Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Поэтому для исследования неравновесных течений в соплах распространение получили алгоритмы решения на основе обратной задачи. Рассмотрим основные этапы решения этой задачи на примере одномерного течения. Вначале для сопла известной геометрии Р"(х) определяют распределение вдоль оси газодинамических параметров р (х), р (х) и других, где х — относительная координата оси сопла. Для этого этапа расчета принимают модель равновесного течения; могут применяться соотношения газовой динамики, тогда изменение химического состава и теплоемкостей при расчете учитывают с помощью среднего показателя изоэнтропы а.
103 Затем интегрируется система уравнений для химически неравновесного течения. Эта система включает уравнения движени~), энергии, состояния и уравнения изменения состава в неравно весных химических реакциях вида (1!.6), где Щ,/йт == ш д$;/пх,' Задача для модели одномерного движения решается с применением в качестве дополнительного уравнения ранее найденной зависимости р (х) или р (х). Интегрирование начинают от некоторого начального сечения в сужающейся части сопла, в котором химический состав и параметры мало отличаются от равновесных значений. Обычно это сечение, в котором давление равно -0,9р„. В результате интегрирования находят параметры неравновесного потока, а по уравнению неразрывности — площадь Г (х), которая несколько отличается от первоначально заданной /ч (х). Расчет параметров равновесного течения для сопла с измененной геометрией Г (х) является последним этапом вычисления'.
Сопоставляя теперь параметоы потока при одинаковых значениях Г для моделей равновесного и неравновесного течения, делают выводы о влиянии химической неравновесности. По результатам многочисленных расчетов химически неравновесных потоков течение в сужающейся части сопла почти во всех представляющих интерес случаях оказывается близким к равновесному. Отклонение от равновесия появляется в окрестности минимального сечения при М ) ! и г = 1,2 ...
1,5, где скорость изменения параметров максимальна. Из результатов расчетов также следует, что мольные доли компонентов продуктов сгорания СО,, СО, Н,, О„Н,О, ХΠ— в окрестности минимального сечения «замораживаются» и дальнейшее изменение их значений вниз по потоку при г ~ 2 обычно не превышает 5 9!. Отличие мольных долей перечисленных индивидуальных веществ от соответствующих равновесных значений для сопел двигателей первых ступеней обычно составляют примерно !0 ...
20 М, для сопел двигателей и третьих ступеней 20 ... 60 'й. Отклонения значений параметров неравновесного потока от соответствующих значений равновесного зависят в основном от факторов, которые определяют начальную степень диссоциации продуктов сгорания на входе в сопло, скорости химических реакций и время пребывания. Такими факторами являются природа компонентов топлива и их соотношение (от них зависят степень диссоциации и температура Т„); давление р„и температура Т„ в камере сгорания и геометрия сопла — зтн параметры определяют текущие значения величин р и Т в каждом сечении сопла, а от последних зависят скорости химических реакций; длина сопла, которая прн Е, = сопз! примерно пропорциональна диаметру минимального сечения й„ (длина сопла определяет время пребывания).
Следовательно, отклонения параметров из-за неравновесности течения должны быть больше при соотношениях компонентов, близких к стехиометрическому (возрастает степень диссо- !04 циации), прн уменьшении давления р„и увеличении степени 'расширения 7', (уменьшаются скорости химических реакций), при уменьшении диаметра д„(становится меньше время пребывания). В связи с тем, что многие вопросы химической кинетики относительно констант скоростей и механизмов химических реакций в продуктах сгорания ракетных топлив изучены недостаточно полно, результаты расчета параметров химически неравновесных потоков имеют погрешности. Они могут составлять 10 ... 25 % от величины отклонений из-за неравновесности.
11ДК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ НЕРАВНОВЕСНЫЕ ТЕЧЕНИЯ Релаксация внутренних степеней свободы оказывает значительно меньшее (примерно на порядок) влияние на параметры течения, чем химическая неравновесность. Это обусловлено тем, что изменение энергии внутренних степеней свободы в процессе течения относительно невелико по сравнению с общим изменением энергии, а значение времени 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 даже 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 свобады и к ее перераспределению внутри колебательных степеней свободы. Расчеты показывают, что обычно отклонения от энергетической равновесности в соплах ракетных двигателей незначительно влияют на характеристики реактивной струи.
Г Л А В А Х!!. ДВУХФАЗНОЕ НЕРАВНОВЕСНОЕ ТЕЧЕНИЕ 1З.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩНХ ТОПЛИВ Применение в качестве компонентов ракетных топлив легких металлов или их химических соединений является одним из путей увеличения удельного импульса. Смесевые твердые пакетные топлива с добавками А1, как известно, находят широкое практическое применение в РДТТ различного назначения.
