Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Известно, что в конвективном теплообмене между стенкой и ох- лаждающим компонентом (так же как и между ПС и стенкой) участвует лишь тонкий слой потока — пограничный слой. Причем, интенсивность теплообмена в значительной степени зависит от характера движения в пограничном слое.
При ламинарном пограничном слое перенос теплоты осуществляется главным образом теплопроводностью и теплообмен существенно менее интенсивен, чем при турбулентном пограничном слое, в котором теплота переносится более мощным механизмом — турбулентным обменом. Однако хотя в турбулентном пограничном слое теплоперенос и усиливается, он все же сильно ограничивается образованием непосредственно на стенке ламинарного подслоя, в котором теплота передается более слабым механизмом — теплопроводностью. Можно сказать, что «термическое сопротивление» турбулентного пограничного слоя, выраженное величиной 1/а, определяется термическим сопротивлением ламинарного подслоя: в нем происходит падение температуры ЬТ = 1/(ад). С усилением турбулентности, например при увеличении скорости потока, ламинарный подслой становится тоньше, его термическое сопротивление уменьшается и тепло- обмен усиливается.
Однако, как было сказано, чрезмерное увеличение скорости потока ограничено. Поэтому, один из способов интенсификации теплообмена— организация искусственной турбулизации потока в охлаждающем тракте устройством в нем специальных турбулизаторов. Причем, поскольку в теплообмене участвует только пограничный слой, то турбулизация всего потока нерациональна, так как оиа наряду с усилением теплообмена в той же мере увеличит и гидравлическое сопройивление. Более рациональный способ интенсификации теплообмена— устройство искусственной шероховатости поверхности стенок канала, при которой турбулизуется только пограничный слой. Искусственная шероховатость осуществляется образованием на поверхности стенки канала чередующихся невысоких выступов — бугорков, которые могут иметь различную форму (рис.
12.22). При обтекании потоком таких бугорков возникают местные отрывные течения с образованием местных вихревых зон. Эти местные особенности течения обычно не затрагивают весь поток, а воздействуют в основном только на пограничный слой. Последний сильно турбулизируется, а главное, в нем периодически происходит разрушение ламинарного подслоя. Благодаря этому, терми— и — я ческое сопротивление пограничного слоя на участке снижается и соответственно интенсифицируется — Ю вЂ” и — 1« теплообмен между стенкой и охладителем. Подбирая опытным путем рациональные параметры шероРис. 12.22, Различные формы искусственной шероховатости охлаждаемой поверхности ка- Ховатос,, о но в Зиаховатости, можно нала чительной мере интенси- 434 фицировать теплообмен прн относительно умеренном повышении гидравлического сопротивления. Рассмотрим схематически картину течения потока вдоль шероховатой поверхности стенки.
Как показывает опыт, при турбулентном пограничном слое, что характерно для потока в охлаждающем тракте камеры ЖРД, интенсификация теплообмена в большой степени определяется особенностями течения вблизи шероховатой поверхности. Рис. 12.23. Качественная картина обтекания потоком шероховатой по- верхности Эти особенности, оказывается, сильно зависят не столько от формы бугорков, сколько от относительного шага между ними — 5/Ь. При малом относительном шаге шероховатости Я/Ь (2, в промежутке между бугорками (во впадине) образуется одновихревое движение (рис. 12.23, 6). Как видно, набегающий на грань бугорка поток, критической линией тока кр делится на две части: нижняя часть потока растекается в обратном направлении, образуя вихревое движение во впадине, а верхняя часть потока «обтекает» бугорок в направлении течения.
С увеличением относительного шага шероховатости течение постоянно изменяется — деформируется. При достаточно большем значении величины 5/Ь в области между соседними бугорками образуется сложное течение с двумя вихревыми зонами (рис. 12.23, а). Причем, вихри располагаются вблизи граней бугорков и затрагивают только часть течения. В другой части, лежащей в средней области между бугорками, находится область турбулизированного потока, в которой вновь начинает формироваться разрушенный перед этим ламинарный подслой. С изменением картины течения изменяется и интенсификация теплообмена.
