Трушляков В.И. и др. Монография (818589), страница 26
Текст из файла (страница 26)
При этом надо иметь ввиду, что гидродинамика поведения остатков КРТ очень важна лишь на момент начала проведения процесса обезвреживания, т.к. сам процесс обезвреживания будет в значительной степени определять гидродинамику поведения остатков КРТ, Вместе с тем прогноз процесса поведения компонентов, изложенный для четырех расчетных случаев, показал, что наиболее вероятны случаи «а» и «б» (рис. 4.1). Это дает возможность на первом этапе провести экспериментальные исследования для наиболее напряженного с точки зрения проведениа процесса обезвреживания (вариант «в> рис.
4.1) в условиях действия земной перегрузки, при которых можно определить время взаимодействия, состав газовых выбросов, степень обезвреживания, условия тепломассообмена, температурный режим стенок баков. Провести отработку механизмов ввода окислителя в модельную емкость НДМГ, а также решать ряд других технических вопросов, необходимых для успешного натурного эксперимента. Для выяснения наиболее вероятного расположения остатков КРТ на момент начала процесса обезвреживания была проведена серия экспериментов по исследованию динамики поведения остатков КРТ в баке на моделях в башнях невесомости (стендах свободного падения) в МАИ и в/ч 73790 [25]. 150 в) г) Рис.
4.1. Схема возможного расположения остатков горючего в баке после разаеления ступеней при двюкении ОЧ на участке пассивного полета 151 Как известно, возможности экспериментальных стендов свободного падения ограничены несколькими секундами моделирования гидродииамикн в невесомости, поэтому при проведении гидродинамических исследований удобнее выделить отдельные стадии функционирования отделившейся части прн проведении обезвреживания и моделировать их как самостоятельные процессы, правильно выбирая начальные условия. Гидродинамические процессы в топливном баке для рассматриваемого процесса можно разделить на несколько стадий: - движение остатков горючего под воздействием обратной продольной перегрузки, имеющей место прн разделении ступеней; - поведение остатков горючего после прекращения обратной перегрузки; - поведение остатков горючего в процессе и после закрутки отделившейся части вокруг продольной оси с целью обеспечения гарантированного распределения остатков топлива по внутренней поверхности бака ОЧ; - поведение остатков горючего под воздействием струй жидкости.
В качестве первого моделируемого процесса рассмотрено движение остатков топлива при кратковременном действии отрицательных перегрузок и после их прекращения. В зависимости от продолжительности воздействия этих перегрузок следует ожидать различные условия движения жидких остатков топлива. Определять результат будет импульс действии перегрузок п„ь При малом значении импульса топливо, первоначально расположенное около нижних днищ, будет совершать инерционное движение. В условиях свободного полета, которые наступают после окончания действия перегрузки п„до начала закрутки ОЧ-1, топливо будет двигаться с начальной скоростью к верхним днищам баков. При больших величинах п„з процесс перетекания топлива может окончиться прежде, чем окончится действие перегрузок и„.
Топливо переориентируется к верхним днищам баков и будет совершать остаточные затухающие колебания. Новая свободная поверхность жидкости успеет сформироваться и даже в какой-то степени успокоятся ее колебащш. Что касается части топлива„расположенной в магистралях, можно утверждать, что перетекание его в бак за время действия отрицательной перегрузки, реально действующей, не успеет завершиться.
Следующий процесс, который рассмотрен самостоятельно — это процесс движения жидкости при закрутке баков окислителя и горючего (баки «О» и «Г») вокруг продольной оси. Эта закрутка начинается в режиме свободного полета емко- 152 отей и осуществляется для равномерного расположения горючего по стенкам ба- чим, которые приводят к повышению давления в емкости и поджатию остатков к стенкам, кроме того, возникают конвективные и диффузионные процессы, связанные с тепломассопереносом и истечением продуктов взаимодействия. Эти процессы на стенде свободного падения смоделировать затруднительно и в этом, вероятно,нет необходимости, так как они хорошо моделируются в условиях зем- ного тяготения, поскольку условия невесомости практически не оказываот никакого влияния на зти процессы.
Важны только гидродинамические начальные ус- ловля, создаваемые на момент начала детоксикации. Возможности моделирования отдельных, выделенных выше, стадий гилродинамических процессов определшотся возможностью получения на модельной установке числовых значений общепринятых при моделировании задач пщродииамики критериев подобия (числа Бонда, Вебера и Рейнольдсв, гомохромность) равных натурным; поК Во= о ЧгК '1т'е = р —; с У' УК ~гт Рт= —; Ке= —; Но= —.
пяК ч ! Здесь р, о, ч - соответственно плотность, коэффициент поверхностного натя- жения, кинематическая вязкость жидкости; пя - кажущееся ускорение во время отделения баков для РН; К - радиус бака; Ч - скорость движения жидкости. 153 ков перед впрыском окислителя. В качестве начальных положений жидкости здесь целесообразно выбрать такие, при которых жидкость либо расположена около одного из днищ емкости, либо занимает боковое положение в баке. Так как время свободного падения на стенде невелико (около 2 с), угловые ускорения и скорости вращения емкостей не могут быть малыми. За время г = 2 с необходимо добиться, чтобы равновесная форма свободной поверхности жидкости во вращающемся баке успела сформироваться.
