Таблица 7

Схемы струйных течений

24

2.2Экспериментальное определение границ термодиспергирующейся струи

2.2.1Струи диспергирующейся жидкости

Важной характеристикой процесса вскипания струй жидкости является время разрушения. При истечении струи в среду с низким давлением вскипание или разрушение не происходит мгновенно, на это требуется время, которое принято определять как:

, ( 8 )

где L - длина струи до места активного разрушения (см. рис.24);

U - скорость жидкости на выходе из форсунки.

Схема вскипающей струи

Рис. 25

Наиболее достоверными работами по определению временных характеристик можно считать работу /¹⁵,Error: Reference source not found,Error: Reference source not found/. В работе /Error: Reference source not found/ предлагается это время разделить на два:

t_r=t₁+t₂ , ( 9 )

где t1 - время индукции, в течение которого в жидкости неустойчивый зародыш пузыря не растет; t2 - время в течении которого происходит быстрый рост пузыря.

В работе /Error: Reference source not found/ было установлено, что величина t1 имеет вероятностный характер и была выведена функция вероятности вскипания по большому количеству экспериментов (более 100). Средние значения этого времени в зависимости от начального перегрева и диаметра струи представлены в таблице 8. Время индукции струи t1 зависит от многих факторов, но наиболее существенный из них - степень турбулизации воды в струе. Чем она больше, тем быстрее центры кипения активизируются и начинают быстро рости. Другим влияющим на зарождение пузырьков фактором является, акустический шум. Его источником является шум, генерируемый другими пузырями, образующимися при вскипании.

Время разрушения кавитирующей струи исследовалось в работе /¹⁶ /94. Результаты /Error: Reference source not found/ показывают, что время взрывного разрушения струи существенно увеличивается при уменьшении ее диаметра от 3 до 0.6 мм и составляет 200-500 мкс. Объясняется это тем, что с уменьшением диаметра струи уменьшается количество центров парообразования.

Таблица 9

Среднее время задержки вскипания струй воды /¹⁷/

В работе /Error: Reference source not found/ исследовалось влияние степени турбулентности на разрушение струй воды при резком сбросе давления. Эксперименты проводились со струями жидкости с диаметром 3.2 мм истекающими из длиной трубки (300 мм), которая обеспечивала турбулентность при небольших перегревах 15..5С. Разрушение струи в этом случае происходило на срезе форсунки. В работе предложено определять скорость радиального расширения струи U_R через скорость истечения струи U (рис.26) как:

(10)

Истечение кавитирующих струй в жидкую среду изучалось в работе /¹⁸/. Отмечено, что температура воды сравнительно слабо влияет на число кавитаций струй при истечении в жидкую среду, за исключением области высоких температур. Мгновенное парообразование в свободной струе происходило с запаздыванием, обратно пропорциональным площади струи, которое определялось законом степени (-7/2) перегрева жидкости.

В работе /¹⁹/ исследовалось разрушение перегретых капель воды (3 мм) при температурах более 250С. Изучение процесса производилось при помощи скоростной съемки. Дробление капель происходило за счет внутреннего вскипания. Характерное время процесса составляло 10^-3с.

Авторами /²⁰/, утверждается, что разрушение струй истекающих через насадок диаметром 0.8 мм в атмосферу при перегревах 50–70С шло преимущественно в результате поверхностной неустойчивости.

Таким образом, время реакции струи или капли, начальный размер и начальный перегрев являются важными характеристиками процесса разрушения струй при резкой декомпрессии, исследованию которых будет посвящена настоящая работа.

2.2.2 Результаты экспериментов со вскипающими струями

Эксперименты проводились со вскипающими струями с диаметрами 0.15-1.4 мм. Начальные температура воды варьировалась от 100С до 200С. В экспериментах производилось фотографирование истекающей струи воды. По фотографиям определялся угол раскрытия струи (рис.27). Осевая скорость струи определялась по перепаду между давлением перед форсункой и атмосферным давлением:

, (113.3)

где  - коэффициет расхода форсунки, определяемый из проливок.

Зная U и можно определить радиальную скорость расширения струи U_R.

(123.4)

На рисунке 3.8 показана зависимость U_R от начального перегрева воды.

(133.8)

На рисунке 28 показаны фотографии перегреных струй истекающих из сопла при различных степенях перегрева.

Фотографии вскипающих струй d_s =720 мкм

Рис. 29.

3РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ СТРУЙНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ НА ИМПУЛЬСНЫХ РЕЖИМАХ

3.1 Физическое представление рабочего процесса и его модель

Для изучения импульсного характера рабочих процессов в ЖРДМТ предложена следующая схема (рис 30).

Схема процесса в импульсной установке

Рис 31

С целью поддержания постоянного горения в камере сгорания необходимо, чтобы при импульсном режиме даже во время паузы между одиночными включениями ЖРДМТ тем­пера­тура и давление в камере сгорания не должны опускаться ниже некоторых величин, определяющих параметры воспламенения топлива.

Таким образом, циклограммы командных сигналов (формируемые системой управления) будут следующими: электромагнитный клапан горючего открывается в начале пуска и остается открытым в течение всего эксперимента (рис 32а). Магистраль окислителя состоит из двух каналов. Первый канал постоянного расхода открыт всё время пуска (б). Второй канал открывается периодически, именно он формирует импульсный характер изменения давления в камере сгорания (рис 33в).

Закон изменения р_к представлен на (рис 34г), по аналогичным законам изменяются также и .

Камера сгорания будет заполнена чередующимися зонами с различными  и параметрами сгорания, число зон и их протяженность зависят от частоты сигнала подаваемого на электромагнитные клапаны. В общем случае можно считать, что в камере сгорания существуют всего две зоны с различными  (рис 35).

Циклограмма командных сигналов

Рис. 36

Представим физическую картину процессов происходящих в камере сгорания /²¹, ²², ²³/ при следующих допущениях:

1. течение в сопле сверхзвуковое при обоих режимах;

2. граница не проницаема для массообмена;

3. в зоне 2 параметры по объему постоянны (все процессы смесеобразования и горения происходят в зоне 1);

4. в зоне 1 соотношение компонентов постоянно К_m=const.

Движение газа в ЖРДМТ является квазистационарным, если время релаксации газового объема t_pL/w много больше времени распространения возмущений t_рвL/a в нем; это условие выполняется при w/a1. Последовательное применение идеи квазистационарности дает возможность рассматривать более быстрые процессы как мгновенные. Поэтому процесс распространения возмущений в пределах ЖРДМТ можно считать мгновенным по сравнению с t_p, в дальнейшем считаем давление в камере сгорания одинаковым для обеих зон.

Камера разделена на две зоны, границей которая перемещается к выходу из сопла со скоростью

После того как граница раздела зон достигнет критического сечения сопла, вся камера будет заполнена продуктами сгорания с постоянным соотношением компонентов, а этот случай хорошо известен. При выводе уравнения динамики камеры сгорания рассмотрим оба случая.

3.2Математическая модель процесса.

В состав ЖРДМТ входит: электромагнитный клапанный агрегат (обеспечивающий открытие и закрытие топливного клапана от электрической команды формируемой системой управления); магистраль топливоподачи (питающая при открытом клапане камеру двигателя) и камера сгорания с соплом (где жидкое топливо, сгорая, превращается в газообразное рабочее тело, которое истекая через сопло создает реактивную силу тяги).