Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Получены квазистационарные и динамические кривые кипения жидкого азота в диапазоне давлений от 1 до 4,5 атмосфер при горизонтальной ориентации рабочего участка в условиях линейного нарастания токовой нагрузки. Показано, что квазистационарные и динамические кривые кипения достаточно сильно отличаются при достижении определенного темпа нарастания тепловой нагрузки. Проведено также экспериментальное исследование по зависимости нестационарного критического теплового потока от среднего темпа нарастания тепловой нагрузки. Важным результатом исследования является доказательство существования граничного темпа нарастания токовой нагрузки при котором критический тепловой поток резко падает от значения первого критического теплового потока до минимального нестационарного. В результате численного моделирования развития конвекции на теплоотдающей поверхности было обнаружено, что критическое число Рэлея не зависит от темпа роста тепловой нагрузки на нагревателе. Данный результат имеет важное значение для разрабатываемой модели нестационарного кризиса кипения, поскольку позволяет оценивать нестационарный критический тепловой поток без поправок от характера изменения тепловой нагрузки со временем. Получены результаты работ по теоретическому анализу метастабильного режима пленочного кипения, которые позволяют определить область его существования и длительность.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе выполнения второго этапа проекта была усовершенствована система управления тепловой нагрузкой для достижения высокой точности задания мощности на рабочем участке. Усовершенствованная система управления позволила провести дополнительные экспериментальные исследования по поиску областей режимных параметров, при которых возможно существование метастабильных режимов пленочного кипения в жидком азоте для вертикальной и горизонтальной ориентации рабочего участка при ступенчатом росте тепловой нагрузки, а также определить длительность этих режимов в зависимости от давления, величины тепловой нагрузки и ориентации рабочего участка в поле силы тяжести. Показано, что нестабильные режимы пленочного кипения могут возникать при резком увеличении тепловой нагрузки для жидкостей в области режимных параметров, когда минимальный нестационарный критический тепловой поток ниже теплового потока перехода от плёночного к пузырьковому режиму кипения в квазистационарных условиях. Верхней границей области существования нестабильных плёночных режимов кипения по тепловому потоку является равновесный тепловой поток. Время перехода от установившегося пленочного режима кипения к пузырьковому может быть описано в рамках двухзонной модели распространения теплового фронта. Разработана модель для определения предельных темпов роста тепловых нагрузок, при которых наблюдаются отличия квазистационарной кривой кипения от динамической. Показано что эти предельные темпы прежде всего зависят от характерного времени тепловой инерции нагревателя. В свою очередь, характерное время тепловой инерции нагревателя определяется режимом теплоотдачи (конвективный, пузырьковый или пленочный режимы кипения). Для условий проведенных экспериментов показано, что при темпе нарастания тепловыделения ниже определенного (порогового) квазистационарная кривая кипения совпадает с динамической. Причем в этом случае темп нарастания тепловыделения будет определяться характерным временем тепловой инерции в режиме естественной конвекции. Выполнены модельные расчеты тепловых режимов в высокотемпературных сверхпроводниках 2-го поколения FYSC-S12 без медного стабилизирующего материала и FYSC-SCH12 с медным стабилизирующим материалом, при которых может происходить обратный переход от резистивного в сверхпроводящее состояние в результате разрушения метастабильной паровой пленки на поверхности сверхпроводника в насыщенном азоте. Обнаружено, что для ВТСП-2 ленты Fujikura FYSC-S12 в области температур насыщения азота от 90,1 К до 92,1 К и транспортных токов примерно 40 А переход ВТСП в нормальное состояние приведёт к нестационарному кризису теплообмена и последующему метастабильному пленочному кипению, которое через некоторое время сменится пузырьковым, и ВТСП провод перейдёт обратно в сверхпроводящее состояние. Однако, при токах близких к критическому (~720 А) переход в резистивное состояние будет приводить к устойчивому пленочному режиму кипения. Аналогичные результаты были получены для ВТСП-2 Fujikura FYSC-SCH12 с медным стабилизирующим материалом. Результаты численного моделирования развития свободной (естественной) конвекции вокруг цилиндрического нагревателя показывают, что критическое число Рэлея, характеризующие возникновение конвекции, не зависит от темпа роста тепловой нагрузки и ориентации нагревателя в поле силы тяжести. Определены критерии, определяющие возникновение кризиса теплообмена с последующим формированием метастабильной паровой пленки при резком росте теплового потока на поверхности нагревателя. Метастабильное пленочное кипения возникает, если энергия, запасенная в тепловом пограничном слое, превышает энергию, необходимую для образования паровой плёнки, а также равновесный тепловой поток превышает минимальный нестационарный критический тепловой поток. Выполнена оценка области существования метастабильных пленочных режимов кипения для некоторых криогенных жидкостей, а именно: гелий, водород, азот, кислород, аргон. Результаты тестовых расчетов показывают, что для всех рассмотренных жидкостей, за исключением гелия, возможно возникновение метастабильного пленочного режима кипения в области приведенных давлений от 0,07 до 0,35. Для гелия во всем диапазоне исследуемых давлений кризис происходит при первом критическом тепловом потоке.