Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Для самовоспламеняюшихся топлив характерны экзотермические реакции в жидкой фазе, протекающие уже при контакте (смешении) капель компонентов. Тепловой эффект этих реакций способствует испарению капель, в том числе и тех, которые не реагировали в жидкой фазе, так как не сталкивались с каплями другого компонента. Затем перемешиваются пары горючего и окислителя и протекают химические реакции в газовой фазе, приводящие к образованию конечных продуктов сгорания.
Горение газообразных горючего и окислителя является гомогенн ы м. Выделяя различные виды горения, необходимо рассмотреть и гетерогенное горение. Гетерогенное горение происходит на поверхности раздела фаз. Одно нз реагирующих веществ находится в жидкой фазе, другое, например, кислород, доставляется к поверхности диффузией из газовой фазы. В большинстве случаев с поверхности капли исходит поток пара, и горение осуществляется в процессе смешения этого пара со вторым компонентом, присутствующим в газовой фазе. Такое горение можно назвать диффузионным квазигетерогеин ы м, но не истинным гетерогенным, так как сам процесс горения происходит уже не на границе фаз.
Если жидкие компоненты топлива подаются в камеру сгорания при сверхкритическом давлении, то после нагрева капель до критической температуры процесс горения отличается качественно и количественно от горения капель при докритнческом давлении. При сверхкрнтических параметрах капля представляет собой объем пара, и скорость процессов горения определяется диффузионным размыванием его и конвективным переносом. На основании опубликованных результатов экспериментальных исследований процесс стационарного горения можно представить следующим образом. Горение является в основном гомогенным, с существенной химической неоднородностью и турбулентностью, характер которых полностью определяется системой смесеобразования. Некоторая часть топлива в форме наиболее крупных капель выгорает по закономерностям гетерогенного или квазигетерогенного горения.
Наблюдается зона горения довольно большой протяженности с размытыми очертаниямн. Причины этого — взаимное наложение друг на друга подготовительных процессов и процессов собственно горения, а также крупномасштабная турбулентность и местные разрывы фронта пламени, выбросы языков пламени и т. п. Однако на некотором расстоянии от головки (порядка нескольких десятков миллиметров) можно выделить условный фронт пламени небольшой толщины, характеризующийся тем, что в его пределах выделяется основная часть тепла.
Реальный процесс характеризуется определенной неоднородностью полей состава, температуры и скорости, определяемой расположенйем форсунок. Возможно снижение температуры газа вблизи стенок камеры сгорания. 1зек ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОИ МОДЕЛИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА рнс.
19.6. Сиена рабочего ироаесса н «амере сгеранниг 1 †иа сиесеобраиоианни; 2 — ао. на исиарсиия и горении; 3 †гранина пограничного слоя 251 Методы расчета и исследования параметров рабочего процесса основаны на составлении и решении системы дифференциальных и алгебраических уравнений, описывающих различные физические и химические процессы, протекающие прн преобразовании жидких топлив в газообразные продукты сгорания. В зависимости от агрегатного состояния компонентов на входе в головку (жидкость — жидкость, газ — жидкость, газ — газ) рабочий процесс может лимитироваться различными физическими факторами.
Например, в случае системы жидкость — жидкость при докритическом давлении компонентов в Г б камере сгорания процесс может лимитироваться скоростью испарения жидких "Г~и м компонентов; для системы газ — жидкость определяющим фактором может быть скорость перемешивания жидкости и вводимого газа, а затем — скорость переме- ггг ным химическим составом. На основе известных качественных зависимостей изменения температуры по длине камеры сгорания ее объем условно подразделяют на различные зоны (рис. 19.5). Зона смесеобразования (ввод, распыление н смешение компонентов топлив), прилегающая к смесительной головке камеры, практически не поддается аналитическому описанию.
