История науки и техники

Министерство образования РФ Тамбовский государственный технический университет Кафедра Конструирование машин и аппаратов Реферат по истории науки и техники Вариант 170-96 Жизнь и творчество выдающегося советского ученого энергетика С. С. Кутателадзе Выполнил студент группы М-34 Илясов А. Ю. Проверил Капитонов Е. Н. Тамбов 2000 Самсон Семенович КУТАТЕЛАДЗЕ один из ведущих советских ученых в области теплофизики и физической гидродинамики.Четверть века с четырехлетним военным перерывом научная судьба Самсона Семеновича Кутателадзе была связана с Ленинградским областным теплотехническим институтом, переименованным позднее в Центральный котлотурбинный институт ЦКТИ. Здесь в 1932 1934 годах, выпускник Ленинградского теплотехникума, техник С. Кутателадзе выполнил свои первые экспериментальные работы, посвященные, тепловому моделированию подземных трубопроводов, в результате которых получены формулы для расчетов тепловых режимов подземных трубопроводов, работающих в стационарных и нестационарных условиях.

В 1935 году С. Кутателадзе предложил схему расчета турбулентных свободно-конвективных течений, основанную на разделении потока на зоны пристенного ламинарного течения и внешней турбулентной струи. Такой подход оказался революционным для своего времени и был экспериментально подтвержден в СССР и США лишь в конце 60-х годов.

Затем последовал цикл исследований процессов теплообмена при фазовых переходах работы, получившие широкую известность в нашей стране и за рубежом.

Молодой исследователь рассмотрел условия подобия теплообмена и гидродинамики при изменении агрегатного состояния вещества и ввел фундаментальный критерий отношение скрытой теплоты испарения к теплоте перегрева фазы, отражающий специфические особенности теплообмена при любом физико-химическом превращении.Разработанная им методология вывода безразмерных параметров подобия из уравнений, написанных отдельно для каждой из фаз, и условий взаимодействия на границах раздела фаз, стала классической.

В довоенный период С.С.Кутателадзе провел обширные экспериментальные исследования теплообмена при конденсации пара, кипении и затвердевании, результаты которых были обобщены в монографии Основы теории теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества, выпущенной в 1939 году. Сформулированные автором идеи нашли всеобщее признание и по существу определили развитие нового направления в теории теплообмена.Великая Отечественная война прервала научную деятельность С.С.Кутателадзе.

С июня 1941 по август 1945 года Самсон Семенович находился в частях Северного Флота и 14-ой Армии Карельского фронта. Был ранен. Начав войну солдатом, Самсон Семенович окончил ее офицером. После демобилизации С.С.Кутателадзе вновь вернулся в ЦКТИ, где работал вплоть до перехода в Сибирское отделение АН СССР в должностях старшего научного сотрудника, начальника физико-технического отдела.В 1950 году, закончив Ленинградский заочный индустриальный институт, С.С.Кутателадзе защитил кандидатскую диссертацию, в 1952 году докторскую, в 1954 году стал профессором.

Продолжая исследования гидродинамики потоков парожидкостных смесей при наличии фазовых переходов и кипения при больших тепловых нагрузках, он получил основные безразмерные характеристики таких потоков, исследовал предельные режимы течения и получил расчетные формулы для различных режимов течения смесей.Одно из наиболее значительных достижений С.С.Кутателадзе - объяснение механизма так называемого кризиса кипения.

В 1949 году Самсон Семенович предложил рассматривать начало пленочного кипения как особый гидродинамический кризис, возникающий тогда, когда образующийся у поверхности нагрева пар полностью взвешивает прилегающие к поверхности массы жидкости и отделяет их от поверхности нагревателя.Предложенная на основе такого подхода зависимость для критического теплового потока объяснила имеющиеся экспериментальные данные и скоро вошла во все учебники по тепло- и массообмену. Принцип анализа течения, с точки зрения гидродинамической устойчивости, позволил в дальнейшем определить условия существования различных режимов течения газожидкостных смесей.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований газожидкостных смесей обобщены С.С.Кутателадзе и М.А.Стыриковичем в монографии Гидравлика газожидкостных систем 1958 г. первой в мире монографии по этому вопросу.С.С.Кутателадзе активно участвует в работах, непосредственно связанных с развитием советской ядерной энергетики.

