Ультразвуковой метод измерения скорости горения (Раздаточные материалы)

Физика горения и взрыва, 2000, т. Зб, Нэ 1 У11К бзбяб УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ: ОШИБКИ, ШУМЫ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ Ф. Коти, Ч. Ерейдес Национальная органиэация аэрокосмических исследований (ОЯЕВА), Р92322 Шэтийон, Франция В ОМЕВА в течение многих лет для измерения скорости горения используется ультразвуковая техника.

В статье представлены данные, полученные для смесевых топлив прн различных давлениях и начальных температурах, которые позволяют обсуждать преимушества и ограничения метода с точки зрения возможности и точности измерения. Проиллюстрирована чувствительность процесса распространения звуковых волн к соответствующим физическим характеристикам и внешним условиям. Показаны ошибки, обусловленные неадекватными корректируюшими членами, принятыми в теории измерений, а также влиянием электронных шумов аппаратуры и процедуры дифференцирования экспериментальных данных. Выбор попходяших рабочих условий позволяет снизить инструментальную ошибку определения скорости горения до 1 %. Лаже если ультразвуковой метод не является универсальным и идеальным, качество полученных данных достаточно высокое, чтобы обратить на него внимание.

ВВЕДЕНИЕ Для проектирования реактивных двигателей требуется точное определение квазистационарной скорости горения твердых топлив. Получение данных с ошибкой менее 1 % — это желаемый результат для любых измерительных методов. Сами методы должны быть бесконтактными [11, т. е. измерительная процедура не должна оказывать влияния на процесс горения. Ультразвуковая техника измерения скорости горения используется в ОМЕНА в течение многих лет. Цель данной статьи провести анализ точности этого бесконтактного метода. Кратко изложена теория ультразвукового метода измерений. Результаты экспериментов с несколькими смесевыми топливами демонстрируют роль основных параметров, влияющих на точность определения скорости горения.

Акустическое поле и детектирование отражения от горящей поверхности могут приводить к потере точности метода. Физические характеристики, а именно: температура (начальное значение и температурный профиль) и давление (порождающее поле напряжений) — влияют на скорость распространения и затухание упругой волны. В конце статьи рассмотрены ошибки, обусловленные электронными шумами и погрешностями вычислений. Обсуждаются достоинства и недостатки ультразвукового метода с точки зрения точности измерений и пределов применимости. 1. ПРИНЦИП МЕТОДА Принцип ультразвукового метода типичен для классической неразрушающей техники излучения/приема. Ультразвуковой датчик излучает упругую волну, которая проходит сквозь образец.

Она отражается от горящей поверхности и возвращается назад к преобразователю. Специальное электронное устройство позволяет проследить смещение отраженного от горящей поверхности сигнала по сравнению с его начальным положением, вплоть до момента полного выгорании топлива (рис. 1). Обычно датчик не контактирует сисследуемым энергетическим материалом, Между ними вставляется соединительный материал — жесткая резина, благодаря чему можно проводить измерения вплоть до полного сгорания образца. При этом датчик изолирован от условий внутри камеры.

Соединительный материал должен быть акустически адаптирован к энергетическому материалу по акустическому импедансу (рС), с тем чтобы уменьшить амплитуду промежуточного эхо-сигнэла от поверхности контакта образца и соединительного материала (здесь р — плотность, С вЂ” скорость распространения продольной волны).

Время распространения ультразвуковой волны связано с толщинами измеряемых материалов и со скоростями упругой волны в них. Если скорость волны постоянна, время прохождения прямо пропорционально толщине образца ()т'): т = 2)т'/С. Скорость волны за- 60 2(1 — йр(Р— Рт /)) )от(тя т е/)а (3) гЬ Рис. 1. Оспиллограмма сигнала временнбй задержки отражений ультразвука для твердого топлива и соединительного материала: 1 — излучаемый импульс, 2 — отражение от поверхности, Э вЂ” отражение от контактной границы, 4 — снгиап порогового петектора, о — свтнап, пропорциональный времени распространения; стрелкой указана точка регистрации — пересечение с нулем висит от температуры (как начального значения, так и пространственною распределения), пбля напряжений, обусловленного внутренним давлением, и геометрии образца и оболочки.

Исследования 0)ч'ЕВА устанавливают соотношения между физическими характеристиками и временем распространения упругой волны (2-4). Наилучшее выражение для скорости волны имеет вид = (1 + )ГТ(Т Тге1))(1 йр(Р Рте/))~(1) Сте/ где Р— давление, МПа; и — коэффициент изменения волновой скорости для твердого топлива (МПа ~ или К 1); индексы те/, Т и р относятся к базовым условиям, температуре и давлению соответственно.