И, наконец, последний процесс, который можно рассматривать как самостоятельный — это процесс впрыска жидких струй в емкость, поведение которых будет различным в зависимости от того, попадает струя на тонкий слой жидкости, расположенный на стенке, или на свободную поверхность больших объемов жидкого наполнения. Причем гидродинамика последнего процесса может рассматриваться только как первое приближение к реальным процессам, так как на этой стадии должно учитываться влияние на пщродинамику химических и тепловых процессов, возникающих при взаимодействии струЯ окислителя с горю- В качестве исходных данньсс для моделирования будем рассматривать параметры РН «Космос» (9). Заменяя переменную продольную перегрузку на участке ее действия средней постоянной (п„= 1,55), получим скорость движения остатков топлива относительно стенки бака в конце действия перегрузки (1„= 1,0 с); Ч „= п„о1„= 15,2 мlс.
С учетом физических свойств компонентов ракетного топлива значения определяющих критериев подобия в натурных условиях для баков РН «Космос» бу- дуг: для бакаО Во=! . 1О „ЪЧе=1,25 1О'1 Рг=!2,4; Ке=!,5.10'; длябакаГ Во=7 1О',%с=8,7 10~; Рг=!2,4; Ке=2,5 10~. Полученные значения критериев свидетельствуют, что во время действия отрицательной перегрузки поведение остатков компонентов топлива будет определяться главным образом инерционными силами. Влияниями поверхностных сил можно пренебрегать. Процесс перетекания жидкости автомоделен по числам Рейнольдса. Таким образом, моделирование процесса можно проводить, выдерживая равенство числа Рг = и)еп.
Для изучения влияния различных факторов на поведение жидкости в емкостях О и Г было выполнено четыре серии экспериментов на экспериментальных модулях, где исследовалось: 1) перетекание жидкости к верхнему днищу под действием отрицательной перегрузки и последующее душирование стенок емкостей при вращении вокруг продольной оси с различными угловыми скоростями; 2) перетекание жидкости к верхнему днищу и вытекание жидкости из трубопроводов, присоединенных к емкостям, под действием отрицательной перегрузки; 3) движение находящейся у верхнего днища жидкости по стенкам емкости при ее вращении вокруг продольной оси; 4) впрыск струй в емкости без жидкого наполнения при различных скоростях вращения вокруг продольной оси. В первую серию входят эксперименты, моделирующие штатные варианты гвщродинамических процессов, которые могут возникнуть при эксплуатации РН.
Эксперименты, выполненные во второй и третьей сериях, позволяют оценить влияние отрицательной перегрузки и вращение емкостей на динамику движения жидкости. 154 Четвертая серия экспериментов позволяет оценить распределение впрыскиваемых жидкостей по поверхности емкости. Обработка опытных данных проводилась для двух различных (выделенных ранее) участков исследуемых гидродинамических процессов: перетекания жидкого наполнения емкостей под действием кратковременной отрицательной перегрузки и впрыска струй жидкости в емкости.
Сначала рассмотрим результаты первой серии экспериментов, в которых моделировалось перетекание остатков жидкого наполнения емкостей. На рис. 4.2, 4.4 приведены фрагменты кинограмм, полученных в опытах с емкостями при различных наполнениях. На всех кинограммах за начальный момент времени 1 = 0,00 с принято начало действия отрицательной перегрузки, совпадающее с моментом сброса капсулы. В подрисуиочиых надписях указано модельное время окончания действия этой перегрузки (Г„,). Во всех опытах после начала действия перегрузки наблюдался интенсивный выплеск жидкости в направлении к верхнему днищу бака. При малых наполнениях жидкость движется по продольной оси бака в виде жгута, а при больших в верхней части этого жгута образуется расходящаяся коронка, края которой достигают стенок бака, н часть жидкости после этого продолжает движение по стенкам.
За модельное время г„= 0,6 - 0,65 с при малых заполнениях практически весь объем жидкости достигает верхнего днища бака и начинает отражаться от него, двигаясь, в основном, по стенкам бака в направлении к нижнему днищу. При больших наполнениях (ж „= 120 — 150 см') процесс перетекания жидкости к верхнему днищу затягивается до г„= 0,8 — 1с и в емкостях, начиная с г„= 0,65 с, наблюдается одновременно два движения жидкости: движение остатков заполнения вверх и движения отраженной от верхнего днища жидкости вниз по стенкам бака. Количество и интенсивность движения отраженной жидкости резко увеличиваются прн наполнениях, превышающих 100 см', и в модели емкости Г носят более интенсивный характер, что возможно объясняется наличием в емкости Г тоннельной трубы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