Как показывает опыт, с ростом величины 5/Ь среднее значение коэффициента теплоотдачи на участке сначала растет и достигает максимального значения при (5/Ь) =- 12 —: 14. При дальнейшем увеличении 5/Ь интенсивность теплообмена падает, стремясь к значению при гладкой поверхности стенок канала.
Такое поведение коэффициента теплоотдачи объясняется тем, что вначале воздействие бугорков на характер течения в области между ними усиливается и достигает максимума при относительном шаге ЫЬ = 12 —: 14. Однако при дальнейшем увеличении значения о/Ь влияние бугорков все больше локализуется в относительно небольшой области течения, не оказывая существенного воздействия на остальную большую часть потока.
Наконец, постепенно наступает момент, 435 когда вся поверхность обтекается практически невозмущенным потоком. Влияние искусственной шероховатости на усиление теплообмена в канале можно учитывать коэффициентом эффективности шероховатости л =дш/д. где д,,„д„— тепловой поток при шероховатости поверхности и при гладкой стенке. Опыт многих исследований показывает, что на интенсивность теплообмена форма бугорков шероховатости большего влияния не оказывает, хотя на гидравлическое сопротивление влияет существенно. Исходя из этого влияние искусственной шероховатости различной формы может быть осреднено и аппроксимировано: л„= е, 1л где т = 0,65 13/(3/Ь) при Я/Ь ~ 13; т = 0,85 (Я/Ь)/13 при 3/Ь < 13.
При оптимальном относительном шаге бугорков (5/Ь = 13) имеет место максимальное значение коэффициента эффективности шерохо- аатости Проектируя охлаждающий тракт с искусственной шероховатостью, возникает вопрос, какую назначать высоту бугорков Ь в каждом конкретном случае. Из предыдущею известно, что наиболее рациональное влияние шероховатости должно распространяться главным образом на пограничный слой. Отсюда, высота бугорков не должна выходить за его пределы.
Кроме того, известно, что гидравлическое сопротивление при высоте бугорков шероховатости меньше толщины ламинарного подслоя (Ь/6„< 1) практически соответствует гидравлическому сопротивлению гладкой поверхности. Однако такая «мелкая» шероховатость недостаточно интенсифицирует теплообмен. При увеличении высоты бугорков шероховатости больше толщины ламинарного подслоя (Ь /6 > 1) гидравлическое сопротивление повышается по сравнению с гладкой поверхностью, но усиливается одновременно и теплообмен. Величина коэффициента гидравлического сопротивления при шероховатых поверхностях может определяться по известным гидравлическим зависимостям, например формуле Альтшуля: Х = 0,1 (1,46 Л(+ 100 / Пе з,) ' где Ь = Ь/г(„— относительная шероховатость; г(, = 4//// — гидравлический диаметр; Пед„= рйго„/)г — число Рейнольдса.
Таким образом, при выборе высоты бугорков искусственной шероховатости, очевидно, рациональной высотой будет такая, при которой интенсивность теплообмена увеличивается существенно больше, 436 чем возрастает гидравлическое сопротивление. Опыт и теория рекомендуют для оптимального решения назначать высоту бугорков примерно равной десятикратной толщине ламинарного подслоя: Ь- 106„. Дяя оценки толщины ламинарного подслоя на участке можно, используя известное соотношение Кармана, получить следующую эмпирическую формулу: 3„= 32,5Н„ / () гГПел„), где Х вЂ” коэффициент гидравлического сопротивления гладкого канала.
Опыт показывает, что при рационально выбранной шероховатости интенсивность теплообмена можно увеличить в 2 — 2,5 раза, а гидравлическое сопротивление при этом возрастет в 1,3 — 1,5 раза. Естественно, что в каждом конкретном случае расчетные рекомендации должны быть проверены экспериментально, тем более, что при неудачной шероховатости интенсивность теплообмена может стать даже хуже, чем при гладкой поверхности.
