Исследование колебаний в тепловой пульсирующей трубке, закрытой с одного конца

Пульсирующая тепловая труба (ПТТ) - это высокоэффективное пассивное устройство с двухфазным потоком, способное передавать тепло от источника к стоку под источником, против силы тяжести, без помощи фитиля или каких-либо движущихся механических частей. В настоящее время ПТТ используются для системы охлаждения у двигателей, к примеру, двигательных установок космических аппаратов. 

В данной работе представлены результаты исследования колебаний в тепловой пульсирующей трубке, закрытой с одного конца. Эксперимент проводился в лаборатории при подведении тепла к трубке, опущенной открытым концом в холодную воду. В результате были получены данные об изменении высоты колебаний пузырьков пара, а также о их частоте. Полученные экспериментальные данные могут быть в дальнейшем использованы для построения более точных физических моделей, учитывающих гравитацию, поверхностное натяжение, трение и давление, а также для теоретического описания теплопередачи и характера колебаний в ПТТ, которые еще не глубоко изучены.

Было замечено, что скорость жидкости оказывает очень сильное влияние на размер пузырьков и что тепловой поток демонстрирует лишь незначительную тенденцию к увеличению размера пузырьков. Переохлаждение повлияло на размер пузырьков, отходящих от гладкой поверхности, но не оказало видимого влияния на более шероховатые. На более шероховатых поверхностях, по-видимому, образуются пузырьки меньшего размера, так как близость активных участков и наличие резких пиков могут препятствовать полному развитию пузырьков.

Также анализ показал, что перемещение пузырьков под действием различных сил напрямую влияет на нелинейное развитие конвекции. В частности, подъемная сила меняет свою роль с препятствующей конвективному потоку на стимулирующую его, когда конвекция усиливается при уменьшении управляющего параметра. Локальные эффекты различных механизмов переноса показали, что изменение роли подъемной силы возникает из-за связи переноса газа с нелинейными потоками жидкости. И хотя поверхностное натяжение играет важную роль в создании пузырьков, но именно давление пара и воздуха, трение и сила тяжести в первую очередь вызывают их движение.

Эксперимент

Основу установки составляет стеклянная трубка, предварительно заполненной водой и опущенная открытым концом в большой таз с холодной водой. Тепло будет подводиться на эту трубку посредством строительного фена. После того, как вода нагреется, можно наблюдать пульсирующее кипение: возникает пузырек, который пытается всплыть вверх. Это возникновение происходит очень быстро, а движение пузырька по такой трубке достаточно медленное, из-за чего он выталкивает воду вниз. В этот момент появляется реактивная струя, которая гасит пузырь. Такие угасание происходят периодически.

Времени на нагрев воды до состояния кипения занял около 22 минут. Видео эксперимента, снятое на камеру, было обработано в специальном приложении «Физлетс-Трекер». Благодаря приложению были получены данные высоты столба жидкости в трубке (см) и пройденному количеству времени (сек). С помощью графика была определена частота колебаний, а также диапазон значений высот, в котором уровень воды будет изменяться.

Уровень высоты считался от места крепления штатива к трубке. Это место не было подвержено воздействию тепла, поэтому температура там оставалась постоянной. Строительный фен находился на высоте 27 см от места крепления, в то время как максимальная высота, которую достиг пузырек равна 26 см. Минимальная же высота, на которую смог опустить пузырек, из графика равняется 19 см. И в итоге получаем, что диапазон значений расположен в пределах между 19 и 26 см.

Интерфейс приложения "Физлетс-Трекер"

Более того, можно заметить, что за весь период колебаний среднем уровень воды находился на отметке в 24 см. На этой высоте, как можно увидеть, происходят маленькие колебания. Дело в том, что трубка ниже этой отметки трубка не подвергается воздействию нагревания со стороны фена.

Продолжительность колебаний составила около 3 минут. На графике представлены колебания в первые 2 минуты, при этом самые сильные отклонения были в начале. Можно сделать вывод, что колебания в оставшееся время продолжали находится в указанном диапазоне значений.

График зависимости высоты столба от времени

Хочется отметить, что на том же графике каждый излом — это секунда. В среднем, одно большое колебание состоит из трех изломов, из этого следует, что одно большое колебание пузырек проходит за три секунды. Интересно, что при увеличении подачи тепла период колебаний уменьшится, а значит, что пузырек будет гаснуть быстрее. Маленькие колебания (изменение высоты менее 1 см) в дальнейшем рассматриваться не будет, так как система незамкнутая и часть теплоты фена в этом случае расходуется на нагрев воздуха.

Объяснение

Одна сторона находится в тепловом контакте с горячей точкой, другая - с холодной.  В зоне подведения тепла вследствие испарения воды возникает пузырек воздуха, который пытается всплыть вверх. Этот процесс идет медленно, а вниз его расширение идет быстро. Пузырек отталкивает воду и соприкасается с относительно холодной трубкой. Вследствие чего давление в нем падает, пар остывает и пузырек схлопывается, после чего система готова к следующему циклу пульсаций.

Вывод

Теплопередача между нагретым и охлажденным концами пульсирующей тепловой трубы происходит за счет испарения и конденсации пленки, а характерное резкое перемещение системы пробок и пузырьков происходит из-за быстрого роста пузырьков и их быстрого схлопывания.

Учитывая, что не все зависимости удалось определить и объяснить, можно провести дополнительные исследования для построения более точной физической картины для теоретического описания механизмов теплопередачи и при кипении жидкостей с различными физическими свойствами.

Источники:

1.     Paz, M. Conde, J. Porteiro, M. Concheiro. 2015. «Effect of heating surface morphology on the size of bubbles during the subcooled flow boiling of water at low pressure».

2.    Anton Surtaev, Vladimir Serdyukov, Jingjing Zhou, Aleksandr Pavlenko, Vladislav Tumanov. 2018. «An experimental study of vapor bubbles dynamics at water and ethanol pool boiling at low and high heat fluxes».

3.    Kotaro Nakamura, Harunori N. Yoshikawa, Yuji Tasaka and Yuichi Murai. 2021. «Bifurcation analysis of bubble-induced convection in a horizontal liquid layer: role of forces on bubbles».

4.    Vadim S. Nikolayev. 2021. «Physical principles and state-of-the-art of modeling of the pulsating heat pipe: A review».

5.    Robert Thomas Dobson. 2003. «Theoretical and experimental modelling of an open oscillatory heat pipe including gravity».