Трушляков В.И. и др. Монография (818589), страница 21
Текст из файла (страница 21)
3.13-3.21. На рисунках представлены расчетные линии тока (рнс. 3.17), распределение значениЯ температуры (рис. 3.13, 3.18),массовых долей горючего (рнс. 3.14, 3.19), окислителя (рнс. 3.15, 3.20) н продуктов термического разложения горючего внутри топливного бака на моменты времени й н гз (рис 3.16, 3.21). При впрыске окислителя вокруг форсункн образуется фронт пламени, где пронсходит стехнометрнческое взаимодействие горючего и продуктов его термн- ческого разложения с окнслнтелем, по мере распространения за счет конвекции и диффузия АК происходит выгоранне, термическое разложение парообраэного НДМГ н окисление продуктов разложения.
Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить распределение температур и концентраций в моменты времени 1, и 1з. й < ьь Из рнс. 3.13 н 3.18 внлно, что фронт пламени (нзолннин с максимальной температурой) отдаляется от форсунок впрыска окислителя по мере распространенна паров окислителя (рис. 3.15, 3.20). Одновременно происходит выгоранне паров НДМГ (рнс. 3.14, 3.19). В районе фронта пламени происходит термическое разложение НДМГ (рнс 3.16, 3.21). Фронт горения проЯдет по всему объему, бака расположится над поверхностью испарения НДМГ. Содержание НДМГ н других вредных веществ в сбрасываемых газах является главным показателем качества обезвреживания, поэтому одним нз способов уменьшения концентрации НДМГ в выходе является выполнение условия прохождения гкювых потоков, содержащих пары НДМГ, через фронт горения.
1 а.авяюа О 99.77БНЮ 9 Ю7.ЯЮЯЮ Б 192.ЯБЯЮ Б 17БББЯЮВ Б 22ВБЯ7яю 7 БЬЬ.НБЮБЮ и ЯЮ.277ГБЮ 9 999.'мяюа ьа 997.БББМБ и Бя.7БВБВБ и БНЬ.ЯЮЬБЮ Я ",БЬ.ВБББЮ и 97\.297БОБ 19 ББВ.БЮЮВВ 1Б БББ.БЯЮОВ Ы ЛЮ. БВЯЮ 1Б тЛ.ББББЮ 19 7%.11ЮЮВ Ба а99.ююмв Рис. 3.13. Температурные поля на начало процесса (1 = 0,5 с) 7 Н.ЮБЧБЯ г В.вяяя Ъ О.ЕБЯЮВ Б В.аевве В В.БЯВВВ ь н.7юааю 7 О.гьмвв а В.МЯОЮ '1 Б.ЛОЯЮО м е.меев И Н.:ЛЮБЯ 19 В.м'лвв и а,'наев БВ Е,БЯВЮВ 71 Н.ЬЧББЮ 17 В.ОБМОВ 16 Е.ЫОВВВ 29 Е.БББЮБ гв в.ьмввв Рнс. 3.14. Распределение масс горючего на начало процесса11 = 0,5 с) 111 ювтввв иэвв им. 1 О.ИГййй г в.вэввю 5 8.975ВО3 О 9.13ОВЮ Ь И.1ОМВИ Ь И.1ВВЗЮ 7 й.гэййэйй в е.тонов э в.аювэе эа в.згейев М И.ЗЗЬВЮ вг и,зюеии 35 й ОЭЧОВ и о.юеоео 15 В.ЮЭООВ Ю В.ОЮВЮ 17 И.ЬЬЬВЮ эо И.ЫЮВЮ эч В.3343ВВ ОВ й.ь7ОООО Рис.
3.15. Распределение масс окислителя на начало процесса (1 = 0,5 с) ООСОИЬВ Я344 гв. 1 И.ВИООВ г В.3вюов З И.вэвйв < йэйт33в Э И.Е1Ь33В ь е.еааэв 7 е.вггов И ИЗМ73ЬВ О й.йгйию 1В В.ВЭВгйй и в.взвою и в.вюав 15 В.ОООЭВН 15 В.ВЮТЮЕ И В.ЮВОИ3 ы и.вови 35 йэга:вй Рис. 3.16. Распределение масс продуктов термического раэлозкения на начало процесса (1 = 0,5 с) 112 1 -В.ВВВВВ 2 -6.631929 Э -8.869637 1 6.6152Н 5 В.И!Лвб б 8.655357 7 В.ВЭВ1Н В В.цзмв 9 6.!Вегг 18 В.!65513 Н В.!87715 12 8,2!5765 13 8.298658 Н 6.265929 н в.гнец 15 6.316673 Гг В.ННН Эв в эбггн 19 В.НЫ87 28 8.935359 Рис.
