vdgtuВестник Дагестанского государственного технического университета. Технические наукиHerald of Dagestan State Technical University. Technical Sciences2073-61852542-095XDaghestan State Technical University10.21822/2073-6185-2019-46-1-8-18vdgtu-638Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER, METALLURGICAL AND CHEMICAL MECHANICAL ENGINEERINGЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОХЛАЖДЕНИЯ СТРУЙ ВОДОРОДА И ДЕЙТЕРИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К УСТАНОВКАМ ПО ПОЛУЧЕНИЮ КРИОГЕННЫХ МОНОДИСПЕРСНЫХ МИШЕНЕЙNUMERICAL SIMULATION OF COOLING JET FROM HYDROGEN AND DEUTERIUM AS APPLICABLE TO INSTALLATIONS ON RECEIVING CRYOGENIC MONODISPERSE TARGETSБухаровА. В.BukharovA. V.

доктор технических наук, профессор, кафедра низких температур.

111250, Россия, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14.

Dr. Sci. (Technical), Prof., Department of Low Temperatures.

14, Krasnokazarmennaya Str., Moscow 111250.

boukharov@mail.ruГиневскийА. Ф.GinevskyA. F.

кандидат технических наук, доцент, кафедра низких температур.

111250, Россия, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14.

Cand. Sc. (Technical), Assoc. Prof., Department of Low Temperatures.

14, Krasnokazarmennaya Str., Moscow 111250.

emmanuelcell@mail.ruВишневскийE. В.VishnevskyE. V.

аспирант, кафедра низких температур.

111250, Россия, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14.

Postgraduate Student, Department of Low Temperatures.

14, Krasnokazarmennaya Str., Moscow 111250.

alexeyginevsky@gmail.comНациональный исследовательский университет «МЭИ»РоссияNational Research University «MPEI»Russian Federation201914072019461818Copyright © Бухаров А.В., Гиневский А.Ф., Вишневский E.В., 20192019Бухаров А.В., Гиневский А.Ф., Вишневский E.В.Bukharov A.V., Ginevsky A.F., Vishnevsky E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.dgtu.ru/jour/article/view/638Цель

Цель. Целью исследования является разработка модели и проведение численных расчётов охлаждения тонких струй водорода и дейтерия применительно к установкам по получению криогенных монодисперсных мишеней.

Методы

Методы. Для реализации поставленной цели была создана модель истечения криогенной струи в область низкого давления. В программной среде PHOENICS численным методом исследовано изменение с течением времени температуры поверхности и внутренней части струи при различных внешних параметрах.

Результат

Результат. Получены зависимости изменения температуры жидких струй водорода и дейтерия вдоль поверхности струи и по радиусу в зависимости от диаметра струи, скорости, начальной температуры струи и давления в рабочей камере установок по получению криогенных монодисперсных мишеней.

Вывод

Вывод. Показана принципиальная возможность создания высокоскоростных криогенных монодисперсных мишеней. В соответствии с расчётами, при вводе тонких жидких струй водорода или дейтерия со скоростью до 100 м/с в рабочую камеру с низким давлением, струи на расстоянии до 1 мм не успевают замёрзнуть и могут быть разбиты на монодисперсные капли. Капли за счёт испарения охлаждаются и становятся гранулами. Разработанная модель и программа для определения параметров устойчивого монодисперсного распада жидких криогенных струй, а также результаты численных расчётов могут быть использованы при создании установок по получению высокоскоростных криогенных монодисперсных мишеней.

Objectives

Objectives. Development of a model and carrying out numerical calculations for the cooling of thin jets of Hydrogen and Deuterium as applicable to installations on receiving cryogenic monodisperse targets.

Methods

Methods. To achieve this purpose, the model of cryogenic jet outflow into the low pressure area was created and using PHOENICS software the temperature change of the surface and the interior of a jet over time for various external parameters is investigated through the numerical method.

