Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Его возникновение возможно вследствие разного уменьшения давления в потоках с нсодинаковымизначеииямипири поворотах потока на один и тот же угол при обтекании ИРлр ого о о,о йо 7 Рас. Вта расаределеаве даалеавв вдоль аовтура арв датислодаов тсееаав угловой точки. Некоторые типичные результаты расчетов распределения давления на стенке показаны на рнс. 9.10 (кривая 1 соответствует однослойному течению при и= 1,14, кривые 2 — 6 — двухслойному течению при лт — — 1,14, лр — — 1,4 и при относительных расходах в пристеночном слое соответственно 1, 5, 10, 20, 30оь).
Расчеты показывают, что при округлении угловой точки радиусом гвр>(0,3 ... 0,5)г положительный градиент давления на контуре сопла не возникает. З.в. ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ В КОЛЬЦЕВЫХ СОПЛАХ Течения в кольцевых и круглых соплах имеют много общего. Характерная картина распределения приведенной скорости А и линий тока тр в кольцевом сопле (любая пара линий тока тр может быть выбраны в качестве образующих контура сопла) показана на рис. 9.11. Как и в обычных круглых соплах Лаваля, в дозвуковой области течения, начиная с некоторых значений тр, на верхних и нижних линиях тока возникает положительный градиент давления, звуковая линия смещается вверх по потоку от минимального сечения.
Положительные градиенты давления могут возникать и в сверхзвуковой области на некоторых линиях тока в связи с резким поворотом и перерасширением потока на пих. 111 Особый интерес представляет исследование течений в штыре. вых и тарельчатых соплах на режимах перерасширения. На этих режимах, как показывают эксперименты, течение представляет р'м Рс Ф'1 а 1 Х Рнс. И:.11. Пале сечении а иелиаенем сипае Р/сесе р а,р ц~ л/г, Ю Рвс. Элр.
Течение а 1тньвеаем сеале па реминал верераствренна, прв различима спаивании сесне~и нерасчеитсси т рн/рен 1-т=л; 1-т П,11 Л-т=ы: Ыа а 1аа сложную физическую картину с возникновением ряда слабых скачков уплотнения в потоке. В качестве примера на рис. 9.12, а показаны теневые фотографии течения на режимах перерасширения в штыревом сопле, рассчитанном на число М на выходе, равное 3,7, а на рис. 9.12, б — эпюры распределения давления по контуру сопла, соответствующие данным режимам. Расчет параметров тече- 112 ния и тяги кольцевого сопла на этих режимах является сложной задачей, которую в настоящее время нельзя считать решенной.
Эксперименты показывают, что кольцевые сопла типа штыревого целесообразно применять при значительном укорочении контура. Укорочение производится с помощью отсечения части профи-. лированного контура плоскостью, перпендикулярной оси сопла. Например, сокращение длины контура на 80тв практически не приводит к потерям тяги, а сокращение на 80 — 90$ уменьшает тягу не более чем на 1,5 — 27«.
В то же время выигрыш в габаритах оказывается весьма существенным. Глава Х ОДНОФАЗНОЕ НЕРАВНОВЕСНОЕ ТЕЧЕНИЕ 10Л. ОБШИЕ СВЕДЕНИЯ Значительную часть энергии потока продуктов сгорания составляет энергия диссоциации и энергия колебательных степеней свободы. Распределение энергии системы в равновесном состоянии определяется внешними условиями, характеризующими равновесие (например, температурой и давлением).
Если внешние условия изменяются, в системе возникает процесс перехода в равновесное состояние (процесс релаксации). Скорость приближения к равновесию обычно определяют временем релаксации, либо числом столкновений между молекулами, необходимым для установления равновесия. С уменьшением температуры в потоке из-за снижения эффективности столкновений различные внутренние выравнивающие процессы (энергетическая и химическая релаксация) замедляются и требуют для своего осуществления большего числа столкновений между молекулами, прежде чем будет достигнуто равновесие. Если время достижения равновесия того же порядка, что и 'время пребывания в сопле, то возможно отклонение от равновесия. Для того чтобы релаксационный процесс для отдельной степени свободы оказывал влияние на параметры потока, необходимы два условия: время релаксации должно быть сравнимо со време.
нем пребывания и изменение энергии, связанное с процессом релаксации, должно составлять значительную часть общего изменения энергии. С этой точки зрения в камере двигателя (время пребывания 10 — в — 10-л с) наиболее важными релаксационнымн процессами являются процессы установления химического равновесия, как более «медленные» и приводящие к заметному изменению энергии по сравнению с другими видами релаксации.
Однако в некоторых случаях может оказаться заметной роль и энергетической неравновесности. 113 10.2. химически неРАВИОВесные течения Исследование процессов с учетом конечных скоростей химических реакций требует привлечения химической кинетики — науки о механизме и скоростях химических реакций в зависимости от условий протекания процессов. Скорость газофазной химической реакции есть изменение количества вещества некоторого компонента 1 в единице объема в единицу времени, т. е.
