Газодинанамика в одно- и двухфазных течений в реактивных двигателях

МИНИСтсРСТВО ОЬРЛЗОВЛНИЯ РОССИЙСКОЙ ФсДВРЛглии московский лвилционный институт (госудггрственный технический университет) И.А. ДКПЕШИНСКИй ГАЗОДИНАМИКА ОДНО- И ДВУХФАЗНЫХ ТЕЧЕНИЙ В РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ Допугц ен о гггггнггстерстволг образования Россииской гредерации в качестве учебного пособил для студентов вытвих учебных заведений. обучаюгцихся по спецггальнггсти вЛниациггнные двигатели и энергетические установки~ направления подготовки диплолгнрггваннглх специалистов ж ггвгггате гн летательных аппаратовв Москва Издательство МАИ 2ООЗ ББК 22.3.5 Л 48 Федеральная целевая программа е Культура России» ~подпрограмма «Поддержка полиграфии и книгоиздания России ) Изложены основы газодинамики однофазных и двухфазных течений на основе одномерных моделей.

С использованием системного подход» рассмотрены свойства жидкостей и $взов, параметры, характсрнзукнцис состояние и процессы в газодинамической системе: сформулированы алгоритмы построения математических моделей, способы решения задач н анализа течений в основных элементах реактивных двигателей. Для студентов. аспирантов и инженеров. изучаю~них газо;ннгамнку и используюгцих ес результаты в своей работе.

,~ 2203050000 в 526 094 (02) — 03 ББК 22.3.5 © И.А. Лепешинский, 2003 ВВЙ 5 — УО35 — 1349 — 9 ГО Московский авиационный институт (государственный технический университет), 2003 д48 Леиешинский И.А. Гнводиншгихц одно- и двухфдзных тсчсний в рсйктивных двигатсдях. — М.: Изд-во МАИ, 2003. — 276 с.: ил. ПРЕДИСЛОВИЕ В книге излагаются основы гидрогазодинамики, необходимые для последующего изучения курсов "Лопаточные машины", "Теплопередача", "'теория реактивных двигателей'*, *'Испытание и регулирование реактивных двигателей", составляющих основу специальностей студентов факультетов двигателей летательных аппаратов авиационных вузов.

Учебник соответствует программе курса "Прикладная гидрогазодинамика", изучаемого в течение двух семестров, и охватывает материал, соответствующий первому семестру, а также содержит раздел, посвященный двухфазным течениям, который читается только для некоторых специальностей во втором семестре. Основу книги составляют лекции автора, читаемые на факультете "Двигатели ЛА" Московского государственного авиационного института, содержание и логика построения которых сложились под несомненным влиянием учителей-проФессоров этого института Г.Н. Абрамовича и О.С.

Сергеля. Материал книги будет полезен всем изучающим основы газовой динамики, в особенности для первого знакомства с этой дисциплиной. Автор выражает искреннюю благодарность рецензенту профессору, доктору технических наук Д.С. Ковнеру за полезные советы, касающиеся вопросов построения курса; Н.М. Федоровой, А.В.

Ципенко и аспирантам А.В. Воронецкому, А.В. Кучинскому, А.А. Яковлеву, С.С. Янышеву, оказавшим неоценимую помощь в оформлении книги. 1. ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И ОБЪЕКТ ИЗУЧЕНИЯ 1.1. Гидрогазодинамика Гидрогазодинамика — наука, изучающая законы поведения в условиях как равновесия, так и движения жидкостей и газов с учетом их силового, массового и энергетического взаимодействия с твердыми поверхностями, жидкостями или газами.

Термин "жидкость" используется в курсе как для обозначения класса веществ, об ьединяемых общим свойством легкоподвижности (текучести), так и капельных жидкостей. Капельные жидкости отличаются свойством несжимаемости. Термин "газ" используется для обозначения сжимаемых жидкостей. Под свойством сжимаемости понимается способность вещества легко изменять свой объем. Под свойством легкоподвижности понимается способность вещества легко изменять свою форму. Жидкости и газы широко распространены в природе и часто используются в науке и технике в качестве рабочего тела. 1.1.1.

Рабочее тело. Вещество или совокупность веществ„посредством которых осуществляется обмен энергий, преобразование энергии из одной формы в другую или в работу и обратно, называется рабочим телом. В реактивных двигателях жидкостное (газовое) рабочее тело используется для создания силы тяги, получения работы, смазки, охлаждения и других целей. 1.1.2.

Почему гидрогазодинамика выделилась в самостоятельную дисциплину. Гидрогазодинамика является частью раздела механики сплошных сред, являющегося, в свою очередь, частью раздела механики общего курса физики. Что выделило гидрогазодинамику в самостоятельную дисциплину? Специфические свойства рабочего жидкостного тела, такие как текучесть, сжимаемость и вязкость. Наличие этих свойств у жид- кости приводит к появлению дополнительной по сравнению с твердым телом деформационной формы движения. Как известно, твердое тело характеризуется поступательной и вращательной формами движения. Для описания поведения жидкости необходимо учитывать еще и деформационное движение. Это обстоятельство не позволяет непосредственно применять физические законы к движению жидкости, необходимо их уточнение с учетом всех свойств жидкости.

