Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Для расчета параметров химически неравновесного одномер- ного течения используют систему уравнений, состоящую из уравне- ний движения, неразрывности, энергии, состояния и уравнений ки- нетики (10.7). Эта система из (д+4) уравнений для определения (д+5) неизвестных: р, й, Т, лэ, Р, ~; — оказывается незамкнутой. Поэтому необходимо использовать дополнительное условие, напри- мер уравнение профиля (формы) трубки тока г"1х), распределение давления р1х) или плотности о(х). При расчете неравновесных течений, в которых возможен пере- ход от дозвуковых к сверхзвуковым скоростям движения (напри- мер в соплах Лаваля), зависимость Г1л) в качестве замыкающей практически не используется, так как в критическом сечении прп расчете возникает особая точка. Интегрирование системы уравнений начинается от некоторого начального сечения, параметры потока в котором, в том числе хи- мический состав, известны (обычно их принимают равными пара- метрам равновесного течения) .
Расчет двухмерных химически неравновесных течений пред- ставляет собой сложную математическую задачу, возможные мето- ' ды решения которой рассматриваются в специальной литерату- ре (3). При выполнении расчетов химически неравновесных течений возникают трудности из-за ограниченности сведений о механизме реакций и константах их скоростей. 116 1ОЛ. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ НЕРАВНОВЕСНЫЕ ТЕЧЕНИЯ Релаксация внутренних степеней свободы оказывает значительно меньшее (примерно на порядок) влияние на параметры тачения, чем химическая неравновесность. Это обусловлено тем, что изменение энергии внутренних степеней свободы в процессе течения относительно невелико по сравнению с общим изменением энергии„ а времена релаксации в большинстве случаев на один-два порядка меньше характерного времени течения.
Поступательные и вращательные (так называемые активные) степени свободы приходят в равновесие уже после нескольких столкновений между молекулами, поэтому в условиях, характерных для современных сопел, основное влияние на параметры течения оказывает колебательная релаксация. Релаксация колебательной энергии сводится к обмену энергии колебательных степеней свободы с активными степенями свободы и к ее перераспределению внутри колебательных степеней свободы. В смеси двухатомных и многоатомных газов возбуждение илн дезактивация колебательных степеней свободы при неупругих столкновениях может происходить в основном двумя путями: а) путем непосредственного перехода кинетической энергии сталкивающихся частиц в колебательную энергию одной из молекул, и наоборот (процесс прямого возбуждения или дезактивации); б) путем обмена энергией между колебательными степенями свободы сталкивающихся молекул (процесс колебательного обмена).
Для каждого из процессов может быть записано соответствующее кинетическое уравнение. Если обмен колебательной энергии с энергией активных степеней свободы затруднен (например, мало время пребывания), то вследствие энергоизолированности колебатсльных степеней свободы в кинетическую энергию струи преобразуется лишь энергия поступательного и вращательного движений В результате скорость н другие параметры потока будут отличаться от нх значений для энергетически равновесного течения. Уравнения газовой динамики для энергетически неравновесных процессов записывают в предположении существования локального термодинамического равновесия внутри каждой степени свободы.
Распределение энергии внутри каждой степени свободы в этом случае соответствует распределению Больцмана, но при своей, характерной для каждого вида движения температуре (в общем случае — поступательная, вращательная и колебательная температуры). Система уравнений газовой динамики дополняется термодинамическпми соотношениями и кинетическими уравненинми, описывающими процесс установления равновесия между отдельными степенями свободы. Роль неравновесной дезактивации колебательных степеней свободы двух- и многоатомных молекул при течении многокомпонент- 11Т ной смеси в соплах двигателей и изменения параметров, обусловленные этим неравновесным процессом, мало исследованы.
Некоторые результаты по оценке влияния неравновесной дезактивации колеба'гельных степеней свободы в соплах приведены в справочнике 1791. Глава Х1 ДВУХФАЗНОЕ НЕРАВНОВЕСНОЕ ТЕЧЕНИЕ 11.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЦ(ИХ ТОПЛИВ Таблица 11.1 Основные характеристики некоторых металлосодери»ащих топлив при ре,=7 МПа и р =О,1 МПа 1791 ::!9 в тив двигателя т» иве в а РДТТ 1,60 1,77 2 32 50 Двухосповпое Смесевое 2602 450 28И0 ГТ О, 30 0,32 ЖРД на высококи- КзОа+ (СНз) ЛИНа нищих компонентах 1я,О»+ (0,6)язН»+0,4А1) 1»1зО»+ (0,751 зН»+ О,ЗВе) ~ Н,О,+В,Н, 2,76 О, 55 0,80 2,00 430 690 900 8 70 1,183 1, 383 1,2773 1,ОО 2 10 70 ЗО 00 26 17 28 0,433 0,415 0,49 О, 46 О, 36 4180~— ЖРД иа криогенных компонентах О, 35 0,27 0,25 Оз+ Нз Оз+ (0.44Нз+ 0.56Ве) Рз+ (0,54Нз+ 0,46Ы) 5, 66 1,01 1„34 34 20 730 2500 28 20 0,77 0,66 90491000, 777 4670 О. 22 ГРД МзО»+ полимер )ЧзОа+ (0,8 полимер+ +0,2А1) НзОз+ (0,2 полщяер+ +0.8А1Нз) НзОз+ ВеНа На гндрореагируаощем топливе 118 Применение в качестве компонентов ракетных топлив легких металлов или их химических соединений является одним из путей увеличения удельного импульса.
