Научная статья на тему 'Модель оценки влияния испарения диспергированной жидкости на теплофизические параметры продуктов сгорания ракетной камеры'

Модель оценки влияния испарения диспергированной жидкости на теплофизические параметры продуктов сгорания ракетной камеры Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
108
48
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МОДЕЛЬ / ДИСПЕРГИРОВАНИЕ / РАКЕТНАЯ КАМЕРА / СОПЛО / ПОЖАРОТУШЕНИЕ / MODEL / DISPERGATING / ROCKET CHAMBER / NOZZLE / POZHAROTUSHENIE

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Епищенко С. В., Первышин А. Н.

Предложена модель расчёта количества испарившейся части балласта жидкости, подводимого в камеру сгорания и влияние испарившейся части на теплофизические параметры продуктов сгорания.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Епищенко С. В., Первышин А. Н.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MODEL OF ESTIMATION OF INFLUENCE OF EVAPORATION OF THE DISPERGATED LIQUID ON THERMOPHYSICAL PARAMETERS OF PRODUCTS OF COMBUSTION OF ROCKET CHAMBER

The model of calculation of amount of evaporating part of ballast of liquid is offered, combustion tricked into in a chamber and influence of evaporating part on the thermophysical parameters of products of combustion.

Текст научной работы на тему «Модель оценки влияния испарения диспергированной жидкости на теплофизические параметры продуктов сгорания ракетной камеры»

УДК 629.76

МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ИСПАРЕНИЯ ДИСПЕРГИРОВАННОЙ ЖИДКОСТИ НА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ РАКЕТНОЙ КАМЕРЫ

© 2009 С.В. Епищенко, А.Н. Первышин

Самарский государственный аэрокосмический университет

Поступила в редакцию 18.02.2009

Предложена модель расчёта количества испарившейся части балласта жидкости, подводимого в камеру сгорания и влияние испарившейся части на теплофизические параметры продуктов сгорания. Ключевые слова: модель, диспергирование, ракетная камера, сопло, пожаротушение.

Применение мелкодисперсного аэрозоля, состоящего из капель воды диаметром менее 100 микрон и инертных продуктов сгорания весьма эффективно для тушения пожаров в замкнутых объёмах. Образующийся аэрозоль охлаждает горящие поверхности с одновременным вытеснением кислорода из зоны горения. Эффективность тушения в значительной степени зависит от дисперсности распыла. Тушение пламени бензина в опытах достигалось при диаметре капель, не превышающем 100 микрон. В то же время для тушения горючих жидкостей с высокой температурой кипения, может успешно применяться вода и с большим диаметром капель [1].

Высокая концентрация энергии в струе ракетной камеры может использоваться при тушении пожаров. Предложена возможность получения огнетушащего аэрозоля путём организации распыливания жидкости инертными продуктами сгорания.

Сущность получения мелкодисперсного аэрозоля состоит в следующем: при истечении жидкости из капилляра в сопло, происходит её дробление ускоряющимся потоком продуктов сгорания. При этом на выходе из сопла ракетной камеры, формируется структура пожароту-шащей струи, состоящая из продуктов сгорания, пара и диспергированной жидкости [2].

Для оценки возможности регулировки дисперсности распыла необходимо определить интенсивность испарения балласта и влияние испарившейся части на температуру струи, в зависимости от места ввода жидкости.

Рассмотрим движение сферических частиц жидкости, движущийся со скоростью со{ в потоке продуктов сгорания, скорость которого (Оа . В сечении "0" происходит диспергирование жид-

Епищенко Сергей Владимирович, аспирант. Тел. (846) 267-45-73

Первышин Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой. Тел. (846) 267-45-73

кости, а на сужающемся участке сопла (0-1) разгон образовавшихся капель до скорости а>йр. В сечении "0" известны параметры частиц: диаметр ё0, плотность веществар10, расход жидкости тж , также известны все термодинамические параметры потока продуктов сгорания: вязкость Па , давление рк, температура Та, плотность ра0, расход та (рис.1).

При формировании модели были использованы следующие допущения:

1. Диспергирование жидкости происходит сразу за срезом капилляра, причём поток капель жидкости считаем монодисперсным а капли сферическими.