Под его руководством выполнен цикл теоретических и экспериментальных работ по исследованию теплоотдачи и гидродинамики движения жидких металлов в трубах и каналах. В 1958 году на основе этих исследований С.С.Кутателадзе вместе с коллективом авторов написана монография по жидкометаллическим теплоносителям.В 1950 1957 годах в сфере наручных интересов Самсона Семеновича важное место стала занимать гидродинамика течения однофазных жидкостей. Именно в эти годы он составил осредненные уравнения турбулентных потоков сжимаемого газа и рассчитал теплоотдачу при течении в трубах в условиях существенной неизотермичности.

Работу по теории турбулентных пристенных течений одному из труднейших направлений современной гидродинамики Самсон Семенович продолжил в Сибирском отделении АН СССР, куда в 1959 году он был приглашен на должность заместителя директора Института теплофизики.С.С.Кутателадзе обратил внимание на очень важную особенность пристенной турбулентности нечувствительность или весьма слабую зависимость некоторых характеристик осредненного течения по отношению к внешним возмущениям, в частности, изменениям условий на границах течения.

Так, в 1959 году он обнаружил существование конечного значения относительного коэффициента трения при неограниченном возрастании числа Рейнольдса.Это позволило сформулировать относительные предельные законы трения и теплообмена в турбулентных пограничных слоях и рассмотреть приложения этих законов.

Предельные относительные законы, являющиеся асимптотическими соотношениями, справедливыми при бесконечно больших числах Рейнольдса, соответствуют условиям вырождения вязкого подслоя и позволяют анализировать влияние таких возмущающих факторов, как неизотермичность, сжимаемость, поперечный поток вещества, горение, диссоциация, продольный градиент давления.Теория турбулентного пограничного слоя жидкости с исчезающей вязкостью послужила основой для систематических экспериментальных исследований принципиальных вопросов турбулентного переноса и позволила отыскать простые расчетные формулы.

Сюда же необходимо отнести и работы, основанные на гипотезе вырождения теплового пограничного слоя, нарастающего на адиабатической поверхности. Благодаря этой гипотезе возникла асимптотическая теория термогазодинамических завес.Теория, разработанная на основе относительных предельных законов трения и теплообмена, позволила создать расчетные методы, которые обобщены в монографиях Турбулентный пограничный слой сжимаемого газа Тепло- и массообмен и трение в турбулентном пограничном слое в соавторство с А. И. Леонтьевым, а также в монографии Пристенная турбулентность.

С 1965 года Самсон Семенович большое внимание уделяет гидродинамике неньютоновских жидкостей и особенно явлению снижения гидродинамического сопротивления при малых добавках в воду высокомолекулярных соединений.Цикл экспериментальных работ подтверждает гипотезу о том, что проявляющийся эффект снижения гидродинамического сопротивления связан с уменьшением интенсивности поперечных пульсаций скорости в значительной части пограничного слоя. С момента основания Института теплофизики С.С.Кутателадзе активно занимается измерением турбулентных характеристик течения в областях, прилегающих непосредственно к твердой поверхности. Применение новых методов диагностики стробоскопического и электродиффузионного к этой области течения привело к открытию ряда явлений.

В Сибирском отделении Самсон Семенович также продолжил работы в традиционном для него направлении гидродинамики двухфазных потоков.

Под его руководством выполнены первые в Советском Союзе исследования по выяснению механизма кипения жидких металлов с использованием методов рентгеновской визуализации. Изучено явление возникновения пленочного режима кипения вслед за режимом свободной конвекции, минуя стадию пузырькового кипения.Разработан электродиффузионый метод, диагностики газожидкостных потоков, позволяющий получить исчерпывающую информацию о структуре потока.

Применение метода в широком комплексе исследований позволило составить режимные карты течения газожидкостных смесей и существенно уточнить диапазон применимости имеющихся расчетных зависимостей. С 1963 года по инициативе С.С.Кутателадзе в институте была организована специализированная лаборатория по исследованию радиационного и сложного теплообмена.Первый цикл работ в этом направлении определяет роль излучения при расчете теплообмена в турбулентном пограничном слое. На основе предельных относительных законов теплообмена и трения в турбулентном пограничном слое автор предложил приближенный метод расчета теплообмена в этих условиях. Развитие метода позволило позднее выполнить строгое исследование теплового состояния зоны оттеснения, формирующейся при вдувании оптически поглощающего газа через пористую поверхность, обтекаемую турбулентным потоком излучающего газа. В 1964 году началась публикация серии работ С.С.Кутателадзе по исследованиям генератора низкотемпературной плазмы.

Идеи обобщения энергетических и тепловых характеристик плазмотронов оказались плодотворными для инженерного использования результатов физического эксперимента.

