Зысин В.А. - Вскипающие адиабатические потоки, страница 10

Это могло быть достигнуто непосредственным измерением реакции вытекающей струи. Такого рода замеры были проведены в !957 г. ~73, 79]. Оста. новимся подробно на первой из этих работ. Исследовалось истечение из сосуда постоянного объема через сопло, направленное вверх. Сосуд взвешивался в процессе истечения, что позволяло определять изменение реакции струн во времени.

Последнее обстоятельство имело особое значение„ так как процесс носил неустановившийся характер и в конечном итоге определялись усредненные характеристики. Автор указывает, что изменение тяги за время опыта было сравнительно небольшим, что, по его мнению, свиде. тельствует о представительности полученных характеристик. С этим, однако, трудно согласиться. Поскольку исследуемый сосуд имел сравнительно небольшой объем, то в процессе истечения через сопло вода в сосуде должна была вскипать, что приводило к достижению значительного паросодержапия.

Таким образом, исследовалось по существу истечение не самоиспаряющейся жидкости, а парожпдкостной эмульсии, степень сухости которой и структура распределения паровой фазы перед соплом не определялнсь. Полученное значение коэффициента скорости сопла ф,=0,66 носило весьма условный характер.

Поэтому существенный интерес представляют отечественные работы, в которых исследовался, как правило, установившийся процесс истечения самоиспаряющейся жпд. кости. Ниже приводятся результаты испытания сопл Лаваля, полученные различными отечественными исследователямн а' области начальных давлений до 1О к['/смс, Скорость истбчения определилась как по реакции вытекающей струи, так и ио ее активному усилию.

Обратцает иа себя внимание резко заниженное значение тр, в опытах [4, 56, 571. Последующие исследования, проведенные в ЛПИ Ш. — Б. Б. Батуевым [9),показали, что для получения Таблнкв 2.! Значения ное4нриииента скорости для сопл Лаваля ио данныи различныл нсслсдователея Год втблннаднн Автор. лнтература С. В.

Положив 15Г>, 571 !4. Т. Аттадьев с сотр. 1341 В. А. Зысин, В. А. Баронович 12б1 Т. Н. Парфенова 1551 Ю. Ф. Калинки 1401 ! 950 — !954 !95В !958 !97! !97! 0,49! 0,5 0,5 0,54 0,7 оптимального КПД сопла, работающего на самоиспаряющейся жидкости, решающую роль играет правильное соотношение между диаметрами горла и выходного сечения канала. В этом отношении сопла, работающие иа самонспарякнцейся жидкости, оказываются аналогичными соплам Лаваля, работающим на однофазиой среде. Однако в обычных соплах Лаваля в случае, когда противодавленне превосходит расчетное значение, неизбежно возникновение сильных скачко» уплотнения в расширяющейся части сопла или в свободной струе.

При работе на самоиспаряющейся жидкости в этом случае возможны режимы, когда процесс за горлом сопла приобретает практически изобарный характер. Возникновение такого режима, вероятно, обусловливало низкое значение трс в работах [3, 4, 18, 56, 57!. Помимо соотношения между диаметром горла и выходного среза сопла онределениое влияние на КПД последнего оказывает угол конусности расходящейся части канала. Влияние этого фактора исследовано в работах [6, 8, 9, 58, 591. Было установлено, что оптимальный угол конусности для самонспаряющейся жидкости должен быть значительно меньше, чем в обычных соплах Лаваля. Наконец, обнаружилась связь между потерями в сопле и начальным недогревом жидкости до состояния насыщения Ат„. Для получения максимального КПД необходимо, чтобы А7те-н0.

Практически фактором, ограничивающим это требование, обычно является необходимость исключить возникновение кавитационных явлений в подводящих коммуникациях. Исследования по оптимизации сопл [59! показали, что значение ~рс=0,8 весьма близко к пре- дельному, которое может быть достигнуто в соплах Лаваля при давлениях до 1Π— 15 кГ/см'. В работе 1581 было уставов. лено, что в сходящейся части сопла Лаваля парообразованне практически отсутствует.

Заметное выделение пара в пристенном слое возникает лишь в дивергеитной части канала. Этот результат нашел подтверждение в последующих исследованиях других авторов 121, В данном случае были получены обстоятельные фотографии двухфазного потока в плоских соплах Лаваля и данные о распределении внутри объемного паросодержания, определенные с помощью просвечивания у-лучамн.

Эти результаты дополнили характеристики потока в соплах Лаваля, полученные с помощью отбора проб в процессе траверсированкя [591. В результате было установлено, что при входе в расходящуюся часть сопла Лаваля всегда существует двухслойный поток, характерный для цилиндрических каналов.

