-
са.Новосибирск,2010.С.22–26.
8.Потапов А.И., Клопов В.Д. Оптический метод неразрушающего контроля светорассеивающих материалов//Дефектоскопия.2006.№3.С.84–96.
9.БичуринМ.И.,ПетровВ.М.идр.Электродипольныеимагнитодипольныепереходывискусственных магнитоэлектрическихструктурах//Взаимодействиесветасвеществом:Мат-лы2-йТеренинскойнауч.- практ.конф.Калуга:КГПУ,2006.С.103–105.
10.ТурикА.В.,РадченкоГ.С.Гигантскийпьезоэлектрическийэффектвсегнетоактивныхкомпозитах
//Пьезотехника–2005:Сб.мат-ловМеждунар.науч.-практ.конф.Ростовн/Д:РГУ,2005.С.236–240.
P.M. Pletnev, I.I. Rogov. The Prospects of Optical Quality Control Method of
TranslucentMaterialsApplication.
Theresultsofnon-destructivequalitycontrolofopticallighttorasseivayuschihmaterials.Shows promiseandadvantagesoftheopticalmethodofmonitoringproductsfortheirtransmission.
Thearticledescribestheresultsofnon-destructivequalitycontrolofopticallight-diffusing materials.Theprospectsandadvantagesoftheopticalmethodofmonitoringproductsfortheir transmissionareshown.
Keywords:opticalmethodapplication,opticalmethod,qualityoftranslucentmaterials.
212
В.С. Бердников, В.А. Марков
БердниковВладимирСтепанович—д-рфиз.-мат.наук.Родил-
сяв1946г.ПослеокончанияфизфакаНГУв1970г.понастоящеевремя работаетвИнститутетеплофизикиСОРАН.Былстажером-исследова- телем, аспирантом, младшим научным сотрудником, старшим научным сотрудником, заведующим лабораторией. Профессор кафедры прикладнойматематикиНГТУ.
Е-mail:berdnikov@itp.nsc.ru
Марков Владимир Александрович — канд. физ.-мат. наук. Ро-
дилсяв1949г.ОкончилфизическийфакультетНГУв1972г.До1998 г. работалвИнститутетеплофизикиСОРАНвлабораториисвободноконвективного теплообмена.Внастоящеевремя являетсядоцентомкафедры«Физика»СГУПСа ипродолжает научнуюработув Институте теплофизикиСОРАН.Автор30научныхстатей.
Е-mail:vmarkov@ngs.ru
УДК 536.25+539.2
В.С. БЕРДНИКОВ, В.А. МАРКОВ
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В ВАРИАНТЕ МЕТОДА ЧОХРАЛЬСКОГО С ДИАМЕТРОМ ТИГЛЯ 660 мм
Выполнено физическое моделирование гидродинамики и теплообмена в плоскодонном варианте метода с тиглем диаметром 660 мм. Эксперименты проведены в режимах термогравитационной и смешанной конвекции при вращении моделей тигля и кристалла. Обнаружен сложный характер интегральной теплопередачи через подогреваемый снизу слой жидкости от скоростей вращения тигля и кристалла. Представлено качественное объяснение полученных зависимостей теплопередачи от скоростей вращения тигля и кристалла.
Ключевыеслова:методЧохральского,свободнаяисмешаннаяконвекция,конвективный теплообмен, поля температуры, физическое моделирование.