Result

Result. The dependences of temperature changes of liquid Hydrogen and Deuterium jets along the jet surface and along the radius depending on the jet diameter, speed, initial jet temperature and pressure in the working chamber of installations for receiving cryogenic monodisperse targets were carried out.

Conclusion

Conclusion. The principal possibility of creating high-speed cryogenic monodisperse targets is shown. According to the calculations, at input of thin liquid jets of Hydrogen or Deuterium with a speed up to 100 m/s into the working chamber with low pressure, jets at a distance of up to 1 mm do not have time to freeze and can be broken into monodisperse drops. Drops are cooled due to evaporation and become granules. The developed model, the program for determination of parameters of steady monodisperse disintegration of liquid cryogenic streams and results of numerical calculations can be used during creation of units for receiving high-speed cryogenic monodisperse targets.

струи водородаструи дейтериякриогенные монодисперсные мишенимодель истечения криогенной струинизкое давлениепрограммная среда PHOENICShydrogen jetsdeuterium jetscryogenic monodisperse targetscryogenic jet outflow modellow pressurePHOENICS softwareReferencesFactory / C. Ekstrom // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A. – 1995. – V. 362. – P.1–3.Technical Design Report for the PANDA (Antiproton Annihilations at Darmstadt) Straw Tube Tracker / W. Erni, I. Keshelashvili, A. Aab et al. // The European Physical J. A – Hadrons and Nuclei. – 2013. – V. 49. – № 2 . – Р. 25.Криогенные корпускулярные мишени. Концепция и основная модель / А. В. Бухаров, А. Ф. Гиневский, В. П. Чернышев и др.– Препринт – № 17-17.М.: Изд-во МЭИ, 2002.–35 с.Search for New Forms of Matter in Antimatter–matter Interactions in the PANDA Experiment / A.V. Boukharov, A. N. Vasiliev, D. A. Morozov et al. // Atomic Energy. – 2012. – V. 112. – № 2. – P. 129–138.Бухаров А. В. Криогенные корпускулярные мишени в энергетике/ А.В. Бухаров, А.С. Дмитриев. – М.: Изд-во МЭИ, 2013. – 144 с.FAIR CDR - An International Accelerator Facility for Beams of Ions and Antiprotons // Conceptual Design Report, 2001. – 695 p.Криогенные корпускулярные мишени. Генерация гранул водорода: расчет основных конструкционных элементов, экспериментальный стенд, тесты / А.В.Бухаров, В. Боргс, В.Н. Афонасьев и др. Препринт – №9-05. М.: Изд-во ИТЭФ, 2005. – 58 с.Trostell B. Vacuum Injection of Hydrogen Micro-Sphere Beams / B. Trostell // Nuc. Instr. and Met. in Phys. Res. A. – 1995. – V. 362. – P. 41–52.Weber C. Zum Zerfalleines Flussigkeitsstrahles ( On the breakdown of a fluid jet ) / C. Weber // Z. Angew. Math. und Mech. – 1931. Technical Design Report for the PANDA (Antiproton Annihilations at Darmstadt) Straw Tube Tracker / W. Erni, I. Keshelashvili, A. Aab et al. // The European Physical J. A – Hadrons and Nuclei. – 2013. – V. 49. – № 2 . – Р. 25.Ekstrom C. CELSIUS as an η Factory / C. Ekstrom // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A. – 1995. – V. 362. – P. 1–3.Search for New Forms of Matter in Antimatter–matter Interactions in the PANDA Experiment / A.V.Boukharov, A. N. Vasiliev, D. A. Morozov et al. // Atomic Energy. – 2012. – V. 112. – № 2. – P. 129–138.Kriogennyye korpuskulyarnyye misheni. Kontseptsiya i osnovnaya model' / A. V. Bukharov, A. F. Ginevskiy, V. P. Chernyshev i dr.