Расчет лучистых тепловых тепловых потоков под ред. Кудрявцева

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОЩЛЛУ ОБРАЗОВАНИЮ МОСЮНЖИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕЮЛЕЦНИ АНЦПИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени СЕРГО ОРДЕОНИКИПЗЕ РАСЧЕТ ЛУЧИС1ЫХ ТЕПЛОН1Х ПОТОЮВ Учебное пособае для кУрсового и диплааого проектироваиан Под редакцией проф. В.Д. КУЛаатенкова 202-2ОДСП Утверидено на заседании редоовета 12 мея 1988 г. Иосква Издательство МАИ 1989 Авторв: В.Л. Березанскея, Л.В. Кудрявцева, В.Л. Кураатенков, Л.А. Лялька Расчет лучнатых тепловых потоков / Е.Л. Березенакая, Л.В. Кудрквцева, В.Л. Курпатенков, Л.А. Люлька; Под ред.

В.К. Курцатенкова. - М.: Изд-во МАИ, ?989. - Юс.: ал. В пососав цраводатся расчет лучаатых тепловых потоков вдоль камеры а в сопле с учетом температуры продуктов сгореаая а дала азлучеламх компонентов в нх составе. В прнлокенан даны справочные матерналм для вевболее распространенных н перспектвнных топлвв прв резных значениях коеффнпчента нзбмтка окислителя и давленай в камере сгореная. Предаазначено для студентов, выполняюаах курсовой н дипломемй проекты. Рецензенты: Г.М. Кушнир, М.В.

Краев ОС Московский аваацаонный ннататут, 1989 1. ОсножИВ ОООИНННОО)Н ЛУЧИОТОГО Тйпйооаанн В КЛМВРВ В камерах Хгл прсцеао горения н аатеченвя протекает пря вначательных температурах н давленаях. В этих условяях продукты огораная являются мощным источнлком лучвотой тепловой ввергая, которая воапрначмнется сравнительно холсдныма 0цш нарулном охлшкаенаа) стенкзма камеры агоранан в сопла в виде лучаатого теплового потока. лучвстый теплообмен в камерах ЙРЯ амеет апецвбшчеокве оаобенности.

1. Основным иаточзнком нзлучення в камерах, яапользухщвх углеводородные горючае, являются продукты полного сгорания, т.е. вод~- кой пар [Н2О) в углеквслый газ (СО2). Излучевве остальных продуктов сгорания одно- а двухатомных газов по сравнению с излучением продуктов полного сгораная ннчтскно. Твердые частицы углерода, по данным термодяязмаческах расчетов, в камере сгорания практачеака отаутатвуют, поэтому нх азлученаем мокло полноатью пренебрегать. 2.

Нанбольшне лучлатые потоки имеют место в камерах огоранан, тзк кек температура н давленае газов в ннх доотвгашт наабольшнх знзчешлй, а, как азвестно, азлучательная аяособноать газов в первую очередь заваснт именно от етого. Прш двакенва продуктов аго)шнзя по соплу температура н давленае газов умеаьшештая, прачем оаобенно быатро после кратвческого сеченая; онакеяае термодвнзмаческлх параметров газа п)вводит к резкому умеаьшеаню его азлученля. Таким обрезом, лучистые теыдовые потока в аопле быстро анакеются н имеют минимальные значения в выходном сечения. Кзк показывают расчеты, в камере сгорания лучнстый тепловой поток соизмерим с конвективным тепловым потоком; в кратвчеаком аеченна он составляет прамерно 8-12ь от конвектнвного потока в атом печенки, а в закритической часта сопла доля лучистого теплового потока еше меньше.

Эта особенность в распределении лучистых тепловых потоков по плане камеры позволяет в большинстве алучаев основное внимание обратить нз вычналенве лучлстых тепловых потоков в камере агорення, ограничившись нх праблакенным определением з аскле. 3 3. В камере агорвнвя вмеет место определеанзя неоднородность аоотава в температуры проиуктов сгорания как в лоперечаом, так и в продольном напранленнях. Анализ рабочего процесса показызает, что поток продуктов огорания носит струйаый характер, т.е. состоат из ряда параллельных отруй, состав и температура которых определяются ыестзыма значениями козффацаента ооотнолензя компонентов д и. Возле головка камеры сгорзлая имеется начальный участок, на котором протекают процессы горения в температура газов возрастает от сравнительно низкой непосредственно у головка до макоимальвой в конце участка.