Высококачественные щелочно-галоидные кристаллы широко используются в современном приборостроении. Для регистрации элементарных частиц, атомных ядер, гамма-ирентгеновскогоизлученияиспользуютсцинтилляционныедетекторы.Наибо- лее ценными сцинтилляционными кристаллами являются NaI, CsI и LiI, активирован- ныеразнымиэлементами—Tl,Eu,Sn.Некоторыесцинтилляционныесчетчикиимеют размернескольких кубических метров,этимиопределяетсяобъемпроизводствакристаллов. Технологические процессы выращивания из расплавов щелочно-галоидных кристалловдодиаметра300ммхорошоотработаны,выращиваютсякристаллыдиаметром 440 и 520 мм [1], но существует практическая необходимость в существенном повышениикачествамонокристалловприодновременномувеличенииихразмеров(до диаметра 600 мм), а также необходимость автоматизации технологического процесса. Решение этих задач, общих для получения качественных монокристаллов различных материалови различнымиметодами, невозможнобез проведенияглубоких фундамен- тальныхисследованийкомплексафизико-химическихпроцессов,сопутствующихпро-
213
ВестникСГУПСа.Выпуск28
цессу получения монокристаллов [2–4]. Среди факторов,непосредственнопредшествующихпереходу расплав—твердоетелоисущественновлияющихна качество получаемых кристаллов, важную роль играют процессы конвективного тепломассообмена [2–7].
Информации, накопленной в гидродинамике и теории теплообмена, о задачах, которые потенциальномогутбытьбазовымимоделямиприописании даже наиболее широко распространенных методов получениякристаллов, явнонедостаточно дляадекватного анализа технологического процесса. Сами реальные технологические процессы с теплофизическойточкизренияостаютсяплохоисследованнымивсилуих сложностиичастоэкспериментальных условий по уровню температурыили агрессивности расплавов жидких и газовых сред. Поэтому стало быстро развиваться математическое [6–8] и лабора- торное,физическое[3,4,8–10],моделированиеэтих процессов.
Крупногабаритныещелочно-галоидныекристал- лы получают методом вытягивания из расплава на затравку [4], общая схема ростовой печи установки «РОСТ» приведена на рис. 1 [1, с. 308]. Для плавления исходного сырья, поступающего из дозатора по транспортной трубке 5, в тигле 1 предусмотрена кольцевая периферическая емкость 3. Через отверстия 7 расплавленное сырье самотеком поступает в пространствомеждустенкамитигляиегоэкраном8, а затем в рабочий объем тигля 9. Положение уровня расплава в тигле измеряется щупом датчика уровня расплава 10. Печь состоит из двух полукорпусов, герметично стыкующихся фланцами 11. Тепловой узел (тепловая камера) печи полностью расположена в нижнем полукорпусе ростовой печи. На рис. 2 приведенафотографиякристаллаNaI(Tl),выращенногонаустановке«РОСТ»[1,с.344].Диаметркристалла440мм,фронткристаллизациипочтиплоский. При выращивании кристаллов диаметром 600 мм область расплава представляет собой горизонтальный слой жидкости, сверху ограниченной почти плоским кристаллом, снизу и сбоку — плоскодонным тиглем. Снизу равномерный подогрев, сверху равномерное охлаждение. Тигель и кристалл в процессе роста независимо вращаются с разными угловыми скоростями (по величине и направлению). Цель работы — моделирование процессов конвективноготеплообменаврасплавевусловиях,геометрически и динамически подобных реализуемым в
Рис. 1. Схема ростовой печи установки«РОСТ»:
1—платиновыйтигельс периферической кольцевой емкостью 3; 2 — кристалл, 4 — питатель; 5—транспортнаятрубка; 6 — боковой нагреватель;
7 — отверстия; 8 — экран тигля;
9 — расплав; 10 — датчик уровня расплава; 11 — разъем между полукорпусами
Рис.2.МонокристаллNaI(Tl) диаметром 440 мм, выращенный на
установке«РОСТ»
214
В.С. Бердников, В.А. Марков
технологическомпроцессевытягиванияназатравкукрупногабаритныхщелочно-гало- идныхкристалловдиаметромдо600мм.Однимизэтаповисследованийсталоизучение влияния дифференциального вращения границ слоя на структуру течения, исходным состоянием которого является термогравитационная конвекция в различных режимах отламинарнойячеистойдотурбулентной.Поископтимальных технологических условий роста монокристалла сводится к максимальному снижению пространственновременной неоднородности и нестабильности процессов тепломассообмена вблизи фронта кристаллизации. Одним из наиболее эффективных способов решения этой задачи является физическое моделирование технологических процессов. Требуется определить основныетенденции перестройки структуры течения и обусловленных ею полей температуры и процессов теплообмена при регулируемом конкурирующем воздействии эффектов дифференциального вращения границ, т.е. в условиях различного вклада центробежных сил, сил плавучести, Кориолиса и сдвига. Естественно, что ожидаемым результатом является определение диапазона параметров, удовлетворяющих противоречивым технологическим требованиям, во-первых, обеспечить эффективное перемешивание расплава (для того чтобы добиться, в частности, однородного распределенияпримеси-активатора),аво-вторых, обеспечитьмаксимальнуюрадиальную и азимутальную однородность поля средней температуры, локальных средних по времени тепловых потоков, а также минимальных по амплитуде уровней пульсаций температуры и локальных тепловых потоков. Исходным базовым режимом в большей части экспериментовбыл режимтурбулентной рэлей-бенаровской конвекции [11–13].
