Корняков И.А., Пузина Ю.Ю. Моделирование кризиса криостатирования сверхтекучим гелием плоских тепловыделяющих элементов внутри вертикального канала

УДК 536.24

Корняков И.А., Пузина Ю.Ю. Моделирование кризиса криостатирования сверхтекучим гелием плоских тепловыделяющих элементов внутри вертикального канала

Аннотация
В процессе эксплуатации погружных систем криостатирования возможны ситуации возникновения импульса тепловой нагрузки на тепловыделяющих элементах. При этом нарушается номинальный режим работы установки, и возникает кризис теплоотдачи с поверхности охлаждаемого образца, что приводит к появлению очага пленочного кипения сверхтекучего гелия. В настоящей работе рассматриваются процессы тепломассопереноса при образовании пара в вертикальном канале, заполненном сверхтекучим гелием. При этом нагреватель может располагаться вверху или внизу канала. Представлено математическое описание для каждого варианта постановки задачи на базе механики сплошных сред, молекулярно-кинетического анализа, полуэмпирической теории Гортера–Меллинка. Исследование численных результатов решения показывает характер влияния входных параметров (температуры жидкости, глубины погружения нагревателя, теплового потока) на амплитудно-частотные характеристики процессов и динамику межфазной поверхности пар – сверхтекучий гелий. Обсуждаются причины расхождения экспериментальных и расчетных данных.

Ключевые слова: сверхтекучий гелий, тепломассоперенос, паровая пленка, межфазная поверхность, колебания, уравнение движения, неравновесные граничные условия.

