Эксперименты по движению сверхтекучего гелия
в канале с монодисперсной засыпкой *

Пузина Ю.Ю., Королев П.В., Ячевский И.А., Крюков А.П.

Доклад на III международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики». 21 октября 2020 г. г. Москва

В сверхтекучем гелии процессы тепломассопереноса отличаются от аналогичных явлений в неквантовых жидкостях, включая криогенные, в том числе и в двухфазных системах. На протяжении нескольких лет авторский коллектив исследует поведение сверхтекучего гелия в стесненных условиях, в том числе при образовании паровых пленок, пробок в каналах и др. Одной из особенностей поведения гелия-II в канале с паром является то, что в капилляре определенной длины он движется к нагревателю [1] в отличие от обычных жидкостей [2]. Такое явление было подтверждено экспериментально [3]. При этом в некоторых случаях в опытах реализовывался колебательный режим движения мениска в капилляре. Однако реверсивное движение возможно лишь при достаточно большой длине капилляра: в экспериментах [3] длина капилляра составляла 8 м при внутреннем диаметре капилляра 250 мкм (значение реверсивной длины – 3.6 м).

Как показывает математическая модель стационарных процессов тепломассопереноса при течении гелия в канале [4], использование для создания стесненных условий пористой структуры позволяет существенно уменьшить реверсивную длину. При этом реверсивная длина не зависит от диаметра канала, а определяется структурными характеристиками пористой вставки. В связи с этим для создания стесненных условий была выбрана монодисперсная засыпка, расположенная внутри канала.

Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда (проект №19-19-00321).

Опубликовано: Материалы III Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» г. Москва, 19-23 октября 2020 г. М.: Издательский дом МЭИ, 2020, с. 232-234.

Исследования поведения гелия-II в каналах

Движение жидкости в канале с паром
при наличии продольного теплового потока

Крюков А.П. (МЭИ, 2000)

Схема эксперимента

Математическая модель

Реверсивная длина капилляра

Королев П.В., Крюков А.П. (МЭИ, 2002)

Схема эксперимента

Математическая модель

Движение He II в канале с паром
под воздействием осевого теплового потока

Королев П.В., Медников А.Ф. (МЭИ, 2006)

Экспериментальная ячейка: 1 - бухта с намотанным капилляром диаметром 0,25 мм;
2 - крепление нагревателя; 3 - концевая трубка диаметром 1 мм (закрытое колено);
4 - концевая трубка внутренним диаметром 1 мм (открытое колено);
5 - нагреватель.

Результат эксперимента: подъем мениска в канале
Температура жидкости T_b = 2K
Диаметр капилляра d_k = 250 мкм

He II Heat Transfer Through Random Package Spheres:
Pressure Drop

Vanderlaan M.H., Van Sciver S.W. (2014)

Схема эксперимента

Математическая модель

Реверсивная длина канала с монодисперсной засыпкой

Крюков А.П., Пузина Ю.Ю. (МЭИ, 2017)

Схема эксперимента

Математическая модель

Подробная информация:
Течение гелия-II в канале с пористой вставкой при безвихревом сверхтекучем движении

Экспериментальная установка

Общая схема экспериментального стенда для исследования процессов тепломассопереноса в сверхтекучем гелии, подготовка и методика проведения исследований представлены в [3, 5]. Экспериментальный участок представляет собой U-образную хлоркальциевую трубку ТХ-U-1-100, нижняя часть которой заполнена свободной засыпкой монодисперсных шариков диаметром (280 r 5) мкм, изготовленных из сплава Pb96%Sb4% по технологии [6].

В один из концов трубки вставлен нагреватель, представляющий собой медный диск диаметром 5 мм, на поверхности которого располагается спиральный нагреватель из нихромовой проволоки диаметром 50 мкм. Этот диск запрессован в пробку из пеноплекса, которая в свою очередь вставляется в верхний патрубок U-образной трубки враспор. Вся сборка дополнительно обрабатывается герметизирующим клеем для предотвращения утечек сверхтекучего гелия.