Конвекция Рэлея—Бенара в равномерно подогреваемом снизу слое жидкости (цилиндр высоты Н = 45 мм, радиуса R2 = 330 мм) описывается безразмерными параметрами: числом Рэлея Ra= g TH3/(a ), числомПрандтля Pr= /a, геометрическим параметром Г = R2/H и условиями на границе.
Есликристаллитигельвращаютсясодинаковойугловойскоростью 1 = 2,тослой жидкостивращаетсякакцелоевокругвертикальнойосисугловойскоростью 1.Вэтом случаенаструктуруконвективного течения будут оказывать влияниедополнительные силы: Кориолиса и центробежная. Влияние силы Кориолиса определяется безразмерным критерием — числом Тейлора Ta = 4 12H4/ 2. Если R2 2 <<g, то влияние центробежных сил малo. При вращении границ слоя (кристалла и тигля) с различными угловыми скоростями 1 и 2 границы являются источниками вынужденной конвекции. Вынужденное течение определяется безразмерными критериями — числами Рейнольдса: Re1 = 1R12/ и Re2 = 1R22/ . Здесь приняты стандартные обозначения. В изотермической жидкости при вращении границ возникает осесимметричное течение масштаба R2, которое с ростом Re1 и Re2 становится турбулентным.
Геометрические параметры задачи были фиксированы: высота слоя жидкости H = 45 мм; радиус плоскодонного тигля R2 = 330 мм; радиус равномерно охлаждаемой верхней границы (прозрачной модели кристалла) R1 = 320 мм. В физическом экспери- ментеисходноесостояние—установившаясятурбулентнаярэлей-бенаровскаяконвек- ция (при заданном значении числа Рэлея Ra = 2·107) в неподвижном или равномерно вращающемся слое. Экспериментально исследованы режимы с дифференциальным вращением границ в диапазоне угловых скоростей ±4,6 рад/с (начальным состоянием было одно из вышеперечисленных). Изучались относительная роль сил плавучести и центробежныхсилвформированииструктурытечения,связьлокальныхособенностей течения и локальных потоков тепла. Эксперименты выполнены на жидкости с числом Прандтля Pr = 16.
