Цивилизация
Ученые впервые сформулировали физическую модель необычного режима кипения, который проявляется в жидкости при закалке металла. Результаты исследования опубликованы в журнале International Journal of Heat and Mass Transfer. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ) в рамках Президентской программы исследовательских проектов.
«В этой публикации впервые в мире предложена ясная физическая модель, объясняющая парадоксальные явления, которые наблюдаются при охлаждении горячих тел в жидкостях. Это и закалка, и термическая обработка металлов, и охлаждение атомного реактора в случае тяжелой аварии – огромное количество реальных приложений, под которые теперь положена строгая теория», – рассказал один из авторов статьи Арслан Забиров, сотрудник Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт».
Когда в чайнике кипит вода, на его стенках образуются пузырьки пара. Такое кипение называется пузырьковым. Оно позволяет отводить от твердой стенки много тепла. Однако при некоторой, «критической» плотности этого теплового потока возникает так называемый пленочный режим кипения – твердая поверхность оказывается отделена от кипящей жидкости тонкой пленкой пара. Водяной пар, как и всякий газ низкой плотности, – прекрасный тепловой изолятор, и поэтому процесс передачи тепла от горячего тела к жидкости при пленочном кипении замедляется. Наблюдать это явление можно, если капнуть на раскаленную плиту немного воды: капля оказывается отделена от плиты пленкой пара и начинает «скользить» по поверхности и даже подпрыгивать.
30 лет назад был обнаружен еще один режим кипения, который возникает, если разница температур нагревающего тела и жидкости еще больше. Такая ситуация возникает, например, при закалке металлов. Пленка пара в этом случае тоже образуется, но вот скорость теплопередачи не снижается, как при обычном пленочном кипении, а значительно возрастает – за секунду температура тела может упасть на 1000 градусов. При этом типе кипения вблизи паровой пленки образуются крошечные пузырьки пара, поэтому это явление назвали микропузырьковым режимом кипения. Как именно эти пузырьки образуются и как влияют на процесс теплопередачи, оставалось неизвестным. Ученые из НИУ МЭИ впервые представили физическую модель этого необычного процесса.
Авторы исследования создали большую базу экспериментальных данных и сравнили, при каких условиях возникает микропузырьковое кипение, а при каких нет. В результате ученые пришли к выводам о физической основе явления: оказалось, такой мощный перенос тепла от раскаленного тела к жидкости происходит из-за наличия шероховатостей поверхности твердого тела и волнового течения жидкости. Пики шероховатостей иногда случайным образом «прорывают» паровую пленку, из-за чего происходит их контакт с гребнями волн жидкости. Этого контакта оказывается достаточно, чтобы большое количество тепла перенеслось от тела к жидкости.
«Модель объясняет необычайно высокие темпы охлаждения раскаленных тел в жидкостях. Она разрешает парадокс взаимодействия жидкости с поверхностью, имеющей температуру выше температуры предельного перегрева этой жидкости. Она предсказывает, на каких жидкостях и металлах этот интенсивный режим будет наблюдаться, а на каких не будет. Более того, модель с высокой точностью предсказывает температуру поверхности, при которой этот интенсивный режим начнется», – добавил ученый.