Создан ряд методов расчета, обладающих различной степенью приближения. Распределение капель по размерам на границе (выходе) зоны смесеобразования описывается функцией У,(гн). Величинами„(гн)Й. представляет собой вероятное число капель (абсолютное или относительное) с радиусом от гн до (г„+огра) в единице объема. Параметры функции распределения определяют на основе экспериментальных данных.
Непрерывный спектр распыла заменяют дискретным, выбирая несколько характерных размеров капель. Газовая фаза в зоне смесеобразования — это пары впрыскиваемых компонентов и газообразных продуктов сгования, попавшие в зону с обратными токами. В 'начале зоны испарения и ~горения,из-за нагрева капель существенно увеличивается скорость испарения, что обусловливает сравнительно высокие скорости сгорания и значительный рост температуры.
Движение в этой области обычно неоднородное, и на его параметры существенно влияют особенности системы смесеобразования. При дальнейшем движении двухфазной смеси в зоне рабочего процесса время пребывания в этой части зоны мало (из-за высоких скоростей потока), и турбуленгное смешение малоэффективно. Параметры в зоне испарения и горения можно оценивать на освове уравнений одномерного стационарного установившегося движения двухфазной смеси. Основным отличием этих уравнений от ураш.еннй для двухфазного потока в сопле является необходимость учета испарения, смешения и выгорания, изменения соотношения компонентов топлива по длине камеры сгорания. Уравнения, описывающие изменение параметров капель (скорости, температуры, диаметра), для каждой группы капель включают уравнение движения, уравнение теплообмена между каплей и потоком и уравнение изменения ее массы (диаметра) из-за испарения.
Система уравнений дополняется алгебрайческим уравнением для скорости испарения. Изменение секундного расхода газа на участке камеры сгорания длиной Их равно количеству нспаряемой в единицу времени жидкости в объеме РНх: где скорость испарения т,„определяется по формулам (19.2) или (19.3). В случае Р=сопз( уравнение неразрывности для газа записывается так: (19.
5) Нх о Уравнение движения газа должно быть записано с учетом объемной силы, действующей на газ со стороны капель, и изменения количества движения испаренной жидкости. Вывод этого уравнения аналогичен выводу уравнения движения газа для двухфазного течения в сопле. Уравнение движения газа имеет внд Ю,в,— + — = — ~ т„,И,(тв,— тю„,)г(г — ь т„,Ф,т℄— 'г(г, Фх о о (19. 6) где т„, тю„,„— масса и скорость капли с радиусом г„. Уравнение сохранения энергии смеси получается из условия, что энергия, проносимая через любое сечение камеры сгорания, остается неизменной по х, т. е. Выполняя дифференцирование по х, будем иметь в виду, что увеличение секундного расхода газовой фазы равно уменьшению массы жидкой фазы, т.
е. Ы(9,то,Г")= — о( .Г' ~ т„„Ж„то„,пг о В результате дифференцирования получим ~уа, ~ —" + та, — "' )+ ~ гл„,Ф,тв„, ~с „" "' + тв.,, " "' ) Нг= о (19. 7) Система уравнений замыкается уравнением состояния. С помощью приведенной системы уравнений рабочий процесс в камере сгорания можяо описать лишь качественно. Результаты численного решения зависят от многих экспериментальных данных, характеризующих распыление, смешение, кинетику испарения н др., которые на сегодня могут быть получены лишь для существэнно упрощенных моделей систем смесеобразавания. Г1оэтому на практике основные характеристики камер сгорания не могут быть определены на базе приведенной выше математической модели и выбираются на основе экспериментальных данных, накопленных при отработке камер и газогенераторов ЖРД.
1Э,З. ОЦЕНКА СОВЕРШЕНСТВА ПРОЦЕССОВ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ Неполное перемешивание и сгорание компонентов топлива и другие причины уменьшают тепловыделение н приводят к снижению удельного импульса, значение которого пропорционально )Г(то,Т . Величина Ко,То, в камере в настоящее время не может быть измерена непосредственно. Поэтому для определения коэффициента, характеризующего совершенство процессов смешения и сгорания, используют характеристическую скорость с (см. гл. П).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