В общем случае излучение продуктов сгораиая на отенку камеры будет складываться вз излучения всех отруй. Причем азлученве каждой отрув по пути к отенке будет чаотачно поглсщаться более холоднымв отруяма. На начальном учаотке взлученве будет поглощаться кзцляыв а парами. Вое зто усложняет тсчзый расчет лучистых тепловых потоков з камере сгорзнвя и ооцле ЕРД. 4. Лучистый тепловой ноток, который получает стенка, окружающая обьем газа, определяется разностью между излучением газа и„, которое многократно поглощается и отрекается отенкой, а излучейием отенки р„, которое также многократно цоглсщается в пропускается газом: и и 6 с р~С~ (Т~ IЯю) ~р (Т~тlлзЮ 1 ~ здеоь б - аффективная степень черноты стенка: = С „/~(- (г-б,„)(Г-АД, ГДЕ б, - ОтЕПЕВЬ ЧЕРНОтм Стсипа; бгстепень черноты взлучашлих гааов прн температуре Т,; ~~ - поглсщательнан опособнооть газа при температуре Т; принимают Ф„(Т )ю "' ягой Вниду сравнительно большой разницы между высокой температурой газов в камере сгорания Т и температурой стенки Т излучение стенки прн решении этого уравнения получается зо много рзз меньше излучеавн продуктов сгоранвя и нм без большой погрешности можно пренебречь.

2. РАСЧЕТ ШЧИСТОГО ППЛОВОГО ПОТОКА В КАМЕРЕ ЕРЛ В соответотвни с расомотренными выше особенностяма расчет лучистых тепловых потоков з камере ЕРЛ, как празало, сзолится к опрелеленню с достаточной точностью лучистого потока Е~нз участке камеры сгорания с максимальной температурой продуктов сгора- ния, т.е. максимального лучистого потока во второй полонане камеры агораввя н начале входной частя сопла. Поскольку лучвстые потока на начальном участке камеры (возле головки) в в сопле незначительно влвяют на облай тепловой балввс, то онв обычно определяются првблнвенно, всходя нз првнлмаемого за оонову значения у в кон- ю це камеры сгорьнан.

Прамем, что весь обеем камеры сгорвнвя заполнен пролуктва оторвана с однородным составом в температурой 7', тогда лучнотый тепловой поток от газа к стенке мокло рвосчатать по формуле Гзт~я б~ с (Уя~нл~) где г - козфрнцнент лученспускання абсолютно черного тела: с = 5,67 Вг/(мн.К4). Следовательно, мексяызльный лучнатый поток — язлученае абсолютно черного тела: с = 5,67 (Т~ЯЮ 4 Отсюла Значение эф1ектнвной стеяенн черноты отенкв ааходнтоя ванду значением степени черноты матервала е, учатызехщей погловенве излучения ря однократном падении луча, в единицей, соответствующей полному погловеявю' азлучення пра многократных отрааеавях луча в условиях зеыкнутого объема, заполненного прозрачной оредсй. Првблнкенно мокно прннять ~ ст )~~ * (2) Пля отенок камеры сгорания, несколько загрюзвеннзс~ сеней, мсмно прннвмать с' м 0,8. Болев точно н,.

зависит от матернела стенка и оостоянля ее поверхноста. Степень черноты продуктов полного сгорвнвя Н20 в СО2 определяется по формуле (3) О~г /$0 л)е ген, где я е, с х. Из за селектнвного характера спектра азлучеавя н яоглалення газов (Н20 и СО2) кроисходнт частичное ззавмное перекрытие некото- 5 рых участков спектра излучения н поглсщення этих газов, т.е. каадый газ не оовоем прозрачен для азлученая другого и излучение одного частично поглсщзется другим.

