Жидкостные ракетные двигатели Волков Е.Б. Головков Л.Г. Сырицын Т.А., страница 10

Механизм распыливания жидкостей форсунками После выхода из форсунки струя (или пелена) жидкости распадается на капли различных размеров. Распад струи обусловлен воздействием на нее внешних и ьвутрепннх сил. 1( внешним силам относятся силы взаимо. действия со средой, в которую осуществляется впрыск (аэродинамические силы), и силы, возникающие при ударе струй одна о другую или о препятствия (разбрызгпвателн), Аэродинамические силы способствуют развитию начальных возмущений на боковой поверхности струи н отрывают от нес частицы жидкости. Этн же силы, воздействуя па лобов)ю поверхность струп, помогают ее разрушеншо, Величина аэродинамических спл зависит от относительной скорости струи, от среды и ее плотности, Удары струй одна о другую и их удары о разбрызгиватели дополнительно дробят жидкость.

Однако действие внешних сил не является определяющим для процесса распыливания. Дробление жидкости может быть осуществлено и при впрыске ее в пустоту под действием одних лишь внутренних сил, главным образом сил инерции. Они обусловлены турбулентным характером движения жидкости, При движении жидкости по каналам форсунки турбулентные пульсации (и соответствующие им силы инерции) гасятся стенками каналов.

После выхода из форсункн сдерживающее воздействие стенок прекращается, и турбулентные пульсации дробят струю на частицы, размеры которых определяются масштабом турбулентности. Силы инерции зависят от плотности жидкости, ее абсолютной скорости и характерного размера (например, диаметра струи или толщины пелены). 47 Струйным форсункам свойственна естественная турбулентность потока, интенсивность которой оценивается, как известно, числом Рейнольдса.

В центробежных форсунках благодаря ~гскусственному закручиванию (завихрению) потока интенсивность турбулентности значительно выше, что и определяет дробление пелены на более мелкие капли. Большое значение для процесса распыления имеют также начальные возмуптения в струе, создаваемые различными случайными причинами (шероховатостями стенок сопла форсунЦ кн, неровностями в выходном сечении сопла, вибрациями и т. и.), Этн начальные возмущения в да.льнейшем увелнчп,'оа на~отея в результате воздействия аэроди,'аа намнческих и других снл, распростраа,оао няются вдоль струи в виде волн и также оа, о",,",, способствуют ее дроблению.

о аОаааа ааааа К ВНуТРЕНННМ СИЧВМ, КОТОРЫЕ ВОЗДЕЙ- а а аво ао оооо СТВуЮТ На СТруЮ, ОТНОСЯТСЯ И МОЛЕКРЛЯР- о а~~ее ооаааоа о о.оо " " пые, т. е. силы внутреннего трения (вязй а д кости) и силы поверхностногонатяжения. Силы внутреннего трения зависят от ьв хвриктср динамической вязкости жидкости, ее абрвсиылввания жидко- сол~отиой скорости и характерного разков в вввисияссти вт мера. Эти силы уменьшают турбулентскорости истечения: ность потока и поглощают часть его кио — ~о, - а ", °; в — ветической энергии, т. е.

препятствуют , - (в .«, °; а — дроблению струи. ю 100 еиеек Ж Силы поверхностного натяжения, стремящиеся свести к минимуму поверхность данного объема жидкости, также препятствуют распаду струи. Таким образом, молекулярные силы в противовес всем предыдупТнм тормозят процесс распыления сгруи, т. е. стремятся сохранить ее целость. Характеристики распыления жидкости определяются соотношением между силами, разрушающими и стабилязпрующнми Отру~о, Основным фактором, влияющим на соотношение этих сил, является скорость движения струи, зависящая от перепада давления на форсунке Арф.

На рис. 1.8 показано, как изменяется характер распыления струи при увеличении Арф на струйной форсунке. При малых перепадах давления (соответствующих скоростям истечения порядка ! аа/сек) в струе на некотором расстоянии от сопла образуются поперечные перетяжки; по мере удаления от сопла перетяжки становятся все более ярко выраженными, и этот процесс завершается образованием капель (рис. 1.8, а). При скоростях впрыска порядка 10 аи/сек (рпс.

1.8,б) струя по внешнему виду кажется состоящей из складок, В ней возникают поперечные колебания, которые ускоряют образование капель. И наконец, при скоростях 48 впрыска порядка 100 млсек (рис. 1.8,в) струя распыляется почти сразу же после выхода из сопла. На рис. !.9 изображено изменение картины распыления жидкости центробежной форсункой при повышении перепада давления на ней. При малом Арф (менее 1 атл) пелена жидкости, вытекающей из форсунки, остается нсраздробленной (рнс. 1.9,а). Преобладающее влияпне сил поверхностного натяжения на некотором расстоянии от сопла стягивает эту пелену в жгут, разрушающийся далее по законам струи.