– Preprint – № 17 17.M.: Izd-vo MEI, 2002.–35 s. [Cryogenic corpuscular targets. Concept and main model/ A.V. Boukharov, A.F. Ginevsky, V.P. Chernyshev et al. – Preprint – № 17-17. М.: MPEI publishing house, 2002.–35 p. (In Russ.)]FAIR CDR - An International Accelerator Facility for Beams of Ions and Antiprotons // Conceptual Design Report, 2001. – 695 p.Bukharov A. V. Kriogennyye korpuskulyarnyye misheni v energetike/ A.V. Bukharov, A.S. Dmitriyev. – M.: Izd-vo MEI, 2013. – 144 s.[ Boukharov A.V., Cryogenic corpuscular targets in power / A.V. Boukharov, A.S. Dmitriyev. – М.: MPEI publishing house, 2013. – 144 p. (In Russ.)]Trostell B. Vacuum Injection of Hydrogen Micro-Sphere Beams / B. Trostell // Nuc. Instr. and Met. in Phys. Res. A. – 1995. – V. 362. – P. 41–52.Kriogennyye korpuskulyarnyye misheni. Generatsiya granul vodoroda: raschet osnovnykh konstruktsion-nykh elementov, eksperimental'nyy stend, testy / A.V.Bukharov, V. Borgs, V.N. Afonas'yev i dr. Pre-print – № 9-05. M.: Izd-vo ITEF, 2005. – 58 s.[Cryogenic corpuscular targets. Generation of granules of hydrogen: calculation of the basic constructional elements, experimental stand, tests / A.V. Boukharov , V. Borgs, V.N. Afonasyev et al. Preprint – № 9-05. М.: ITEF publishing house, 2005. – 58 p. (In Russ.)]Ekstrom C. CELSIUS as an η –№ 11. – P. 136–154.Weber C. Zum Zerfalleines Flussigkeitsstrahles (On the breakdown of a fluid jet ) / C. Weber // Z. Angew. Math. und Mech. – 1931. – № 11. – P. 136–154.Heat-Physical Problems of Cryogenic Corpuscular Targets / A.V.Boukharov, E.V. Ametistov, A.F. Ginevsky, M.A. Bukharova // Problems of atomic science and technology. Nuclear physics inv. – 2013. – № 6. – P. 205–208.Heat-Physical Problems of Cryogenic Corpuscular Targets / A.V.Boukharov, E.V. Ametistov, A.F. Ginevsky, M.A. Bukharova // Problems of atomic science and technology. Nuclear physics inv. – 2013. – № 6. – P. 205–208.Бухаров А.В. Теплофизические проблемы криогенных корпускулярных мишеней/ А.В. Бухаров, А.Ф. Гиневский, А.Ю. Бурлакова // Вест. МЭИ. – 2015. – №3. – С. 35 – 41.Bukharov A.V. Teplofizicheskiye problemy kriogennykh korpuskulyarnykh misheney/ A.V. Bukharov, A.F. Ginevskiy, A.YU. Burlakova // Vest. MEI. 2015. №3. S. 35 – 41. [Boukharov A.V. Heatphysical problems of cryogenic corpuscular targets / A.V. Boukharov, F. Ginevsky, A.Yu. Burlakova // Vestnik MEI. – 2015. – №3. – P. 35 – 41. (In Russ.)]Бухаров А.В.Исследование поведения капиллярных сильноиспаряющихся струй жидкости в условиях вакуума / А.В. Бухаров, А.