В результате аа стенку понедает меньюяй лучистый тепловой поток, чем сумма лучнатых потоков от кацдого газа в отдельности. Это а учнцццзается проазведеннем С„ Отметая. что эначательная часть излучения 002 поглощается Водяным даром, а тэк как в продуктах сгорания ссдерцанне Н20 несколько больно, чем С02, то, как показывают расчеты, излучение С02 в обцем лучистом тепловом потоке вевелако а составляет прнмерао 10ь. Излучательяэя н поглсщательная способноста газов определяются температурой, ~арпнальным дазленнем нлн плотностью а лннейныы ра.";- мером иэлучаемогс газового слоя, зависящим от геометраческнх 1азмеров каме~и, в которую заключен нэлучзхщнй гаэ.

Ъ теплотехянке ~вэнообразвые геометраческне формы газовых объемов обычно прнводят к некоторой эквивалентной газовой полусфере, в которой лучнотый тепловой поток н центре плоокого основания равен дейстзательному лучястому тепловому потоку в данной точке рааомат~изаемого дейотзктельного объема.

Радиус такой зквазалентной полусферы определяет некоторую среднюю длаву путя луча нлн некоторую условную толщину газового слоя, яэляцщуцюя характерным линейным размером, для расчета нзлучавцей и поглсааюцей способности рассыатцщваемого газового объема. Для офернчеокого объема с диаметром т з теплотехнике рекомендуется пIинимать эквивалентную клану Цл = 0,6м ц для пялнндра бесконечной длины, т.в. ~„, а диаметром м - ~~ = 0,9 м..Промазуточзые эначення приведены янке: Праблнкенно ~ = З,б У/Г, где У вЂ” объем газа; à — площадь ограннчннэцщей стенка, которая воспрнннмает излучение.

Определение степени черноты Л,.„и б в условиях камеры сгорання ХРД рекомендуется ~ронзвслать по дайным Д.Ф. Фролова. Значенвя степени черноты СО2 в зава-$8 самости от температуры излучавшего газа 7 и произведенвя )с л воино пранимать по графику ()шс. 1) ° где А, - парциальное давление 002 в продуктах огоравааз / Поскольку козффвцнент излучения углекаолого газа слабо ззввсат от плотноотв, этих данных вполне доотаточно для расчета. Степень чернозую Н20 эевиаат от его плотности и, по Л.Ф. Фролову (3), вычисляется по аоотношенню (4) '~-~- ~./н~ ~ ° Рис.

1 где се - "нулевая" степень черяоты водяного пара, соответствующая его плотности нли парцнельнсму давлению, стремящемуся н нулю; Р— коэффициент, учитывеппий рост излучательной способности воднйого пара из-за расширения полос излучения при увелаченни плотности или даилення. На )шс. 2 приведена зависимость б от Т и провзведения ем„с /ф 1, где У„с - плотнооть Н20.

На рво. 3 дана зависимость коэффициента д от плотноста Ри.,е и произведекзяятс /. Заметим, что козффицйент,д, „растет с увеличением плотйости па3тцнельного давления водяных паров лишь до значенвя у„, 1 кг/м . дальнейшее увелаченве плотности практически не сказывается на увеличенив излучательной способноота водяного пара из-за рйсширения полос спектра излучения. на гра4тиах (рве.

1-3) аффективная длина л приведена в метрах; температура Т- в кельванвх; давление Р - в мегапаскалях; плот- вость - в килограммах на кубический метр (кг/м3). отность во)сюногд'.пара рассчитывается по уравнению /,~-,б,л,/РР, Т, ) (5) при Гнс= Т и Р, = 83Г7/18 = 462 Лк/(кг К). В прилсшениях 1, П для 15 топлавных композицвй црвведены гра- фика зависимости па(швальнях давлений газов и температуры продук- тоз сгоренвя от козфрзцвента избытка оквалзтеля с прн рвзлвчных значенвях давленая в кемере сгорвнзя (~» = 0,1...50 МПа). Лля выполненвя более точного расчета иоана воспользонаться таблнцвыв првлсвензя Ш.