МЕталлосодержащие топлива для других типов двигателей (например, ЖРД) находятся в стадии экспериментальных исследований. Для некоторых топлив, например для )Ч,О, + + ()Ч,Н, 4- А1), Р, + Нз + Е!, Н,О, + В,Н„ согласно йме- 1ОЗ Тпблияа 12,1 Основные характеристики некоторых металлосохержащнх топлив прн рос =- 7 %па н ри =. 0,1 Мпа Металл в топливе. ау Хими. чесали формула иан- депсата аап иг ои йггор гас К тип двн- гател» ас Топливо 2260 3250 РДТТ Двухосиовное Смесевое 17 А!аОа 0,32 0,30 3430 3690 3900 2870 НаОа+ (Снв)тм)ина ХаОа + (О,бмтНа + 0,4А!) Х,О, + (0,7Х,Н, + О,ЗВе) Н,О,+ В,Н, 2,76 0,55 0,80 2,0 ЖРД на высоко- кипящих компо- нентах 26 !7 28 А!аОа ВеО, в,о 0,43 0,45 0,49 0,46 0,36 5,66 1,01 1,34 3420 3090 2500 О+Н Ов+ (0,44Нт+ 0,56Ве) Р, + (0,54Н, + 0,46Ь)) ЖРД на криогенных ком- понентах 28 20 0,77 0,22 ВеО, 1лГ 0,77 0,66 ющимся публикациям проводились огневые испытания на специальных двигательных установках 1261.
Существенной особенностью металлосодержащих топлив является присутствие в йх продуктах сгорания значительного количества веществ в конденсированном состоянии. Составы и отдельные термодинамические характеристики некоторых металлосодержащих топлив приведены в табл. 12.1. При течении гетерогенных продуктов сгорания металло- содержащих топлив 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 в топливе металлов А1, Ве, Мй, окислы 106 которых (А!,О„ВеО, МяО) имеют низкое давление насыщенных паров, массовые доли конденсата в камере сгорания г, и в выходном сечении сопла г, для этих топлив отличаются несущественно. Содержание конденсата в продуктах сгорания различных топлив составляет 0,3 ...
0,5 и может достигать 0,8 ... 0,9 по массе и более. Для топлив, в состав которых входят В или 1.1, а продукты сгорания содержат, например, В,Оэ или 1.!Г, характерно сильное изменение массовой доли конденсата при равновесном расширении в сопле.
В камере сгорания борный ангидрид В,О, может целиком содержаться в газовой фазе и конденсироваться лишь при расширении. В зависимости от степени расширения массовая доля выпавшего конденсата может достигать 0,3 ... 0,7. В случае топлива с горючим Н, + 1.1 и окислителем Е, величина г при расширении изменяется от 0,2 до 0,6 ... 0,7. В первом случае характерным процессом взаимодействия между газовой и конденсированной фазами при течении является ускорение частиц и охлаждение их — передача теплоты газу. Во втором случае добавляется еще процесс конденсации паров окисла.
Предположения о равновесном ускорении, теплообмене, конденсации и кристаллизации при расширении продуктов сгорания, принятые в расчете идеальных термодинамических характеристик, являются приближенными и требуют уточнения. 12.1.1. Основные характеристики конденсата Температура горения топлива, как правило, выше температуры плавления окислов, поэтому окислы находятся в жидком состоянии, а их частицы под действием сил поверхностного натяжения принимают сферическую форму. Важнейшей характеристикой конденсированной фазы является размер составляющих ее частиц. Частицы, образующиеся при горении металлосодержащих топлив, образуют полидисперсную систему, т. е. имеют различные размеры. Полную картину дисперсности Характеризуют кривой распределения массы дисперсной фазы по размерам.
Полидисперсный конденсат можно характеризовать также средними размерами частиц. Из многих применяемых определений среднего размера в данном случае важнейшим является среднемассовый диаметр, обозначаемый й„: л Аз = ЕюА, (12. 1) ~=! где я — массовая доля частиц фракции 1. По экспериментальным данным, в продуктах сгорания содержатся частицы, имеющие размеры в диапазоне от долей микрона до десятков микрон. При горении смесевых твердых топлив с добавками алюминия и бериллия образуются частицы окислов с диаметром 4а = 0,5 ...
5 мкм. 3а срезом сопла частицы крупнее, их средний размер достигает 4а = 5 ... 1О мкм и более. 107 12.1.2. Особенности движения двухфазной смеси При движении скорость газа увеличивается вследствие градиента давления. Частицы конденсата могут ускоряться только под действием аэродинамических сил, возникающих при обдуве частиц газом, т. е. чтобы ускоряться, они неизбежно должны двигаться медленнее, отставать от газа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
