Ультразвуковой метод измерения скорости горения (1043532)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