Экспериментальный участок полностью погружается в объем сверхтекучего гелия. При подаче тепловой нагрузки в канале образуется паровая пробка, которая затем увеличивается в размерах. Пройдя некоторое расстояние от нагревателя, межфазная поверхность, отмеченная стрелкой на рис. 1, останавливается и начинает перемещаться к нагревателю. Не достигнув его, межфазная поверхность опять останавливается и начинает движение от нагревателя. Таким образом, реализуется постоянное колебательное движение сверхтекучего гелия в канале с монодисперсной засыпкой. Амплитуда колебаний составляет a 15 мм, а частота колебаний a 0,2 Гц.

Схема экспериментальной установки

1 – транспортный сосуд; 2 – ртутный манометр;
3 – датчик давления «Баратрон»; 4 – экспериментальная ячейка;
5 – подвес, 6 – гелиевый сосуд Дьюара; 7 – азотный сосуд Дьюара;
8 – азотная ловушка; 9 – вакуумный насос;

Схема экспериментального участка

Элементы экспериментального участка

Хлоркальцевые трубки

Нагреватель

Экспериментальная ячейка

Монодисперская засыпка

Анкудинов В.Б., Марухин Ю.А., Огородников В.П. (МЭИ, 1990 – 2020)

Схема установки для получения монодисперсных гранул

Монодисперсная засыпка

Американский патент на установку для
производства монодисперсных капсул

Результаты экспериментов

P_b = 2110 Pa, q_w = 39.5kW/m²

Видеоданные эксперимента

Обработка результатов экспериментов

Зависимость расстояния от межфазной поверхности до нагревателя от времени

Зависимость расстояния от межфазной поверхности до нагревателя от времени

Зависимость расстояния от межфазной поверхности до нагревателя от времени

Заключение

В результате экспериментальных исследований движения сверхтекучего гелия в канале с монодисперсной засыпкой d = 0,28 мм при тепловой нагрузке q_w = 39,5 кВт и давлении
P = 2110 Па (Т = 1,87K) обнаружены низкочастотные колебания с частотой 0.2–0.3 Гц и амплитудой 9-15 мм. Построена зависимость расстояния от межфазной поверхности до нагревателя, которая удовлетворительно аппроксимируется гармонической функцией. Также обнаружены вторичные колебания межфазной поверхности. В ряде случаев наблюдается затухание колебаний.

Список литературы

1. Королев П.В., Крюков А.П. Движение сверхтекучего гелия в капилляре с паром при наличии продольного теплового потока // Вестник МЭИ. 2002. № 1. С. 43–46.
2. Крюков А.П. Движение жидкости в канале с паром при наличии продольного теплового потока // Теплофизика высоких температур. 2000. Т. 38. № 6. C. 945—949.
3. Королев П.В., Крюков А.П., Медников А.Ф. Экспериментальное исследование движения гелия-II в капилляре при наличии паровой полости вблизи нагревателя // Вестник МЭИ. 2006. № 4. С. 27—33.
4. Пузина Ю.Ю., Королев П.В., Крюков А.П. Течение гелия-II в канале с пористой вставкой при безвихревом сверхтекучем движении // Вестник МЭИ, 2017. №4. С. 8–14.
5. P.V. Korolev, A.P. Kryukov, Yu.Yu. Puzina Experimental Study of the Boiling of Superfluid Helium (He-II) in a Porous Body // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2017, Vol. 58, No. 4, pp. 679–686.
6. Ankudinov V. B., Marukhin Yu. A., Ogorodnikov V. P., Ryzhkov V. A. Technology for Production of Monodisperse Spherical Granules. // Metallurgist 2019, Volume 63, Issue 5–6, pp 651–657.

–––––––––––––
* Korolyov P.V., Kryukov A.P., Puzina Yu.Yu., Yachevsky I.A. Experiments of superfluid helium flow in a channel with a monodisperse backfill // Journal of Physics: Conf. Series 1683 (2020) 022017 doi:10.1088/1742-6596/1683/2/022017