А. Семенов // Вест. МЭИ. – 2003. – № 4. – С.40–42.Bukharov A.V.Issledovaniye povedeniya kapillyarnykh sil'noisparyayushchikhsya struy zhidkosti v usloviyakh vakuuma / A.V. Bukharov, A.A. Semenov // Vest. MEI. 2003. № 4. S.40–42. [Boukharov A.V. Research of behavior capillary сильноиспаряющихся liquid streams in the conditions of a vacuum / A.V. Boukharov, A.A. Semyonov // Vestnik MEI. – 2003. – № 4. – P.40–42. (In Russ.)]Production of Hydrogen, Nitrogen and Argon Pellet with the Moscow - Julich Pellet Target / A. Boukharov, M. Büscher, V. Balanutsa et al. // Int. J. of Modern Physics E, Nuclear Physics. – 2009. – V.18. – Is.2. – P.505–510.Production of Hydrogen, Nitrogen and Argon Pellet with the Moscow-Julich Pellet Target / A. Boukharov, M. Büscher, V. Balanutsa et al. // Int. J. of Modern Physics E, Nuclear Physics. 2009. V.18. Is.2. – P.505–510.Экспериментальная установка для получения твёрдых гранул водорода / А.В. Бухаров, М. Бюшер, А.А. Семёнов и др.// Вест. МЭИ. – 2006. – № 2. – С. 16–24.Eksperimental'naya ustanovka dlya polucheniya tvordykh granul vodoroda / A.V. Bukharov, M. Byusher, A.A. Semonov i dr.// Vest. MEI. 2006. № 2. S. 16–24. [Experimental installation for receiving firm granules of hydrogen / A.V. Boukharov, M. Büscher, A.A. Semyonov et al. // Vestnik MEI. 2006. № 2. pp. 16–24. (In Russ.)]Эксперименты по получению гранул из твёрдого водорода / А.В. Бухаров, М. Бюшер, А.А. Семёнов и др.// Вест. МЭИ. – 2006. – № 3. – С. 34–40.Experiments on receiving granules from solid hydrogen / A.V. Boukharov, M. Büscher, A.A. Semyonov et al. // Vestnik MEI. – 2006. – № 3. – С. 34–40. (In Russ.)]Official site of company CHAM/Products, 2013.–URL:www.cham.co.uk.URL: www.cham.co.uk/phoenics/d_polis/d_docs/tr313/tr313.html.Official site of company CHAM / Products, 2013. – URL: www.cham.co.uk.Справочник по физико-техническим основам криогеники / М.П. Малков, И.Б. Данилов, А.Г. Зельдович и др. / под ред. М.П. Малкова. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 431 c.Spravochnik po fiziko-tekhnicheskim osnovam kriogeniki / M.P. Malkov, I.B. Danilov, A.G. Zel'-dovich i dr. / pod red. M.P. Malkova. – M.: Energoatomizdat, 1985. – 431 c. [The reference book on physics and technology bases of cryogenics / L. S. Malkov, I.B. Danilov, A.G. Zeldovich et al. / under the editorship of M.P. Malkov. – M.: Energoatomizdat, 1985. – 431 p. (In Russ.)]Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. Справ. издание / Д.Ю. Гамбург, В.П.Семёнов, Н.Ф. Дубовкин и др. – М.: Химия, 1989. – 672 л.Vodorod. Svoystva, polucheniye, khraneniye, transportirovaniye, primeneniye. Sprav. izdaniye / D.YU. Gamburg, V.P.Semonov, N.F. Dubovkin i dr. – M.: Khimiya, 1989. – 672 l. [Hydrogen. Properties, receiving, storage, transportation, application. Help edition / D.Yu. Hamburg, V.P. Semyonov, N.F. Dubovkin et al. . – M.: Chemistry, 1989. – 672 p. (In Russ.)]Свойства жидкого и твёрдого водорода: Справочный обзор, № 1 / Б.Н. Есельсон, Ю. П. Благой, В.Н. Григорьев и др.– М.: Изд-во стандартов,1969.–136с.Svoystva zhidkogo i tvordogo vodoroda: Spravochnyy obzor, № 1 / B.N. Yesel'son, YU. P. Blagoy, V.N. Grigor'yev i dr.– M.: Izd-vo standartov,1969.–136s. [Properties of liquid and solid hydrogen: The help review, № 1 / B.N. Eselson, Yu.P. Blagoy, V.N. Grigoriev et al. . – M.: Publishing house of standards, 1969.–136p. (In Russ.)]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.