Гидродинамика двухфазных потоков в системах питания энергетических установо (Венгерский Э.В., Морозов В.А., Усов Г.Л., 1982 - Гидродинамика двухфазных потоков в системах питания энергетических установок)

ББК 39.62 В 29 3'ДК 629.7,036:532.529.5 Рецензент канд техн, иаун В. и Петров Венгерский Э. В. и др. В29 Гидродинамика двухфазных потоков в системах питания энергетических установок/Э. В. Венгерский, В. А. Морозов, Г. Л. Усов — МА Машиностроение, 1982.— 128 с., ил. 45 к. В книге описаны фквнческне процессы изменения параметров газожндкостной среды прн вынужденном двнженнк в гндравлнческях топлмвоподающнх системах пктаяня энергетнческнх силовых установок. Кинга рассчитана ма инженеров.

занимающихся проектнрованнем топливных систем энергетических силовых установок н исследованием рабочих процессов. ББК 39.02 6Т8 3600000000-228 В 228-82 038(01)-82 ИБ 20 1949 Эдуард Владимирович Венгерский, Генрик Леонидович Усов, Влади,нир Александрович Морозов 1ИДРОДИНАМИКА ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ В СИСТЕМАХ ПИТАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Подпнсано в печать 04Л2.82. Т-004 Бумага типографская М 2. Гарнитура лнтературная~ Усл. печ.

л. 8 Уч.-кзд. л. 9.24 Заказ 2410 Цена 46 к. Сдано в набор 26Л0.81. Формат 60Х90'/м. Печать высокая. тнраж 1ИЮ эьз. Ордена Трудового Красного Знамени нздательство «Машиностроение». 107076. Москва. 6-76, Стромынскнй пер., 4. Московская тнпографкя УЬ 8 Союзполиграфпрома прк Государственном комитете СССР по делам издательств, полаграфнн к княжной торговли.

Хохловскяй пер., 7. © Издательство «Машиииосрооеии», 1982 И Редактор т. В. Васильева Художественный редактор В. В. Лебедев Текнкческнй редактор В. и. алешкино Корректоры А. А. Счостнно н А. М Усачеве Обложка хуаожнкка и Н. Волкоао ВВЕДЕНИЕ Дальнейшее совершенствование энергетических установок неразрывно связано с точностью математического моделирования <ложных физических процессов, протекающих в их агрегатах и системах.

В последнее время методы математического моделирования широко внедряются в практику исследований в связи с развитием ЭВМ и созданием систем диагностирования. Одним из вопросов математического моделирования энергетических установок является описание процессов течения топлива в магистралях системы питания. С этими физическими процессами неразрывно связаны такие проблемы работоспособности изделий, как продольная устойчивость, устойчивость двигателя к низкочастотным колебаниям, к кавитацнонным автоколебаниям. За последние годы исследованиям этих проблем и вопросам, связанчым с ними, посвящен целый ряд изданий, в которых в той или иной мере рассматриваются динамические характеристики систем питания и методы их математического моделирования [19, ЗО, 42, 471.

В известных публикациях упругие свойства магистралей питания описываются без учета возможного образования в них при течении топлива двухфазного газожидкостного потока. Условия эксплуатации двигательных установок, работающих на высококипящих топливах, требуют обеспечения насыщения топлива газом до равновесных концентраций 148]. Это обстоятельство создает предпосылки для возникновения после запуска при провалах давления, сопровождающих переходные режимы, выделения растворенного в топливе газа и течения топлива с газовыми включениями.

Более того, если не принимается специальных мер по дегазированию, большинство применяемых в эксплуатации энергетических установок высококипящих топлив без принудительного насыщения оказывается в той или иной мере насыщенным газами. Возникновение в магистралях системы питания двухфазного газо- жидкостного потока может привести к значительному видоизменению динамических характеристик энергетической установки, снижению кавитационпых запасов насосов, увеличению гидравлических потерь давления. Степень влияния двухфазности потока на параметры течения и характеристики энергетической установки в целом определяются прежде всего относительной объемной концентрацией газовой фазы.

Вопросам гидродннамикн двухфазных потоков посвящено большое число отечественных и зарубежных исследований, содержащих обширный теоретический и экспериментальный материал ~ЗЗ, 43, 39, 67]. Однако значительное усложнение физической картины процесса течения двухфазного потока, сопровождающегося механическим и тепловым взаимодействием фаз, характеризующегося разнообразными формами и режимами, многообразием возможных структур потока, затрудняет получение достоверных количественных характеристик и проведение математического моделирования процесса течения.

В настоящее время в известной нам литературе отсутствует строгая, сколько-нибудь обоснованная физическая картина образования двухфазного газожидкостного потока. Более того, в 'обширной литературе нет единого взгляда на источник образования новой фазы. В большинстве случаев при исследовании двухфазных потоков фазовый переход схематизируется в зависимости от условий течения либо как предельно равновесный, подчиняющийся термодинамическим соотношениям, либо им пренебрегают вообще.