С возрастанием Лрф до ! — 2 атм пелена разрывается на капни в соответствии со схемой, изображенной на рис. 1.10. Но в этом случае разрушение пелены происходит еще на значительном расстоянии от сопла (рис, 1.9, б). При дальнейшем повышении Арф (свыше 4 — б атж) пелена дробится на капли уже в непосредственной близости от сопла. Форсункам ЖРД обычно свойственны режимы распылнвания, промежуточные между режимами, показанными на рис. 1.8, б, в и 1.9, б, в. Рис. 1.9. Характер распыливааин жидкости центробежной форсункой в зависимости от перепада давлении на ией: а-лно - 1 атм, б — лнй 1-з атм; в лн Пб атм е рпснзиение пианин пел Оордзеййние йолн и переломен Обра~дни пелена!~,я~ з ..~.'.~а-=-=рш~ и=='.:==1~9 о'.,- .;:1 Рис.

1.10. Схема разрущенив пелены жидкости, вытекающей из центробежной форсунки Характеристики качества распыливания Распыленная струя жидкости состоит из очень большого числа капель, размеры которых изменяются в довольно широких пределах, При этом капли в зависимости от способа распыла и параметров форсунок по-различному распределяются в пространстве, образуя так называемый факел рас. пыла.

3 — 2854 Качество распы,чивания жидкостей форсунками оценивается следующими характеристиками; — тонкостью и однородностью распыливаиия; — формой и размерами (дальнобойностью) факела распыла; — распределением капель в факеле распыла. Тонкость (мелкость) и однородность рагпыливания характеризуют степень дисперсиости распыленной жидкости, При этом тонкость оцешвается средним размером капель, а одпород~юсть — величинами отклонений размсрон капель от среднего. Капли обычно считаются сферическими и имеют один определяющий размер - диаметр. Чтооея количественно оцепить гошсость и однородность расиыла, нужно знать спселр расиыла, т.

е. распределение капель по размерам. Опо необходимо также для расчета испарения и горения топлива. Обозначим символом 0 диаметр произвольной капли спектра. Определим выражения для спектров капель следующим образом. Из капельной смеси выделим выборку объемом нп (по — общее количество отобранных и намеренных капель). Разобьем выборку от 0„нн до 0„„„на группы с интервалом Л0; '. Выбор интервала Л0п; зависит от возможностей избранного способа измерения размеров капель; при этом, чем меньше Л0ь тем точнее будет выражение для спектра капель. Капли, имеющие диаметр а~А О, --'; —,', образуют группу размером 0о Количество капель Ллч в этой группе определяется непосредственным подсчетом.

Далее относительную частоту капель этой группы Ьп; о (О,) = „~~ откладывают на графике как ординату, соответствующую абсцпссе 0ь Повторяя эту операцшо для всех групп капель, получают эмпирическое распределение капель по размерам в виде ступенчатой кривон (гистограммы), изображенной на рис. 1.! 1. Затем по полученным точкам проводят среднюю линию и подбирают для нее аналитическое выражение ср(0). Уже по виду кривой:р(0) можно судить о качестве распыливания. Чем ближе значения 0„„н и 0„„„, тем однороднее распыл; тонкость распыла будет тем выше, чем ближе к началу координат расположена вершина кривой п(0).

Уравнения для ~р(0) представляют собой функции распределения с рядом параметров, численные значения которых устанавливаются опытным путем. Чтобы эти функции были приемлемы для расчетов испарения и горения капель, опн должны иметь простой вид, содержать минимальное количество параметров и соответствовать предельным условиям * Величина ЛВ~ не обнзателыю должна быть одинаковой длн всех групп капель, 50 распредечения (равняться нули> при нулевол! размере капель и приближая'! ся к иул!о при предельно больших размерах капель).

В настоящее время предложено много различного вида уравнений для ср(0). Наиболее известными из них являются уравнения Розина и Раммлера, Нукиямы и Таназавы, Блоха н Кичкиной, йуартина, Хейвуда, Всйнига и др. Анализ этих уравнений проведен А. С. Лышевским [31]. Он показал, что нп одно из них не удовлетворяет в полной мере предъявленным требованиям и не может претендовать на универсальность. Ошиэш!по и:юхо изучены спектры распыла, обра- Рис.

1.1!. Экспериментальная е,(0с) и теоретическая е(0) функции распределения капель по рааыераы зующиеся при соударениях двух и более струй. Такого рода спектры как раз и свойственны системам впрыска ЖРД. Поэтому ограничимся уравнениями спектров распыла центробежных форсунок, которые изучены более обстоятельно. По нашему мнению, наилучшим образом спектры распыла одиночных, типичных для ЖРД центробежных форсунок описываются функцией распределения Г. Треща (52), установленной им методами статистической термодинамики в предположении о постоянстве общего объема капель и постоянстве поверхности капельпой смеси в период хаотического обмена энергией между частицами жидкости на начальной стадии распыла. Эта функция имеет следующий вид: Рпмакс 1 а О р (хл) — —" —, 11.13) Псатак макс где 0 в диаметр произвольной капли, и„-- общее число капель в спектре; е!ег — количество капель размером от 0 до О+е(0; Вман,- — диаметр наибольшей капли в спектре; р — параметр функции распределения, присущий данному способу Распыления.