215
ВестникСГУПСа.Выпуск28
Экспериментальная установка
Фотография внешнего вида экспериментальной установки для исследования гидродинамики и теплообмена в горизонтальных слоях жидкости при подогреве снизу с вращающимися границами слоя представлена на рис. 3. Упрощенная схема экспериментальной установкиизображенанарис.4. Исследуемый слойжидкости 9ограничен нижним теплообменником 1, верхним прозрачным теплообменником 5 и прозрачной тепловой стенкой 4. Верхний теплообменник имеет сложную структуру. Рабочей поверхностьютеплообменникаслужитзеркальноестекло5толщиной5мм,являющееся дном тонкостенного металлического цилиндра диаметром 640 мм, который может вращатьсянаподшипникахвокругвертикальнойоси.Надзеркальнымстекломрасположеннеподвижныйпрозрачныйтеплообменник 6,черезкоторыйпрокачиваетсятермостатированнаявода.Зазормеждунимистекломзаполненводой.Нижнийтеплообменник состоит из трех латунных пластин 1 диаметром 640 мм (на упрощенной схеме показаны две верхние), толщина каждой пластины 15 мм. Между двумя нижними пластинамипомещенэлектрическийнагревательизнихромовойпроволокидиаметром 0,4 мм. Расстояние между двумя верхними пластинами 1 калибровано стеклянными
Рис. 3. Общий вид рабочего участка |
Рис. 4. Схема рабочего участка экспериментальной |
экспериментальнойустановки |
установкидляфизическогомоделирования: |
|
1 — латунные пластины; 2 — прослойка масла |
|
ПЭС-5; 3 — охранное кольцо; 4 — прозрачные |
|
боковыестенки; 5 — зеркальноестекло; |
|
6 — прозрачный теплообменник; |
|
7 — токосъемники; 8 — телекамера; 9 — рабочая |
|
жидкость |
216
В.С. Бердников, В.А. Марков
эталонными вставками толщиной 4,0 мм. Образованный вставками зазор между пластинами загерметизирован по периметру и заполнен кремнийорганическим маслом ПЭС-5. Конструкция из двух верхних пластин и прослойки масла между ними 2 являетсядатчикомтепловогопотока.Кверхнейлатуннойпластинегерметичноприжато кольцо 3 из нержавеющей стали с электрическим охранным нагревателем внутри. Две боковые стенки 4 герметично прижаты к охранному кольцевому нагревателю. Нижнийтеплообменникзакрепленнаплатформе,котораяпосаженанавал.Наверхней платформе расположен независимый привод телекамеры 8. Для передачи электрической энергии и сигналов к подвижным элементам установки смонтированы токосъемники 7. Температура нижней границы слоя задается и поддерживается постоянной с помощью терморегулятора ПИТ-3, при этом датчиком обратной связи служит батарея медьконстантановых термопар. Температура охранного кольцевого нагревателя регулируется независимым терморегулятором, это позволяет уменьшить горизонтальный градиент температуры на нижней пластине, который вызван утечкой тепла в боковые стенки.Температураизмеряласьмедьконстантановымитермопарамиилибатареямииз пяти термопар. Система задания температурных граничных условий обеспечивает точность поддержания температуры границ слоя ±0,04 °С.
Вращение верхней границы слоя, нижней границы вместе с боковыми стенками и телекамерыосуществляетсяспомощьюэлектромоторовпостоянноготока.Датчиками скорости вращения служат модулятор светового потока (диск с отверстиями либо контрастные полоски на вращающейся поверхности) и фотодиод. Реально установка позволяет проводить исследования при независимом вращении модели кристалла и модели тигля в диапазоне от 5·10–3 рад/с до 2 рад/с с точностью ±1 %.
Для измерения локальной температурывобъемежидкости использовались термопарные зонды. В данной работе использовался термопарный зонд из шести термопар (рис. 5). Зонд изготовлен из Г-образной стеклянной трубочки с прорезями. Внешний диаметр трубочки 2 мм. Шесть нихромконстантановых термопар продернуты в нее и выведены в прорези так, что спаи термопар находились на одной высоте и на одинаковом расстоянии друг от друга
по радиусу, начиная от центра r = 0 мм, с шагом приблизительно 50 мм. Система перемещениятермопарногозондапонормаликгоризонтальнойповерхностисмонтирована на боковой поверхности тонкостенного металлического цилиндра диа-
метром640мм(см.рис.4).Системапере- |
Рис. 5. Упрощенная схема рабочего участка и |
мещениясостоитизмикровинта,шагово- |
расположениядатчиковтемпературы: |
го двигателя, блока управления шаговым |
1—моделькристалла;2—модельтигля; |
двигателем и индикатора часового типа |
3 — измерительныйзонд из шести термопар |
|
для контроля перемещения зонда. Блок управления шаговым двигателем позволял управлять смещением зонда из лабораторной системы и, при необходимости, с помощью ЭВМ. Сигналы с термопар подавались на коммутатор и через токосъемники передавались в лабораторную систему.
