Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 28
Текст из файла (страница 28)
В реальном случае взаимодействие частиц с газом и между собой будет происходить с отклонениями от этой идеальной схемы. Наряду с процессом слияния частиц может иметь место распад капель под аэродинамическим воздействием, диспергирование их прн соударепии с высокими скоростями. Ниже рассмотрены элементы процесса сближения, соударения и взаимодействия капель с газовой средой и приводятся некоторые оценки, показывающие возможное влияние различных факторов на формирование спектра частиц в сопле и величину «двухфазных» потерь.
Большинство количественных данных приведено применительно к условному двигателю с г1„=100 мм, работающему на топливе с характеристиками, указанными в начале подразд. 11.4.3, при рм=4 МПа. В других случаях условия расчета оговариваются особо. При интенсивном обдуве капель возможна их деформация н разрушение в результате воздействия сил давления и трения. Характер обтекания определяется значением критерия Рейнольдса. Устойчивость частиц при аэродинамическом воздействии определястся критерием Вебера ~Че = 1о (та — ю,)' гЯа. Когда значение Юе достигает некоторой критической величины, происходит разрушение капли.
Специально проведенные теоретические и экспериментальные исследования 179) показали, что при це= 10 ... 500 значение критического числа Вебера Юе„рж17. При расчете движения частиц существенную роль играет также увеличение их сопротивления вследствие деформации. 4 На рис. 11.9 нанесено изменение среднего диаметра частиц прп учете дробления. При этом коэффициент поверхностного натяжения а был принят равным 0,2 Н/м для окислов алюминия н бериллия.
Эти результаты свидетельствуют об определяющем в данном случае влиянии процесса дробления частиц жидкой фазы на величину снижения удельного импульса. Даже при высокой начальной дисперсносги конденсата (иа входевсопло Ы4з<1 мкм) вследствие коагуляции в сопле при высокой концентрации частиц средний размер их может вырасти до нескольких десятков микрон. При этом расчетные величины снижения удельного импульса достигают 10— 30%.
В результате дробления крупных фракций средний размер частип уменьшается до 10 — 15 мкм в рассмотренных условиях, а снижение удельного импульса при я(0,3 ... 0,5 составляет несколько процентов. Таким образом, в ряде случаев может оказаться, что дпсперсность конденсата в области горловины сопла определяется процессом дробления частиц газовым потоком. 13$ При расчетах коагуляции необходимо учитывать возможность искривления траекторий мелких капель, движущихся вместе с газом.
Из-за искривления траекторий мелких частиц при их сближении с крупными количество соударений уменьшается. Коэффициентом захвата й, называется отношение числа капель определенного размера, испытавших соударение с большей каплей, к числу всех тех, которые испытали бы соударение при прямолинейном относительном движении. Анализ показывает, что коэффициент захвата может быть определен по известным зависимостям [821 и введен как множитель в формулу (11.21) . Важным является вопрос об исходе соударения капель.
Специально поставленные исследования этого процесса, в которых изучалось взаимодействие свободно падающих крупных капель с движущимися в горизонтальной плоскости мелкими каплями, позволили получить обобщенную характеристику эффективности слияния капель при соударениях 174). Учет неслияния и дробления капель в результате соударения приводит к существенному уменьшению роста частиц из-за коагуляции. Наконец, еще один процесс может приводить к разрушению капель из-за их соударений.
Точки встречи мелких частиц, ударяю. шихся в крупную„можно считать равновероятно распределенными по ее сечению. Ввиду нецентральности ударов после слияния остается момент количества движения, происходит раскрутка капли. Оценки результатов множественных ударов говорят о заметной вероятности того, что угловая скорость капель в типичных условиях может превысить значение предельной угловой скорости по устойчивости вращающихся капель и произойдет их разрушение. Следует подчеркнуть, что все отмеченные процессы происходят не изолированно, а одновременно, влияя друг на друга. Капля вращается, обдувается н дэформнруется газовым потоком и одновременно подвергается ударам.
Трудно надеяться на точность аддитивного учета влияния всех этих процессов на размеры частиц, даже основываясь на надежных экспериментальных и теоретических данных для каждого отдельного процесса. Поэтому особую важность приобретает проведение тщательно поставленных экспериментов, воспроизводящих рассмотренные выше явления возможно ближе к условиям в натурных двигателях. Ы.з. НЕРАВНОВЕСНОСТЬ ПРОЦЕССА КОНДЕНСАЦИИ В СОПЛЕ Если давление насыщенных паров вещества в камере сгорания составляет заметную долю рю„то при течении в сопле содержание конденсированной фазы будет существенно изменяться. Конденсация вещества может происходить на уже имеющихся конденсированных частицах этого вещества и на других имеющихся ядрах конденсации, а также на частицах, появившихся в результате нуклеации, т. е. образования зародышей в перенасыщенном паре.
