Ультразвуковой метод измерения скорости горения (Раздаточные материалы), страница 3

Начальная толщина заряда определяется исходя из массы залитой пасты и геометрии обоймы, с использованием теоретической плотности. Ал- гм мм(с 25 15 5 э Р,мпв м Рис. 7. Сопоставление результатов измерения волновой скорости в неотвержденном и отвержденном топливах горитм такого рода экспериментов описан в работе 119). Волновые скорости, определенные из «теоретической» начальной толщины в двух экспериментах, не совпадают, и их значения ниже, чем для конечного отвержденного топлива (см.

рис. 7). С учетом волновой скорости в отвержденном топливе скорость горения возрастает до обычного (более высокого) уровня. Отсюда следует, что неотвержденные образцы должны быть длиннее, чем ожидалось из соотношения для волновых скоростей. Данные рис, 7 показывают, что паста горит на 25 % быстрее, чем отвержденное топливо. Для проверки этой гипотезы толтцина заряда измерялась непосредственно перед опытом, после подготовительной фазы. Она оказалась действительно больше «теоретического» значении, а на поверхности образца были обнаружены пузырьки. Это объясняет разницу начальных толщин в обоих экспериментах и отличие их от «теоретического» значения.

Существует неопределенность в величине скорости горения выбранного неотвержденного топлива. Это означает, что методика предварительных испытаний (на пастообразных образцах) недостаточно хороша для получения представительного образца данной мешки топливной смеси, не содержащего пузырьков, который мог бы соответствовать данному составу топлива и вязкости его пасты. К счастью, эта работа, проделанная несколько лет назад на твердом топливе для твердо- топливного двигателя «Ариан 5», дала превосходные результаты 119). Ф. Коти, Ч. Ерейдес гы мм(о 10 гь 7,5 б 0 7,7 р, Ылв 2,5 б,о 7,б р, Мпв 10 Рис. 8.

Ланиые ультразвуковых измерений: бомба постоянного объема, Р = 7 д; вставка— ошибка относительно осредненной кривой; 7— неотвержденное топливо, гь = 4,2948р (Я~ = 0,997б), 2 -- отвержденное топливо, гк=б,2734родкл (71г 09839) 3.3. Неакустические характеристики 3.3.1. Шумы электронных устройств. В зависимости от условий работы, отношение сигнал/шум выходного сигнала электронного устройства влияет на погрешность определения скорости горения. На рис. 8 представлены результаты экспериментов, проведенных в бомбе постоянного объема (7 л). Количество данных достаточно велико для вычисления скорости горения с использованием большого временною окна (401 измерение на окно) прн небольших изменениях давления.

Разброс данных определялся вычислением отклонения скорости горения от среднего значения, соответствующего закону гб = арп. Разброс лежит в пределах ш1 %, что достаточно хорошо, но возможно получение лучшего результата за счет увеличения частоты отсчетов и использования бомбы большего объема (т. е. при более низком значении цр/~й). В экспериментах, проводимых при наименьшем внутреннем объеме (см. рис.

3) с той же частотой измерений, скорость горения вычисляется из меньшего числа данных (21 или 51) на временнбе окно. Разброс увеличивается, становясь более ш5 %, однако анализ относительной ошибки выявляет влияние частоты электросети (50 Гц). Таким образом, здесь разброс обусловлен, в основном, электронной Рис. 9. Вычислительный шум: влияние числа точек иа определение скорости горения: и — число точек временного окна, частота дис- кретизапии 3000 Гп аппаратурой.

В этом случае эффективно проводить сглаживание экспериментальных данных. 3.3.2. Вычисление производной функции. Определение любой производной функции всегда непросто. Используемая в 01чЕВ.А процедура основана на выборе числа точек во временнбм окне. Проводится среднеквадратичная аппроксимация: величина в середине временнбго окна принимается за толщину выгоревшего свода, а значение производной функпии в той же точке рассматривается как скорость юрения. Можно рассчитать скорость горения иным способом — из нескольких последовательно осредненных по временнбму окну значений толщин свода.

Качество аппроксимации связано с числом анализируемых точек гл. Разброс сильно зависит от числа измерений, по которым проводится осреднение, на одно значение скорости горения (рис. 9). Не так просто определить значение скорости горения, если ее колебания обусловлены влиянием вычислительных пропедур либо физических явлений. Можно надеяться, что явление физической нестационарности горения обычно не зависит от расчетных эффектов (2, 20]. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Ультразвуковой метод, применяемый для исследования горения твердого топлива, становится конкурентоспособным научным и про- 66 Физика горения и взрыва, 2000, т. 36, 1Чз 1 мышленным инструментом, используемым как для контроля баллистических свойств, так и для изучения новых составов твердого топлива.

С его помощью можно регистрировать эволюцию скорости горения в локальной области заряда: с хорошей точностью изучается процесс эрозионного горения, а для крупногабаритных двигателей диагностируется такое явление, как изменение скорости горения по мере выторання топлива вследствие технологических особенностей изготовления двигателя. Плошадь поверхности горения, от которой отражается упругая волна, имеет конечный размер, зависящий от степени затухания в веществе, диаметра излучателя и геометрии заряда. Скорость горения, получаемая ультразвуковым методом, является величиной, осредненной по небольшой площади. Однако очень мелкомасштабные или изолированные процессы, обусловленные механизмом горения, не могут быть обнаружены ультразвуковым методом, если не применять очень маленький датчик.

Поскольку ультразвуковой метод действует как калориметр (волновая скорость меняется при прохождении теплового слоя), можно исследовать стадии инертного прогрева и зажигания, если известны теплофизические ха рактеристики материала. Что касается крупногабаритных двигателей, то очень трудно измерить выгорание заряда при большой суммарной толщине топлива, хотя некоторые интересные результаты были получены [14]. Измерение времени распространения ультразвука сквозь несколько десятков сантиметров твердого топлива требует специальных условий.

Частота повтора излучаемых ультразвуковых импульсов должна быть уменьшена, поскольку начальная толщина заряда возрастает: реже проводится измерение данных и меньше становится точность вычисления скорости. Что касается точности метода, было похазано, что можно различить два твердых топлива с разницей в скоростях горения лишь 0,15 мм/с при уровне ть = 7,5 мм/с. Это различие находится на уровне шума (2 %). Неопределенность или ошибка определения коэффициента температурной чувствительности скорости горения (ор) много меньше, чем в опытах с бомбой постоянною давления. Оценим ее приближенно как Ьгг = 2(/3тз/тз)/ЬТ.

Тогда прн экспериментальной ошибке определения скорости горения меньше 2 % она равна 0,04 10 ~ 1/'С для интервала начальных температур — 40 ст +60 С. Ошибка температурной чувствительности составляет = 10 % для сгд - — 0,3 10 ~ 1/'С (см. рис. 3). Задача измерения скорости горения с точностью 1 % не так уж далека от разрешения. Путем выбора соответствующих условий измерения (т. е. оборудования, толщины заряда, частоты повторений и длительности временнбю окна) цель может быть достигнута. Суммируя изложенное, можно сказать, что во Франции ультразвуковой метод в применении к твердым топливам становится промышленным диагностическим инструментом. Существуют возможности использования этого метода для крупногабаритных ракетных двигателей и для более широких теоретических исследований процессов горения.

Метод также перспективен для изучения поведения теплозащиты, горения гибридных топлив и других энергетических материалов. В этих случаях ультразвуковое зондирование должно дополняться численным моделированием теплопередачи. Точность метода превосходна по сравнению с другими неразрушаюшимн измерениями или классическими методами. .