217
ВестникСГУПСа.Выпуск28
Методика проведения эксперимента
Вработепредставленырезультатыдвух серийэкспериментов.Перваясерияэкспериментов была направлена на исследование структуры поля температуры вблизи верхнего теплообменника (Х = 0…7 мм). Эксперименты проводились следующим образом.Установкавыводиласьвстационарноесостояние,характеризующеесяустановившимисяперепадомтемпературымеждутиглемикристаллом Тиугловымискоростями кристалла 1 и тигля 2. Безразмерными параметрами, характеризующими состояниеслояжидкости,будутсоответственночислаРэлея RaиРейнольдсаRe1 иRe2. Вовремясбораинформацииополетемпературыустановканаходиласьвстационарном состоянии. В начальном положении термопарного зонда спаи всех термопар касаются поверхности кристалла Хi = 0. В этом положении проводились записи реализаций сигналов со всех термопар зонда. После записи зонд смещался на заданный шаг Х от кристалла, и снова записывались реализации сигналов со всех термопар и т.д. Время записи каждой реализации было от 4 до 20 мин и зависело от режима (Ra, Re1, Re2) и положения термопары. Обработка результатов измерений проводилась на ЭВМ с использованиемапробированныхпроцедурстатистическойобработкислучайныхсигналов.
Втораясерияэкспериментовнаправленанаисследованияинтегральноготеплового потока и структуры поля температуры вблизи кристалла (Х = 7 мм) за пределами тепловогопограничногослоядляразныхграничныхусловий.Экспериментыпроводились следующим образом. Установка выводилась в исходное стационарное состояние (Ra,Re1,Re2).Проводилисьизмерения,необходимыедлярасчетачисел Ra,Nu,Re1,Re2, и записывались реализации сигналов со всех термопар зонда. Затем изменялась скоростьвращениякристаллаилитигля(числоRe1 иличислоRe2),ичерез20–60минснова проводилсявесьциклизмеренийит.д.Времявыдержкиоценивалосьэкспериментально, по выходу на стационарные значения чисел Ra и Nu.
Поле температуры вблизи кристалла
В исходном для данной задачи состоянии (установившейся турбулентной конвекции Рэлея — Бенара) радиальное температурное расслоение отсутствует, что свидетельствует об изотропии в горизонтальной плоскости пространственной структуры течения и статистических характеристик полей температуры и скорости. Профили средней температуры для этого случая приведены на рис. 6.
30,4 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
T,oC |
|
|
|
|
|
|
2 |
30,0 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
29,6 |
|
|
|
|
|
|
|
29,2 |
|
|
|
|
|
|
|
0,0 |
0,5 |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
x,мм |
Рис. 6.Профилисреднейтемпературыуверхнейграницыслоя(Ra=2,28·107; 1 = 2 =0):
1 — r = 17 мм; 2 — r = 115 мм; 3 — r = 225 мм
218
В.С. Бердников, В.А. Марков
Структураполятемпературывблизикристаллазначительноизменяетсяпривращении кристалла или тигля. На рис. 7 приведены зависимости средней температуры от расстояния до верхней границы при 1 = 0,6 рад/с, что соответствует Re1 = 4,43·104 и2 = 0.Профилисреднейтемпературыизмереныдляшестизначенийрадиусов.Видно, чтовблизиверхнейграницыслоязапределамитепловогопограничногослоянаблюдается температурное расслоение по радиусу: при Х > 1 мм температура на оси больше, чем у края кристалла. В ядре слоя жидкости температура слабо изменяется в осевом направлении.