3.17. Поля функций тока на начало процесса (! = 1 с) !гнал!зле ! В.НЯМЮ г 1ь.леын 3 91 169%8 ° 137 . !81686 Ь ЗИЭ678ВЮ С ПВ.МВЮВ 7 ВН.НВВВВ м 319.96!ми 9 Згл.ганги 16 611.361566 11 !ЬСММНН 12 %2 787ЗЮ 13 598.Н1ВВ Н ЬН.!1ЗМВ Н !Н 572688 16 ЫЬ.5!2568 17 731.213цн !6 95 ЭЬХав 19 мг,бмвбв 26 нм! 319ъю Рис. 3.15. Температурное поле на начало процесса (! = 1 с) 113 ЮССВВНВ ООПП ПО. 1 И.ЮЧЬЮЮ 2 И.ИФВЮВ 3 НЛВЬЮЮ Ч ВЛЮЮЮ 5 ЕЛЮИВЕ Ь В.ЬЮЮЮ Ч ИЗПЬЮН И И.2ЬЮЮИ 5 О.атннв ю О.июю М В.ЮЬЮЮ 12 6.3ЮВВВ 13 О,МЬЬН1 М И ВОЮЮ Ю П ВОЮЮ 15 О 536ЮЮ \У 6.3556ЕО 16 Е.ЬЕНЮЮ 33 В.ЬУЬЮЮ Оч И,ЬЧНИИИ Рис.
3.19. Распределение масс горючего на начало процесса (1 = 1 с) 3 О.еаюпо 2 О,ИЮЮ Ч ЧЧУЧНЧЧЮ 1 ВЛЮЕЮ , Н.ЬВЧВН Ь В.ИНЮВВ 1 В 215ВЮ О Е.пюпип 5 О,Ю5ЮЮ чн н.хеню и В.анею 11 Н.ЗВНЮ 15 В.ЮВЮЮ Ю В.ЕЕПЮ ю в.жив ю В.ююпв ю ильина 16 О.ЮЕИВ Ч ~ Н.ЧВВЧЮЧ Ю В.ЬУВЕВО Рис. 3.20. Распределение масс окислителя на начало процесса (3 = 1 с) 114 ! В.аиввв В Ваези з В.вьмв ь а ючвв з в втлее Ь В,ВМЕЕЕ 7 В. НЭВВа в в.ззмю З В,неви и 6.!кем П В.!ПЗВМ М 6.7ачЗМ 77 В.зззюв и в.зззме $6 В.жзвее ы В.гжам М В.КМНМ и В.а!!ам !Ь В.З!'ЬВЕ а! вль7ьве Рис. 3.21. Распределение масс пролуктов термического разложения горючего на начало процесса (! = 1 с) ! -6.ВЮьве г -В.ввыав Ь -В.ММБЗЗ З В.ММНИ Ь В.Вез!72 7 В.!МЬМН в а.мпзю 3 6.666776 7в в.в!нег и в.вгьззз 76 6.67ЬЬЬ7 ЬЗ 6.67М!Нз и в.егмзг 76 в.вгмьь !Б 6.666776 77 В.ВПИЗВ !б В.ВЗНЬЗ Рис 3.22.
Поля функций тока при верхнем расположении горючего 1),ь = 1кг/с) 115 1 В.ЕШВВВ с п.егявм 1 151.тгеви 9 гзглгиве 5 ЗИ.Я31666 ь 567.3жвве г еье.вемне В 555.3аввм 5 1,19.797гне 16 697.ггмвв ц 719.79швв Я В51.719Вев 13 939.593666 и гнгг.гьгеев Ш 1МИ. 1ЮНИ 1Ь 15Ы. 115666 17 1539.56М66 16 1317.евзввв 19 1391.537666 ~и мж.впав Рис. 3.23. Температурные поля при верхнем расположении горючего (3,1 = 1кг/с, Т, = 322) Время выхода процессов тепломассообмена на стационарный режим не превышает 10 с, что соответствует результатам экспериментальных исследований. При разработке схем проведения процесса ставится задача снижения температурного воздействия на стенки рабочего объема.
Теоретически эту проблему можно решить тремя способами: - уменьшением количества впрыскиваемого окислителя, в результате чего снижаются средние температуры в баке, а следовательно, и тепловая нагрузка; - интенсивность теплообмена газового потока со стенкой зависит от ингенсивности движения и температуры газа, значит, теплообмен можно уменьшить, организовав течение внутри бака так, чтобы наиболее горячие и скоростные потоки располагались вдали от стенок, обеспечив режим ламинарного горения; - использование защитных покрытий и конструктивных элементов. Уменьшение количества впрыскиваемого окислителя приводит к снижению средней температуры в баке в связи с уменьшением размеров зоны высоких температур, однако температура около форсунки и в зоне фронта горения уменьшается незначительно. Это объясняется особенностью протекания реакции окисления, когда дюкс при самых малых расходах образуется зона, где происходит 116 а) Т, = 153 'С; ат= 37,6; ак „= 108,3 Рис.
