Моделирование кризиса криостатирования сверхтекучим гелием плоских тепловыделяющих элементов внутри вертикального канала

DOI: 10.17586/1606‑4313‑2026‑25‑3-12-21
УДК 536.24

Моделирование кризиса криостатирования сверхтекучим гелием плоских тепловыделяющих элементов внутри вертикального канала

Корняков И. А., Пузина Ю. Ю.

Ссылка для цитирования: Корняков И. А., Пузина Ю. Ю. Моделирование кризиса криостатирования сверхтекучим гелием плоских тепловыделяющих элементов внутри вертикального канала. // Вестник Международной академии холода. 2026. № 3. С. 12–21. DOI: 10.17586/1606‑4313‑2026‑25‑3-12-21 [Kornyakov I. A., Puzina Yu. Yu. Simulation of a cryostatic crisis by superfluid helium in flat heat-generating elements within a vertical channel. Journal of International Academy of Refrigeration. 2026. No 3. p. 12-21. DOI: 10.17586/1606‑4313‑2026‑25‑3-12-21]

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