Рпс. 11.1О. Умсиыпсипс удсльиого импульса вслспсг вис перенасыщения при расширении в сопле". топливо — эзьв 11гегьа Нп Р =19 Мив; и о =2.09 моль ок/лголь г Глаза ХП ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА 12.1, ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА ПРИ ЛАМИНАРНОМ ТЕЧЕНИИ Реальным потокам жидкостей и газов обычно сопутствуют явления диффузии, вязкости и теплопроводности. Характер этих явлений существенным образом зависит от режима течения. При ламинарном течении диффузия, вязкость и теплопроводность в газовых смесях определяются межмолекулярными взаимодействиями. 137 Таким образом, для расчета кинетики процесса конденсации необходимо определять скорость образования зародышей в потоке и их роста в результате диффузии. При этом должны определяться также скорость и температура частиц. Остановимся кратко на некоторых результатах исследований неращ1овесных двухфазных сечгжий с конденсацией на примере топлива Нвсгг+ВьНв.
Рассматривался двигатель, имеющяй диаметр минимального сечения сгл= =100 мы и работающий при соотношении компонентов м=2,05. При этом в камере сгорания кондегюат отсутствует, а на срезе сопла в случае равновесного течения его массовая доля составляет з=0,5 при геометрической степени расширения Р„=- Уа' ' =15, При неравновесном течении в зависимости от условий, принятых для расчета скорости образования и роста капель, величина з составляет а,р 0,4 — 0,5.
Точка появления конденсата смещается зина по потоку по сравненкю с равновесным случаем, и интенсивное образование ядер иуклеации на- й" ступает при перенасыщении ь=!.7 ... 3. Температура частиц ВгОг имеет значение, прн котором давление насыщенного пара частицы равно давлению пара в потоке. Скорость частиц размеры которых оказываются ие превышающими долей микрона, близка к скорости газа. Принятие некоторых крайних условий, замедлпющнх нрклеацяю, дает значения началнного перенасыщения, достигающие 1О н 1ОО.
Однако величина потерь удельного импульса во всех случаях не превышает 1 %. Для объяснения этого нс вполне очевидного результата были выполнены термггдинампчюкне расчеты горения и расширения при различных постонпных по соплу значениях перенасыщения, Принцнпы расчета объяснены в начале равд. 11. 2. Результаты, приведенные на рис, 11. 10, показывают, что при ожидаемых согласно иинетическии расчетам перенасыщениях, нс превышающих 10— 100, потери удельного импульса оказываются ниже 1ой. Расчеты неравновесных, с учс,.ом кинетгькн коиденсацвиг течений дают несколько ббльшие величины потерь, так как прн этом учитываются дополнительные потери, связанные с отсутспшем температурною равновесия между газом и частицами.
Явления диффузии, вязкости и теплопроводности 'физически аналогичны. Они предполагают перенос (транспорт) через жидкость или газ некоторого физического свойства в результате движения и взаимодействия атомов и молекул, образующих смесь. Обычная диффузия — перенос массы из одной области в другую вследствие градиента концентрации; вязкость — перенос количества движения вследствие градиента скорости", теплопроводность — перенос энергии вследствие градиента температуры. Поэтому перечисленные физические явления получили общее название — я в л е н и я п е р е н о с а, а соответствующие им теплофнзические коэффнпиенты диффузии х), вязкости т), теплопроводности Х вЂ” коэффициенты переноса (транспортные коэффициенты).
Указанные'коэффициенты являются коэффициентами пропорциональности в выражениях для потоков массы (числа молекул л), количества движения птои н энергии поит в направлевин, обратном градиенту: па, г!он Ф.= — Π—: Ф.= — Ч— лл ' " ки ' лт гг т йл где а — число молекул в единице объема, гл и си масса молекулы и теплоемкость (в расчете на одну молекулу).
Диффузия может также возникать вследствие температурногс» градиента, поток энергии — из-за градиента концентрации. Первый эффект обычно весьма мал н здесь не рассматривается, второй учитывается при определении коэффициента теплопроводности реагирующей смеси. Раосмоэриы элементарную теорию явлений переноса. Примем, что молекулы, образующие газообразное рабочее тело, являются упругими сферами массой вг и диаметром а, не взаимодействующими на расстоянии. Все они движутся с одинаковой скоростью в направлениях, параллельных координатным осям прямоугольной системы координат к, у, г с равной вероятностью, т. е. одна шестая молекул движется в направлении (+х), одна шестая — в наз1рзвлении ( — л), одна шестая — в направлении (+у) и т.
д, Скорость нх равна срезмей арифметической скорости молекул в условиях равновесного сгюгояния, которая, каи известно из курса физики, равна ю угв)ст(игл) где й — постоявная Больцмана. Рассмотрим перенос какого-либо свойства Р (числа молекул и, количества движения лтоэ, энергии лсгт) через единицу поверхности О (рнс. 12.!). Молекулы, приближающиеся и плоскости О сверху или снизу (по 1!6 всех молекул), столкнулись перед этим с другими молекулами на расстоянии от плоскости О (т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