В первые же годы деятельности института под руководством С.С.Кутателадзе началось создание экспериментальной базы для исследования динамики разреженных газов.Это направление с самого начала ориентировалось на использование методов криогенной откачки, высокотемпературного плазменного подогрева и электроннопучковых методов диагностики для исследования неравновесных процессов в высокотемпературных потоках низкой плотности.

Эти работы завершились в 1972 году введением в строй генератора молекулярного пучка с криогенной откачкой. Сейчас Институт теплофизики располагает крупнейшим в мире вакуумным газодинамическим комплексом.В 1965 году С.С.Кутателадзе избран директором Института теплофизики Сибирского отделения АН СССР. Самсон Семенович основатель научной школы теплофизиков и организатор больших исследовательских коллективов в Ленинграде и Новосибирске.

Еще до войны он создал специализированную группу для изучения теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества.В послевоенные годы С.С.Кутателадзе организовал лаборатории жидкометаллических теплоносителей, теплофизики, теплофизических свойств сплавов четыре из пяти научных отделов Института теплофизики СО, АН решают задачи теплообмена фазовых переходов, пристенных турбулентных течений, гидродинамики газожидкостных смесей и неньютоновских жидкостей, радиационного переноса, динамики разреженного газа. Под руководством С.С.Кутателадзе создано научно - производственное объединение теплофизического направления Институт теплофизики, СКВ Энергохиммаш.

В 1968 году Самсон Семенович избирается членом-корреспондентом АН СССР. В 1970 году на международной конференции по тепло- и массообмену награжден международной медалью Макса Джекоба, учрежденной Американскими обществами инженеров - механиков и инженеров - химиков, за выдающиеся достижения в области теплофизики.

Многие научные результаты Кутателадзе доведены до инженерных расчетных формул, которые вошли в справочную и нормативную литературу. В 1959 году издан справочник С.С.Кутателадзе и В.М.Боришанского по теплопередаче.Работы по жидкометаллическим теплоносителям, кризисам кипения, гидродинамике парожидкостных смесей стимулировались нуждами ядерной энергетики и других отраслей новой техники в 40 50-х годах.

Большой цикл работ в ЦКТИ и на Ленинградском Кировском заводе был выполнен в связи с созданием новых конструкций паровых котлов, паровых турбин и конденсационных аппаратов.По инициативе С.С.Кутателадзе работы по развитию криогенно - вакуумной техники продолжены в СКВ Энергохиммаш . Здесь на основе достижений института создается новое поколение вакуумных газодинамических установок В 1963 году Институт теплофизики получил задание академика М. А. Лаврентьева рассмотреть возможность использования термальных вод Камчатки.

С.С.Кутателадзе и Л.М.Розенфельд предложили использовать для выработки электроэнергии бинарный цикл с хладоагентами, н на этой основе создана единственная в мировой практике ГеоТЭС с фреоновым турбогенератором на Паратунских термах Камчатки. Эксперименты показали возможность и экономическую целесообразность применения фреоновых турбогенераторов в качестве энергоблоков на нефтеперерабатывающих заводах при использовании сбросного тепла.Научную деятельность С.С.Кутателадзе всегда сочетает с педагогической.

В 1956 1957 годах он читал лекции в Военно-Морской Академии им. Крылова, а с 1963 года преподает в Новосибирском Государственном университете. Почти десять лет С.С.Кутателадзе руководит кафедрой теплофизики НГУ. Шестнадцать его учеников защитили докторские диссертации и более шестидесяти кандидатские. Созданный по инициативе Самсона Семеновича Сибирский теплофизический семинар приобрел всесоюзное значение.Здесь ежегодно обсуждаются результаты в области теории турбулентности, физической гидродинамики, теплообмена при фазовых переходах и энергетики.

С.С.Кутателадзе руководитель межинститутского семинара и председатель координационного Совета Сибирского отделения АН СССР по проблеме Турбулентность, член редколлегии журналов Прикладная механика и техническая физика и Теплофизика высоких температур, член редакционного Совета Инженерно - физического журнала.С.С.Кутателадзе неоднократно представлял советскую науку за рубежом на международных конгрессах и конференциях по энергетике, тепло- и массообмену и гидродинамике двухфазных сред и является членом национального комитета по тепло- и массообмену, Ассамблеи международных конференций по теплообмену, Научного Совета международного центра по тепло- и массообмену, редакционного Совета Международного журнала по тепло- и массообмену. Им написано 10 монографий, которые неоднократно переиздавались в Советском Союзе, переводились в Англии, США, Чехословакии.

Заслуги С.С.Кутателадзе отмечены правительственными наградами орденом Ленина, Трудового Красного Знамени, Знак Почета и медалями.