Наконец, отметим, что используя оптимальное оребрение охлаждающего тракта и оптимальную искусственную шероховатость стенок канала, можно интенсифицировать теплообмен в 4 — 5 раз: ч члл чр лш где п,=2 —:2,5; е =2 —:2,5. $12Л. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ В СТЕНКУ ПРИ ЗАВЕСНОМ ОХЛАЖДЕНИИ Физическая картина. Прн впрыске жидкости из пояса завесы на поверхность стенки образуется движущаяся по ней пленка жидкости. В начале участка на расстоянии 1 со стенкой соприкасается жидкость, которая, двигаясь по стенке в результате теплообменных процессов, постепенно прогревается и испаряегся.
Ускорению процесса испарения — газификации пленки — способствует также ее частичное разбрызгивание на капли, которое возникает из-за определенной гидродинамической неустойчивости течения пленки по стенке, а также в результате взаимодействия пленки с обтекающим ее газовым потоком. После участка испарения со стенкой соприкасаются газообразные продукты, причем сначала это в основном продукты газификации завесы, т.
е. ее пары, затем, по мере удаления от участка испарения, состав газообразных продуктов возле стенки будет постепенно все больше и больше изменяться под воздействием процессов перемешивания с ближайшими слоями ПС и горения. Из двух составляющих теплового потока приближенно можно считать, что завеса на лучистый поток не оказывает существенного влияния. На участке испарения ввиду малой толщины жидкой пленки можно считать, что завеса пракгически прозрачна, и лучистый поток, падающий на стенку, не ослабевает.
437 На следующем участке лучистый поток несколько слабеет, так как продуктами газификации завесы являются многоатомные газы, недо. статочно прозрачные для тепловых лучей. Однако учитывая, что толщина слоя этих продуктов невелика по сравнению с диаметром КС, для простоты также можно считать, что лучистый поток она не уменьшает. Разница пойдет в запас надежности расчета.
Наибольшее воздействие завеса охлаждения оказывает на конвективный тепловой поток в стенку, который на участке испарения жидкой пленки можно считать практически отсутствующим, так как со стенкой соприкасается жидкость с температурой не выше температуры ее кипения или разложения.
На последующем участке конвективный тепловой поток будет определяться в основном температурой и составом газообразных продуктов возле стенки. Если не учитывать особенности, характер и полноту выгорания продуктов завесы, то можно считать, что состав и температура газа возле стенки определяются только соответствующими соотношениями компонентов. Отсюда для определения конвектнвного потока на участке, расположенном ниже участка испарения, надо найти расчетное соотношение компонентов к„р„, вдоль стенки.
Расчет длины участка испарения пленки. Длину участка испарения завесы можно определить исходя из простого баланса теплоты: теплота, передаваемая конвективной теплопередачей, полностью идет на прогрев жидкой пленки от температуры Тм до температуры испарения или разложения Тз и далее на теплоту испарения или разложения. После элементарных преобразований можно записать, что г,„(Т вЂ” Тм) () 1. эм (Тто — Ттр) эм (Ттэ — Тз где э) — коэффициент, учитывающий частичное разбрызгивание плен- ки на капли; т, — секундный расход жидкости на завесу; с — теплоемкость жидкости при средней температуре Т„= 0,5(Тм+ Тэ); Т„, Тз — начальная температура жидкости и температура ее кипения или разложения при данном давлении в камере; а„— конвективный коэффициент теплообмена.
Исходя из конвективного потока, вычисленного без учета завесы т/„„ коэффициент теплоотдачи тг„= Оээ/(Т вЂ” Т „), где Т„„Тчь — температура газа в пристеночном слое и температура стенки при отсутствии завесы. Коэффициент э) ( 1 зависит от гидродинамики течения пленки н ее взаимодействия с обтекаемым потоком. Приближенно коэффициент э) зависит от числа Рейнольдса жидкой пленки: йер =- р цт 8 /)г, 438 кэ = гпстои ~ (гпсгг +)пээ )= ээ ~ ~ + (кэтэ +~ ) лтэ 1/шст ~ (12.39) В то же время соотношение компонентов к р„, непосредственно возле стенки, т. е. в зоне пограничного слоя, определяющего конвективный теплообмен, будет соответственно изменяться от к „, = О (в конце участка испарения, где со стенкой соприкасаются еще толь- 439 где р, )э — плотность и вязкость жидкости в пленке; цт, 6 — средняя скорость движения жидкости в пленке и ее толщина.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