1.1.3. О прикладном характере изучаемого курса. Прикладной характер курса означает, что целью изучения курса являются не только физические законы поведения жидкости, но и способы решения практических задач инженерными методами. Суть этой прикладной направленности можно выразить так: физические законы — математические модели — алгоритмы — программы — решения — анализ. Физические законы имеют важнейшее значение, являясь основой для построения моделей и анализа течения. 1.1.4. Состав и разделы курса. Курс включает в себя гидро- статику, кинематику, динамику. Гидросзпатика изучает равновесие жидкостей и тел, в них погруженных; кинематика изучает движение жидкостей без учета определяющих движение взаимодействий; динамика изучает движение жидкостей с учетом взаимодействия с твердыми телами, жидкостями и окружающей средой.

Динамика состоит из двух разделов: гидродинамики,, изучающей законы движения несжимаемой жидкости, и газовой динамики, изучающей поведение сжимаемого газа. 1.1.5. Значение гидрогазодинамики. Гидрогазодинамика является основой курсов теории двигателей, лопаточных машин, а также энергетических установок. На ее основе рассчитываются гидравлические и топливные системы, системы смазки, управления и охлаждения. Организация испытаний различных энергетических установок, изучения режимов полета летательных аппаратов также требует знания гидрогазодинамических законов. 1.2.

Цели и задачи курса Основная цель данного курса — научить анализу поведения жидкостей и газов в реактивных двигателях, энергетических установках и их элементах, а также методам и способам расче- та процессов, определяющих поведение рабочего тела. Для достижения этих целей необходимо изучить: — свойства жидкостей, — основные физические законы, определяющие состояние и поведение жидкости, — способы построения математических моделей, — методы приближенного анализа и расчета газодинамичес- ких процессов в основных элементах двигателя, — принципы и законы моделирования, а также освоить ряд конкретных наиболее употребительных моделей.

1.3. Объект изучения Объектом изучения будет поведение жидкостного (газового) рабочего тела в условиях обмена массой, энергией, количеством движения с окружающей средой, а также взаимодействия с твердыми поверхностями и жидкостями или газами. Несмотря на то, что нас будут интересовать конкретные гидрогазодинамические устройства (диффузоры, сопла, форсунки, камеры сгорания и т.

п.), все законы поведения (движения) жидкости могут применяться только к жидкости, а не к устройству. Хотя на установившемся газодинамическом жаргоне будет звучать: "рассчитать сопло", "'рассчитать форсунку" и т. д. Поэтому поведение рабочего тела необходимо изучать в системе. С этой целью при рассмотрении различных газодинамических задач выделяют окружающую среду и гидрогазодинамическую систему, к которой затем применяют физические законы. 1.4.

Гидрогазодинамическая система и окружающая среда 1.4.1. Система. Гидрохазодинамическая система, или система, — это совокупность материальных тел (элементов жидкости) со связями между ними, заключенных внутри мысленно выбранных границ (контрольной поверхности). Остальная часть материальных тел, не вошедших в систему, называется окружающей средой. Бсли в первом случае (система) материальными телами являются только элементы жидкости, то во втором (окружающая ЛП,. Х П.

1 (1.Ц где ЛП. — разница параметра П. в двух точках системы. Понятие равновесной системы как предельного случая ее состояния является весьма удобным, так как для ее характеристики можно использовать вместо поля каждого параметра его единственное значение. Система называется стационарной, если параметры состояния не зависят от времени, в противном случае система является нестационарной. 1.4.3.

Процесс. Изменение состояния системы называется процессом. Причиной изменения состояния является либо взаимодеиствие системы с окружающей средой, либо, в случае ее изолированности от окружающей среды, само неравновесное состояние, из которого система стремится перейти к равновесному состоянию. 1.4.4. Обратимый и необратимый процессы. Изменение состояния — процесс может происходить либо обратимо, или рав- среда) это и элементы жидкости, и твердые поверхности взаимодействия. Система определяется структурой и поведением (функционированием). Поведение системы характеризуется состоянием и взаимодействием с окружающей средой. При рассмотрении поведения жидкости в системе окружающая среда мысленно отделяется от системы, а ее действие на систему учитывается соответствующим внешним по отношению к системе массовым, импульсным (силовым) и энергетическим взаимодействием.

1.4 2. Параметры состояния. Равновесная и неравновесная, стационарная и нестационарная системы. Состояние системы, при котором параметры в ее различных частях одинаковы, называется равновеснъим, в противном случае — неравновесным. Реальные системы никогда не бывают равновесными. Если параметр состояния обозначить через П, то характеристикой равновесности состояния системы может служить критерий не- равновесности состояния системы новесно, либо необратимо (неравновесно) (3~. Причиной необратимости процесса является внутреннее трение в системе. Необратимыми являются процессы, протекающие при конечной разности параметров, например, передача тепла при конечной разности температур, процессы с конечной скоростью их протекания. Конечная разность параметров и быстрое протекание процесса создают неравновесное состояние системы, при котором и проявляется внутреннее трение в системе. Необратимость процесса снижает эффективность использования энергии рабочего тела в системе.

В природе не существует обратимых процессов. Однако модель обратимого процесса имеет важное значение. Во-первых, в ряде случаев реальные процессы могут быть близки к обратимым, во-вторых, обратимые процессы могут использоваться как предельные случаи и в этом смысле оценивать степень эффективности необратимых процессов. 1.5. Взаимодействие системы и окружающей среды Под массовым взаимодействием понимается изменение массы системы путем обмена с окружающей средой массой.