T,oC |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
27,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
27,2 |
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
26,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
x,мм |
Рис.7.Профилисреднейтемпературыуверхнейграницыслоя(Ra=2,28·107,Re1=4,43·104,Re2 =0): |
||||||||
1 — r = 2 мм; 2 — r = 53 мм; 3 — r = 103 мм; 4 — r = 147 мм; 5 — r = 200 мм; 6 — r = 242 мм |
||||||||
Вращение кристалла и тигля сильно влияет не только на средние характеристики полей температуры и скорости, но и на их статистические характеристики. Вращение только кристалла или только тигля значительно уменьшает дисперсию пульсаций температурывовсемобъемежидкости(рис.8).Приодновременномвращениикристалла и тигля дисперсия пульсаций температуры зависит от скоростей вращения границ, их взаимного направления и координат точки наблюдения. На рис. 9 приведена зависимость среднеквадратичных отклонений пульсаций температуры от расстояния до верхней границы слоя. При вращении кристалласчисломРейнольдса Re1 =1,04·105 наблюдается радиальная зависимость дисперсии температуры. Амплитуда пульсаций температурымаксимальнавблизиосивращенияиуменьшаетсясувеличениемрадиуса. Прибольших расстояниях от осивращения (r>150мм)дисперсиямалаипрактически независитотрадиуса.Приr<150ммназависимостях =f(Х)наблюдаютсямаксимумы (амплитудапульсаций температуры максимальнанарасстоянии 0,5–1,5 ммот верхней границы).Сростомскоростивращениятиглярасслоениедисперсиипорадиусууменьшается, не спадает дисперсия только на оси вращения, что говорит о колебаниях в подъемной струе.
219
ВестникСГУПСа.Выпуск28 |
|
|
|
|
|
|
|
|
,oC |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,05 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,00 |
|
|
|
|
|
|
r R0 |
|
0,0 |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
||||
Рис.8.Зависимостьсреднеквадратичныхотклоненийпульсацийтемпературыототносительного |
||||||||
|
расстояниядо центраслоя: |
|
|
|
||||
|
Ra=4,26·107;Re |
1 |
=1,6·105;Х=20мм |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
,oC |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0,05 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
0,04 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
0,03 |
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,02 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,01 |
|
|
|
|
|
|
|
x,мм |
0,0 |
0,5 |
1,0 |
|
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
|
Рис. 9. Зависимость среднеквадратичныхотклонений пульсаций температуры отрасстояния до |
||||||||
верхнейграницыслоя(Ra=4,2·107;Re1 =1,04·105): |
|
|
||||||
1 — r = 2 мм; 2 — r = 53 мм; 3 — r = 103 мм; 4 — r = 147 мм; 5 — r = 200 мм; 6 — r = 242 мм |
||||||||
Теплопередача и температурное расслоение
Результатыэкспериментальныхисследованийструктурыполятемпературывблизи кристалла и интегрального теплового потока представлены в виде зависимостей безразмерных температур Ti* и модифицированного числа Нуссельта Nu* от числа Рейнольдса, построенного по скорости вращения кристалла или тигля. Индекс i усредней температурысоответствуетномерутермопары,котораянаходитсянарадиусеri,i = 1, ..., 6.
Здесь Ti* = (Ti – T1)/(T2 – T1), Nu* = Nu/Ra1/3, Nu = qH/(T2 – T1) (q — средняя по времени и площади рабочей поверхности плотность теплового потока). В установившихся режи-
махприразличных 1 и 2 перепадытемпературынесколькоотличалисьдруготдруга, соответственно отличались и величины Ra. Чтобы представить результы измерений интегрального теплового потока в универсальном виде, удобно ввести модифицированное число Нуссельта Nu* = Nu/Ra1/3. Для краткости это число, т.е., по сути, нормированныйбезразмерныйкоэффициенттеплопередачи,будемназыватьпростокоэффи-
220