3.24. Изменение температуры и коэффициента теплоотдачи: а) вдоль стенки топливного бака; б) вдоль тоннельного трубопровода 117 близкое к стехиометрин горение при высоких температурах, однако размеры этой зоны и количество высокоэнтальпийных газов будет тем меньше, чем меньше будет впрыск окислителя. За счет уменьшения расхода окислителя можно создать зону горения только на выходе форсунки, но при этом резко уменьшается интенсивность испарения горючего. Поэтому одной из целей исследования является подбор такого расхода окислителя, при котором достигалась бы достаточная скорость обезвреживания горючего при минимальной тепловой нагрузке на бак. Различных картин тока, уровня температурного воздействия можно достичь, изменяя взаимное расположение форсунок впрыска окислителя, жидкого горючего и выходного отверстия, скорость подачи окислителя и угол наклона форсунки, диаметр дренажного отверстия.
Однако проведенные численные исследования показали, что полностью исключить контакт высокоэитвльпийных газовых пото- ков со стенкой нельзя. Примером может служить случай, когда жидкое горючее располагается у одного из днищ (рис. 3.25 н 3.26). При подаче окислителя, осуществляемой через блок форсунок, расположенный в верхней части тоннельного трубопровода, впрыск окислителя образует основное течение, располагающееся над днищем, вдоль обечайкн к выхлопному отверстию. Это течение создает завихрения в центральной части расчетной области и вдоль тоннельного трубопровода Картина функций тока определяет схему прохождения термохимического процесса Фронт пламени располагается над днищем там, где присутствуют пары горючего и продуктов его термического разложения.
Температура пламени в центральной части в два раза превышает расчетную температуру его в экспериментальной установке. Это объясняется тем, что в данном случае происходит непосредственное взаимодействие паров НДМГ и АК, а не паров АК и продуктов термического разложения, как в других расчетных схемах. Непосредственное взаимодействие паров НДМГ и АК происходит из-за близкого расположения форсунок впрыска окислителя и жнлкого горючего. Теплота первой реакции в несколько раз превышает теплоту последней, в результате чего происходит повышение температуры пламени. Высокотемпературные продукты сгорания воздействуют на обечайку бака.
Резкое увеличение температуры стенки и коэффициента теплоотдачи возле форсунки впрыска окислителя объясняется близким расположением поверхности испарения НДМГ. Ситуация значительно усугубляетгл, если внутри бака имеется капельное распределение горючего, в этом случае плошадь испарения горючего многократно возрастает, к тому же она распределена по всему объему, и не возникает си- !18 туапии недостатка горючего в объеме бака как в случае с экспериментальной установкой, когда распространение НДМГ лимитируется процессом испарения. Впрыскиваемый окислитель смешивается с парами горючего, и образующийся поток с максимальной температурой воздействует на незащищенные стенки бака ракеты, что приводит к их быстрому разрушению.
Выходом из данной ситуации может служить закрутка отделяющейся части ракеты. В этом случае за счет действия центробежных сил жидкое горючее из объема бака перемещается на внутреннюю поверхносп обечайки, покрывая ее равномерным слоем, который служит хорошей теплоизоляцией. Проведем подробное численное исследование процесса обезвреживания для данного расположения горючего.
Для начала рассмотрим две расчетные схемы с различным расположением форсунок впрыска окислителя. В одном случае форсунки располагаются на тоннельном трубопроводе у верхнего днища и нацелены на середину противоположной стенки, в другом — вдоль трубопровода (направление впрыска перпендикулярно оси симметрии бака).
Результаты расчетов для различных расходов окислителя для этих схем представлены на рис. 3.25-3.32. Для первого варианта расположения форсунок при прохождении процесса внутри рассматриваемого участка бака образуются два основных вихревых течения (рис. 3.25). Первый вихрь расположен над форсункой впрыска, примыкает к днищу бака н охватывает часть поверхности испарения НДМГ. Благодаря чему горячие газы фронта горения воздействуют на днище (увеличение температуры и коэффициента теплоотдачи в центральной части днища (рис. 3.27) для меньшего расхода). По этой же причине наблюдается повышение температуры вблизи форсунок. При большем расходе окислителя интенсивность движения вихра возрастает, в результате чего иа днище воздействуют продукты испарения и термического разложения НДМГ, фронт горения располагается над днищем, тепловая нагрузка в этом случае повышается и распределена более равномерно (рис.
3.29). Второй вихрь расположен под форсункой впрыска, примыкает к тоннельному трубопроводу и фронту горения. В результате чего горячие газы воздействуют на нижнюю часть трубопровода, вызывая повышение температуры (рис. 3.28, 3.30). 119 1 -Е.ЕПЗЮ г Б.евээгэ з в.енин ь а.азгьэь ь Б.вмзм 7 ВЛ6МИ Н а магна э а.мьзэг 16 6.675116 11 а,евззм а Б.езлеэ и в,низав и в 1ьзиг 15 6. 11а636 1Б Б.зглав 17 6.7ЗЫ61 1В В.ИМВИ 15 а 1нпэг га в.ильм Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