В табл. 11.! приведены составы и основные термодинамические характеристики некоторых из рассматриваемых в литературе топлив для ракетных двигателей на твердом, жидком и гибридном топливах. Среди них — ряд металло- содержащих топлив. Последние, как известно, находят широкое практическое применение в РДТТ различного назначения (см.
гл, ХХХ). Металлосодержащие топлива для других типов двигателей (например, ЖРД) находятся в стадии экспериментальных исследований. Для некоторых топлив, например для )чзО4+(ХзН4+ +А1), Ел+На+1.1, НвОв+ВвНм согласно имеющимся публикациям, исследования находятся в стадии проведения огневых испытаний на специальных двигательных установках (79). Существенной особенностью металлосодержащнх топлив является присутствие в продуктах сгорания значительного количества конденсированных окислов металлов.
Следует выделить два случая: первый, когда давление паров окисла при температуре горения весьма мало, и второй, когда оно составляет заметную величину относительно общего давления. В первом случае в газовой фазе содержится незначительное количество окисла металла, практически весь окисел конденсируется при сгорании и в процессе расширения массовая доля конденсата не изменяется. Такое положение имеет место при использовании металлов А1, Ве, Ма, окислы которых А!вОм ВеО, МдО имеют низкое давление насыщенных паров. Из данных для топлив с этими металлами видно, что массовые доли конденсата в камере сгорания и в выходном сечении сопла з, и з, отличаются несущественно. Содержание конденсата в продуктах сгорания различных топлив составляет 0,30 — 0,50 и может достигать 0,80 — 0,90 по массе и более.
Для топлив, в состав которых входят В или 1.1, а продукты сгорания содержат, например ВвОв или 1.1Р, характерно сильное изменение массовой доли конденсата при равновесном расширении в сопле (см. табл. 11.1). В камере сгорания борный ангидрид ВзОз может целиком содержаться в газовой фазе и конденсироваться лишь при снижении температуры в сопле. В зависимости от степени расширения массовая. доля выпавшего конденсата может достигать 0,30 — 0,70.
В случае топлива с горючим Нз+1.1 и окислителем Гв величина г при расширении изменяется от 0,20 до 0,60 — 0,70. В первом случае характерным процессом взаимодействия между газовой и конденсированной фазами в сопле является ускорение частиц и охлаждение их — передача тепла к газу. Во втором случае добавляется еще процесс конденсации паров окисла. Предположения о равновесном ускорении, теплообмене, конденсации и кристаллизации при расширении продуктов сгорания в сопле, принятые в расчете идеальных термодннамических характеристик, являются приближенными н нуждаются в уточнении.
и. ь ь основныв хлвлктавистики кондаислтл Для рассмотрения взаимодействия между газом и конденсатом надо знать основные характеристики обеих фаз. В гл. У1 н Х11 рассматриваются методы определения термодинамнческнх и тепло- физических свойств газообразных продуктов; известны также термодинамические свойства важнейших твердых окислов металлов. В9 Меньше изучены такие их важные свойства, как плотность, коэф- фициенты вязкости и поверхностного натяжения при высоких тем- пературах. В табл. 11.2 приведены некоторые физические свойства для ряда окислов в твердом и жидком состоянии. Таблица 11.2 Физические свойства некоторых окислов Полидисперсный конденсат можно характеризовать средними размерами частиц.
Из многих применяемых определений среднего размера в нашем случае важнейшим является среднемассовый диаметр, обозначаемый е14з. л Аез=,'); йФп з-1 (11. 1) 120 Температура горения топлив, как правило, выше температуры плавления окислов, поэтому окислы находятся в жидком состоянии, а их частицы под действием сил поверхностного натяжении принимают сферическую форму. Важнейшей характеристикой конденсированной фазы является размер составляющих ее частиц. Различают моно- и полидисперсные системы. К первым относят такие„которые состоят из частиц одинакового размера; их получение представляет сложную технологическую проблему. Частицы, образующиеся при горении металлосодержащих топлив, образуют полиднсперсную систему, т.
е. имеют различные размеры. Полная картина дисперсности характеризуется кривой распределения массы дисперсной фазы по размерам. В некоторых случаях удобнее представить распределение частиц по размерам в виде дискретной функции. Конденсат представляется состоящим из и сортов частиц различных размеров; массовая доля для каждого из них относительно конденсата определяется значениями у; (1=1, 2, ..., и), так что По зксверкментзльным данным, в продуктах сгорания содержатся частицы, нмеюпзие рвзмеры в диепвзоне от долей микрона до десятков микрон. При горении смесевьж твердых топлив с добавками злюминия и бериллия обрзеуются чзстнцы окислов с диаметром А з=Ц5 ...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