Анализ условий течения насыщенного газом топлива по магистралям систем питания энергетических установок и результаты экспериментальных данных показывают, что ни та, ни другая предельная схематизация процесса в этих условиях ие может быть принята. Для удовлетворительного совпадения результатов математического моделирования с опытными данными необходим учет кинетики процесса образования двухфазного потока, т. е, кинетики' процесса десорбции газа, растворвнного в топливе при провалах давления, сопровождающих переходные режимы работы энергети-' ческих установок.

Это обстоятельство еще более усложняет систему уравнений, описывающих неустановившееся течение. Большинство известных теоретических исследований течения потока в топливоподающих магистралях проводится методами, ос-, нованными на линеаризации уравнений гидромеханики и выделении областей устойчивости без прямого решения исходной систе-' мы уравнений. При этом сходимость с экспериментальными данными достигается путем введения сосредоточенной упругости, описывающей кавитационные явления в шнекоцентробежном насосе.

Однако с помощью такого метода трудно оценить механизм возникающих колебаний и влияние на границу устойчивости отдельных режимных и конструктивных факторов. Кроме того, результаты моделирования, используемые при разработке систем диагностирования ненормальных состояний по данным телеметри-~ ческой информации, требуют получения описаний поведения параметров во временной области.

С этих точек зрения, особенно с развитием ЭВМ, более удобным являются методы непосредственного численного интегрирования уравнений, описываюши . динамику процесса течения. В книге рассмотрены основные вопросы неустановившегося движения жидкости с учетом неравновесных фазовых переходов, связанных с выделением растворенного в жидкости газа, применительно к условиям течения высококипящих топлив в системах питания энергетических установок. Все исследования проведены с единых позиций создания на базе предложенной физической модели образования двухфазного потока математической модели неустановившегося движения и разработки методов ее решения.

При написании книги авторы ис. пользовали обширный, но разрозненный теоретический и экспериментальный материал по отдельным сторонам процесса двухфазного течения и результаты собственных исследований. Некоторые положения в книге являются дискуссионными, однако сложность и многообразие физических процессов, возникающих при фазовых переходах в потоке, и их взаимное влияние с характеристиками течения, недостаточная изученность в настоящее время отдельных явлений не позволяют считать решение задачи полностью завершенным.

Сложность задачи состоит еще в том, что экспериментальное подтверждение каждого процесса в отдельности практически невозможно. Книга состоит нз введения и семи глав. Главы 1, 7 написаны В. А. Морозовым, введение и главы 2 и 3 написаны Э. В. Венгерским и главы 4, 5, 6 — Г. Л. Усовым. Авторы выражают искреннюю признательность и благодарность канд.

техн. наук Петрову В, И. за полезные советы и ряд ценных замечаний, сделанных при рецензировании книги. Глава ! УСЛОВИЯ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ГИДРОСИСТЕА4АХ ПИТАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК !и. НАСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМАХ ПИТАНИЯ В современных энергетических установках весьма широко используются двигатели, топлива для питания которых специально или в результате их контакта с окружающей атмосферой насыщаются газом до равновесных состояний [481.

При движении таких жидкостей по системам питания в последних создаются условия для выделения растворенного газа и образования двухфазных потоков. Присутствие свободного газа в гидравлических системах приводит к существенном> изменению их гидравлических характеристик и к значительному усложнению расчетов по определению параметров потока. Рассматриваемые в монографии системы питания энергетических установок представляют собой обширный класс гидравлических линий, обеспечивающих подачу жидкости от топливных баков на вход в двигатели, например в камеры сгорания или насосы ЖРД.

Системы питания включают в себя совокупность трубопроводов различной конфигурации, заборные и регулирующие устройства, а также ряд других вспомогательных устройств. Примеры топливных систем питания представлены на рис. 1.1 и!.2. !481 Основная задача системы питания — обеспечить подачу топлива и заданные входные параметры двигателей при запуске, остановке и работе на всех предусмотренных программой режимах.

Рассмотренному классу систем питания присущ ряд особенностей, определяющих во многом условия их работы и протекающие в них процессы: небольшая протяженность — до 20 м, значительные средние скорости течения жидкости — до 10 — 15 и/с, довольно узкий диапазон рабочих давлений — !О" — 2 !Ов Па и небольшие гидравлические сопротивления. С другой стороны, специфика работы систем питания определяется особенностями связанных с ними двигателей: жесткими требованиями к временным харак-, теристикам запуска и выключения, узким диапазоном рабочих входных давлений, широким диапазоном регулирования по расходу и динамическими характеристиками, весьма чувствительными к внешним воздействиям.