Скорость горения (гЬ) и толщина горящего свода (И'Ь) связаны с измеряемыми величинами; изменением времени распространения волны (/зт), давлением (р) и их производными (Й~т/г(Ь и е1р/й) — соотношениями Срг те/ ( АХт 2(1 — )ср(Р— Р е/) ) ). с(1 У 2~рт1п 2ИГс(р(Р Рте/) ) 1 ~„(2И' Ср,те/ Сс,те/ //(1- Ир(р - р„/)) + "~ — 'Р~, (г) Сс,ге/ Ж Физика горения и взрыва, 2000, т.

36, Хэ 1 2И~ртуп 2 ттс(р(Р Рте/) х ( + — Ьт) Срт,те/ Сс,ге/ Здесь 1р — коэффициент скорости волны в соединительном материале; а — коэффициент температуропроводности; индексы с и Рг использованы для соединительного материала и топлива, гп — для начальных условий, е — для горящей поверхности. Последний член уравнения (3) соответствует аппроксимации первого порядка вклада теплового профиля установившегося горения топлива в изменение времени распространения. Влияние температуры и давления более существенно в нестационарных условиях, т. е. при временных изменениях давления и теплового потока. Можно выделить два типа зависимостей от уровня скорости горения. Гранина между ними лежит примерно при скорости 1 мм/с. Для материалов с низкой скоростью горения (таких, как тепловой изолирующий материал или связка — полибутэдиен с гидроксильными концевыми группами, используемых в гибридньгх реактивных двигателях), при том что давление всегда оказывает влияние, главным фактором становится изменение теплового профиля.

Время прохождения отражения ультразвуковой волны меняется в зависимости от количества тепла, аккумулированного материалом. При увеличении температуры скорость волны значительно уменьшается, вызывая увеличение времени распространения (4). В этом случае соотношение (2) неверно. Данная статья посвящена исследованию свойств смесевого твердого топлива. Температурньгй профиль не оказывает существенного влияния на толщину выгоревшею слоя и скорость горения. Считается, что тепловой профиль быстро устанавливается после зажигания и квазистационарен даже при изменении давления.

Главным параметром, влияющим на результат, является давление, особенно его градиент г(р/й (3, 5, 6]. Это заставляет учитывать конкретные условия эксперимента при вычислении скорости горения. Ф. Коти, Ч. Крейдес сс 10 З~ЬС 6 соолннн19льныя мзтовняя гь, ммм 60 10 Рис. 2. Ультразвуковой датчик 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕДЛЛИСТИЧЕСКИХ ХАРДКТЕРИСТИК В настоящее время ультразвуковой метод широко используется во Франции (2, 7], Нидерландах (8, 9), США (10-14) и Индии (15, 16). Ос~~~~~м приложением ме.года ~~~~~~ся определение классической зависимости скорости горения от давления.

Чтобы получить закон гь = арл, используется простая установка (рис. 2) с зарядом торцевого горения и аблируюшим соплом, применение которого вызывает изменение давления во время эксперимента. Имеется несколько типов установок: малые ракетные двигатели н бомба постоянного объема, Чтобы минимизировать отражение от границы контакта, соединительный материал должен быть подобран в соответствии с акустическим импедансом топлива.

Необходимо также определить чувствительность скорости распространения ультразвуковой волны в материале в зависимости от физических характеристик, чтобы использовать ее в программе обработки данных. Исследователи, однажды использовав этот способ, находят его более точнь|м и привлекательным по сравнению с широко используемыми методами (2, 3). Твердотопливные двигатели могут подвергаться тепловому воздействию в широком диапазоне температур: жар пустыни, уровень моря или большая высота полета. Таким образом, температурная чувствительность скорости горения является важным параметром, который должны знать и конструктор ракеты, и изготовитель топлива.

Ультразвуковой метод позволяет провести подобные измерения (от — 50 до +80 'С), однако нужно разрешить 0 0 10 20 З0 р, Мля Рис. 3. Скорость горения смесевого топлива лри различных начальных температурах: эяслеолмелты л бомбе лостояллого объема, 1-3— сглаженные лаллые, Й' = 1,2 л; 2а — лссглажел- лые лаляые, Ъ" = 7 л множество проблем, чтобы получить данные с необходимой точностью. В подборе соединительного материала не существует единого решения для всего диапазона температур. Механические свойства, качество соединения и коэффициенты объемного расширения оказывают значительное влияние на измерения как при низких, так и при высоких температурах. Огневые испытания в малой бомбе постоянного объема с регулируемой температурой, где давление повышается за счет газов, образующихся при горении, псзволяют получить значения скорости в очень широком интервале давлений.

Чем меньше внутренний объем бомбы, тем тоньше образец и болыпе значение др/Й. Это ведет к большему рвзб1эосу данных, преимущественно за счет электронной аппаратуры. Временные зависимости, полученные в этих экспериментах, следует рассматривать как предварительные, которые необходимо уточнять, используя бомбу большего объема (и меньшего уровня Ир/с)1). Зависимости скорости горения от давления, представленные на рис.