Список литературы

Стишов С.М.Заметки о свойствах гелия. // Успехи физических наук, 2024. Т. 174, №4. С. 360-364.DOI: 10.3367/UFNr.2024.02.039650
Cetin N.S., Pavelka M. Varga E.A geometric one-fluid model of superfluid helium-4. // International Journal of Engineering Science, 2025, V. 2017, 104377.DOI:10.48550/arXiv.2503.10680
Gorter C.J., Mellink J.H.On the irreversible processes in liquid helium II. // Physica, 1949, Vol. 15, No. 3–4, P. 285-304.DOI: 10.1016/0031-8914(49)90105-6
Vitrano A., Baudouy B.Superfluid helium forced flow in the Gorter-Mellink regime. // Cryogenics, 2023, V. 129, 103628.DOI:10.1016/j.cryogenics.2023.103628
Design of the cryostat for High Field Vertical Magnet Testing Facility at Fermilab. / Koshelev S. et al. // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2022. V. 1240. 012081.
Cryogenic and safety design of the future high field cable test facility at Fermilab. / Bruce R. et al. // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2024. V.1301.012093.DOI:10.1088/1757-899X/1301/1/012093
Рефрижератор растворения ³He в ⁴He высокой холодопроизводительности. / Тихонов А.М. и др. // Успехи физических наук, 2025. Т. 195, № 7. С. 787-789.DOI:10.3367/UFNr.2024.12.039846
Городнов И.С., Должиков А.С.Рефрижератор растворения для поляриметра Hydro-M∅ller вэкспериментеP2 наускорителеMESA. // ПисьмавжурналФизикаэлементарныхчастиц и атомного ядра, 2023. Т. 20. № 5 (250). С.1305.
Источник ультрахолодных нейтронов на основе сверхтекучего гелия для реакторного комплекса ПИК. / Лямкин В.А. и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2024, № 9, С. 3-11. DOI: 10.31857/S1028096024090012, EDN: EITVWJ
Источник ультрахолодных нейтронов на основе сверхтекучего гелия для реактора ПИК. / Серебров А.П. Лямкин В.А., Фомин А.К., Онегин М.С. // Журнал технической физики, 2022, Т. 92, № 6. С. 899-906.DOI:10.21883/JTF.2022.06.52522.21-22
Лямкин В.А., Серебров А.П., Бородинов Г.О., Коптюхов А.О., Недоляк А.А., Прудников Д.В., Сиротин А.В.Система очистки гелия на базе очистителя KDHPS-CC для источника ультрахолодных нейтронов на основе сверхтекучего гелия. // Вестник Международной академии холода. 2024. № 3. С. 3-10. DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-3-3-10
Ближнеполевые эффекты в узлах золотой наносети, выращенной лазерной абляцией в сверхтекучем гелии: кроссовер между “горячими точками” типа “острие” и “зазор”. / Степановa М.Е. и др. // Письма в ЖЭТФ, 2024. Т. 120, № 4, С. 231-237.DOI:10.31857/S0370274X24080129
Реакция восстановления кислорода на Pt-нанонитях, синтезированных в сверхтекучем гелии. / Манжосa Р.А. и др. // Электрохимия, 2022. Т. 58, № 9, С. 519-522.
Rousset B., Millet F.Performance assessment of multi-tube He II/He II heat exchanger using a single tube sample. // Cryogenics, 2022. V. 124. 103484.
Ivochkin Yu.P., Yudin S.M., Borodina T.I.Specific features of the breakup of hot liquid metal droplets falling into cold water. // Technical Physics, 2024. Т. 69. № 10. С. 2517-2526.
Three-phase VOF modeling of water jet – molten metal interaction. / Yakush S.E., Sivakov N.S., Melikhov O.I., Melikhov V.I. // Nuclear Engineering and Design, 2024. Т. 418. 112893.
Корняков И.А., Пузина Ю.Ю.Особенности кипения сверхтекучего гелия как криоагента на плоском нагревателе внутри вертикального канала. // Вестник Дагестанского технического университета. Технические науки, 2025. Т.52, №3. С. 6-19.
Пузина Ю.Ю., Крюков А.П.Движение межфазной поверхности гелий II – пар в U-образном канале. // Теплофизика и аэромеханика, 2023. Т. 30, №4, С. 751-762.
Пузина Ю.Ю., Крюков А.П.Сравнение колебаний границы раздела фаз гелий-II – пар в U-образном канале с монодисперсной засыпкой и без неё. // Инженерно-физический журнал, 2024. Т. 97, №7, С. 1727-1733.EDN:KPNEEH
Puzina Yu.Yu., Kryukov A.P. Recovery heat flux at superfluid helium boiling in a U-shape channel with a porous backfill. // Cryogenics, 2024, V. 141, 103864.
Муратова Т.М., Лабунцов Д.А.Кинетический анализ процессов испарения и конденсации // Теплофизика высоких температур, 1969, Т. 7, №5. С.959-976.
Kryukov A.P., Van Sciver S.W.Calculation of the recovery heat flux from film boiling in superfluid helium. // Cryogenics, 1981. V.21, N.9. P. 525–528.
Puzina Yu.Yu., Kryukov A.P.Recovery heat flux at superfluid helium boiling in a U-shape channel with a porous backfill. // Cryogenics, 2024. V. 141, 103864.
Heat and mass transfer at condensate-vapor interfaces / Kryukov, A.P., Levashov, V.Y., Zhakhovskii, V.V., Anisimov, S.I. // Physics-Uspekhi, 2021, V. 64(2), P. 109-140.
Корняков И.А., Пузина Ю.Ю.Колебания межфазной поверхности пар – сверхтекучий гелий в прямом вертикальном канале. // 16-я международная конференция – школа молодых ученых «Волны и вихри в сложных средах». М.: ООО «Испо-принт», 2025. С. 132-135.
Puzina Yu.Yu., Kryukov A.P., Levashov V.Yu.Evolution of liquid–vapour interface during film boiling on sphere. // International Journal of Thermal Sciences, 2024. V. 196, 108683. DOI:10.1016/j.ijthermalsci.2023.108683
Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М.Теоретическая физика. М.: Наука, 1986, Т. 6.
Крюков А.П.Элементы гидродинамики и теплопереноса в гелии II: учебное пособие. М.: Издательство МЭИ. 2004.
Kondaurova L.P. Quantum turbulence in superfluid helium: Decay and energy spectrum. // Physics of Fluids, 2024. V. 36, 115119. DOI: 10.1063/5.0222928
Nemirovskii S.K.On the dependence of thermodynamic variables on the relative velocity vns in a superfluid counterflowing helium. // Physics of Fluids, 2024. Vol. 36, 033108.DOI:10.1063/5.0196867