)р', = (1/3l) (г(п,~йт), (10. 1) где п~ — количество (кг, молей, молекул) Рго компонента в объеме. В многокомпонентной газовой смеси скорость (Р~ обычно определяют в соответствии с правилами формальной химической кинетики. Согласно этим правилам рассматривают только элементарные химические реакции, т. е. реакции, протекающие в одну стадию (за одно столкновение). Например, реакция ОН+О- Оз+Н элементарна, а реакция 2Н,+О,— 2НзО не является элементарной, так как образование воды из молекул Нз и 02 проходит в общем случае через ряд стадий с образованием промежуточных продуктов реакций. Обычно учитывают только моно-, би- и тримолекулярные элементарные реакции.
Реакции четвертого и более высоких порядков не рассматривают из-за малой вероятности одновременного столкновения четырех и более частиц. Скорости элементарных реакций определяют в соответствии с законом действующих масс. Пусть в системе протекает реакция ), в которой в общем случае участвуют д веществ: ~~~~ т,' А, ~~)~~ т," Аь (10. 2) 1-1 1=.1 где А; — символ вещества г, ч,', ч, — стехиометрические коэффициенты (если вещество А; не участвует в данной реакции, то коэффициенты ч,', ч," для него равны нулю). Согласно закону действующих масс скорость изменения количества любого компонента смеси ( в реакции 1 определяется соотно- шением (10.
3) 1Р'м=( 1 — 1) йгП ю 1=1 где сь=пь/У вЂ” концентрация й-го компонента; Кт — константа скорости реакции ); П вЂ” символ произведения, П а,=а,аз аз... а„. Кроме того, правила формальной кинетики предусматривают принцип независимости протекания элементарных химических реакций в смеси, Согласно этому принципу общая скорость изменения количества любого компонента в смеси равна алгебраической сумме скоростей его изменения в результате протекания всех элементарных реакций, т. е. с )Р'; ~~~~ 1Р'и.
т В приложениях химической кинетики к процессам течения в соплах ракетных двигателей принимают обычно еще следующие допущения: а) константы скорости реакции / в прямом К;+ и обратном направлениях К вЂ” связаны между собой через константу т химического равновесия для этой реакции К вЂ” соотношением К~+/К7 = Кя1: б) в качестве компонентов продуктов сгорания учитывают только одно-, двух- и трехатомные составляющие смеси.
Запишем уравнения химической кинетики для многокомпонентной реагирующей смеси, состоящей из д индивидуальных веществ, в которой протекают 1 химических реакций. Каждую из обратимых реакций, т. е. реакций, которые могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, удобно рассматривать как совокупность двух реакций — прямой и обратной — что упрощает запись окончательных уравнений. Будем исходить нз общего соотношения (10. 5) где п~ — число молей. Поскольку для стационарных процессов Ф~/сй=-(Ит/Фх) (Ых/Ит); дх/~/т=тэ, то (10.
6) При течении реагирующей газовой смеси в сопле ракетного двигателя химические реакции протекают при переменном объеме. Поэтому в уравнениях химической кинетики целесообразно перейти к мольным (х~), массовым (и;), смольно-массовым ($;) долям или к параметрам, которые являются их функциями. Применение мольномассовых долей приводит к более простому окончательному виду уравнений, Умножим обе части уравнения (10.6) на молекулярную массу И и используем соотношения и;и;=т~=гпйб с;=щ~/рь где лт— 115 масса газа в объеме р'.
Производя замену л;=й';/1л~ и учитывая, что т~У=й, получим (10.7) 1 Ф Для иллюстрации записи уравнений кинетики вида (10.7) рас- смотрим одно из простых по исходному элементарному химическо- му составу топливо Ра+Нэ со следующими возможными компонен- тами продуктов сгорания: Н, Р, Нм Рм НР. Предполагаемый меха- низм химических реакций таков: 1. Н+Н+М~~Нэ+М; 2, Н+Р+М~'НР+М; 3. Р+Р+ +М~~Рэ+М; 4. Р+Нд, НР+Н; 5. Н+Рэ, НР+Р; б, Нэ+ + Р НР+НР, где символ М соответствует обобщенному понятию каталитической частицы, роль которой может выполнять любой компонент смеси. Уравнение химической кинетики записывается для каждого компонента в форме, аналогичной приводимой здесь для атомарно- го водорода: ~н — н = — ( — 2К~+Яй+ 2К~ Фн, — Кг Лндр + Кэ Фнр+ Кл йчрчн,— Фх 3Π— К4 Фрррр+ Кл йчнр1р КБ йлн~рв).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