Центральная метастабильная струя затем распадается на капли, размер которых может на несколько порядков превосходить средний размер капель в пристенном слое. Отсюда нами были сделаны выводы о путях примене. ння гидравлических формул для расчета расходных характеристик сопл Лаваля 158].

Кроме того, стало очевидно, что обычные сопла не могут обеспечить высокую степень преобразования эитальпии вскипающего потока в кинетическую энергию вытекающей струн. В самом деле, крупные капли, образующиеся при разрыве центральной струи, в дальнейшем являются основным источником необратимых потерь, связанных прежде всего с термической неравновесностью. Потери энергии вследствие работы диссипативных сил играют второстепенную роль, поэтому создание плавных обводов в конфузорной части сопла Лаваля .чищено всякого смысла.

Напротив, целесообразно предельно днспергировать поток до критического сечения сопла ценой потери некоторой части эксергии. Примером соответствующего решения задачи является метод, предложенный И. Т. Аладьевым с сотрудниками 14] и Радеболдом 1851. В первом случае конфузорная часть сопла выполнена уступами, во втором— с гофрированными стенками.

Исследования показали, что подобные решения дают определенный положительный эффект, однако с их помощью нельзя полностью исключить образование крупных капель в центральной части потока. Лля получения наилучших результатов необходимо воздейст. вовать на весь поток, в целом перекрыв его парогенерирующей решеткой. Предлагалось выполнять такие устройства в виде сеток или перфорированных перегородок или участков внезапного расширения 185, 89, 901, Наши исследования показали нецелесообразность таких методов перекрытия потоков.

Было установлено, что механизм парообразования в адиабатных потоках аналогичен механизму парообразования в пото. ках диабатных. Близки также значения соответствующих коэффициентов переноса тепла, Поэтому количество генерируемого пара при прочих равных условиях пропорционально поверхности стенок, на которых происходит формирование пузырей ~28, 58, 541 Поэтому парогенерируюшая решетка должна обладать достаточно развитой поверхностью.

Этого можно достичь, например, системой длинных каналов постоянного сечения. Опыты с такими решетками позволили повысить значение ф, до 0,84 [584. Следует подчеркнуть, что приведенное в табл. 2.! значение 9,=0,84, полученное для сопла Лаваля с парогенерируюшей решеткой, нельзя считать предельным, так как опыты по оптимизации парогеиернрующей решетки носили незавершенный характер. В заключение следует остановиться на влиянии начального давления. Анализ опытных данных иа цилиндрических каналах и диафрагмах показал, что при прочих равных условиях с ростом давления снижается степень метастабильности ль Естественно было ожидать, что соответственно будет возрастать и предельный КПД сопл, предназначенных для получения высокоскоростных двухфазных струй. Это предположение было подтверждено Г, А. Поповым ~591.

С наибольшей убедительностью влияние данного фактора представчено в работе Э. К Карасева и В. В. Вазиигера [36), которым при повышении давления до 90 кГ/см' удалось повысить КПЛ сопла, работающего на вскипающей воде, до 0,85, чему соответствует ф, 0,92. Следует отметить, что в этом случае при переходе к углам раствора днффузориой части сопла, превышающим 6, наблюдалось резкое снижение КПД. Глава 3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА РЕАЛЬНОГО ВСКИПАЮЩЕГО ПОТОКА й 3.1.

Механизм процесса вскипания Рп = Р~+ ЛР (3.1) где ЛР 2о/Ры Рр- — радиус пузыря, связанный с размерами центров парообразованпя; о — коэффициент поверхностного натяжения. Используя равенство (!.22), можно найти минимальный перегрев жидкости, определяющий равновесие в ней пузыря данных размеров: 2аТ, Лг . п~р" П (3.2) где и" — удельный объем пара внутри пузыря. Помимо теплофизическпх факторов, связанных с термодннамическпмн свойствами среды и градпентамп температур, формирование пузырей в сильной степени зависит от гидродпиамикн движущегося потока. В зависимости от локальной скорости потока изменяется время роста пузыря и его отрыв.

ной диаметр (если пузырь формируется на твердой стенке). В итоге при хорошо изученных процессах диабатпого кипения чистых жидкостей минимальное значение ЛГр,р, необходимое для воэнцкновения ядерного кипения, оказывается в центре потока примерно на два порядка выше, нежели на его стенках (451, При больших значениях критерия Рейнольдса Яе можно полагать, что условия формирования паровой фазы в ядре потока диабатного и аднабатного кипения будут примерно одинаковы. Одинаковымп будут и термодинамические факторы, обусловливающие условия зарождения пузырей на стенках канала. На рис.