2. В минимальном сечении сопла газообразная часть рабочего тела всегда достигает скорости звука.

3. Скорость движения диспергированной фазы в минимальном сечении сопла определяется её взаимодействием на участке (0-1) (рис.1).

4. При расчёте времени прохождения каплей участка (0-1) (рис.1) и определении скорости капли в минимальном сечении сопла испарение жидкости не учитывается.

5. При диспергировании температура жидко-

Рис. 1. Движение капли на дозвуковом участке 0-1

сти не меняется, теплообмен происходит только с поверхностным слоем капли, без изменения температуры неиспарившейся части капли.

На рис. 1 приняты следующие обозначения: 1 - капилляр; 2 - жидкость; 3 - сопло; баех -скорость продуктов сгорания, в месте выхода жидкости из капилляра; бж - скорость жидкости на выходе из капилляра; бакр - скорость продуктов сгорания в минимальном сечении сопла; б,кр - скорость капель жидкости в минимальном сечении сопла; Д х - расстояние от сечения 0 до сечения 1; ДQa - энергия, подводимая к единичной капле.

Модель расчёта временных и скоростных параметров движения капель жидкости предложена в статье [3], в ней получено аналитическое решение уравнения движения капель, основанное на воздействии на капли доминирующей аэродинамической силы и достижении в минимальном сечении сопла газовой частью потока скорости звука.

Так, скорость, которую приобретет капля жидкости, пройдя путь от места ввода (сечение 0), до минимального сечения (сечение 1), определяется уравнением:

б = 2-

(1)

где Р = И к б ^

(0а =

баех + бакр 2

средняя скорость про-

дуктов сгорания на участке (0-1);

к - коэффициент расширения продуктов сгорания на участке(0-1);

А = 6 . 6 = з ггп!;5-ра

й1

4

р

; ¥г = 13

а время Дт, в течение которого капля жидкости переместится из сечения "0" в сечение "1" (рис. 1), уравнением:

Дт =■

'•(к — ^ба — бкр )

Ак- ^

0-0

(2)

Формулы (1) и (2) используем при расчёте влияния испарившейся части жидкости на теп-лофизические параметры продуктов сгорания. Проанализируем теплообмен движущейся капли на участке движения (0-1). К капле за время Д т от окружающего высокотемпературного газа подводится энергия ДQa(0-1).

Ом)=а Рг 0 -(Та- Т (Рк ))• ДТ , (3)

где а* - коэффициент теплопередачи, Вт/м2 К;

= п • й20 - площадь поверхности капли в 0-м сечении, м2;

- диаметр капли жидкости в 0-м сечении, м;

Та= ф2р - Тк - температура продуктов сгорания в камере, К;

Тк - теоретическая температура продуктов сгорания в камере, К;

(Рр - полнота расходного комплекса;

Т (рк ) - температура насыщения воды в зависимости от давления, К;

Д т - время прохождения капли от места ввода через капилляр до минимального сечения сопла, с.

Для определения коэффициента теплопередачи, от продуктов сгорания к капле жидкости, можно использовать зависимость Ренца-Марша-ла [4], которая для водяного пара, с учётом небольшой нестационарности, принимает вид:

Ыи = 2 + 0,56-л/яё . (4)

р • й • (б — б )

где Яе = ——г0 у а-— - число Рейнольдса;

Па

Па - вязкость продуктов сгорания, Пас;

_ Дх

б =

Дт - средняя скорость диспергированной жидкости на участке (0-1), м/с;

а •й,,

Ыи

д -число Нуссельта;

Ясм -коэффициент теплопроводности среды, Вт/м 1С.

Энергия ДQa(0—1) идёт на нагрев и испарение только поверхностного слоя массой Дт, каждой капли:

Дт =

Ша(0—1) В

(5)

_ В, = С-(Т(Рк)—Т0)+г(Рк), (6)

где: с, - средняя изобарная теплоёмкость жидкости, Дж/кгК;

Т - начальная температура жидкости, К; г (рк ) - удельная теплота испарения, Дж/кг. Тогда масса каждой капли в минимальном сечении сопла составит:

т-1 = т 0— Дт

(7)

где т,0 = р0 • ¥т - масса капли жидкости после ввода через капилляр, кг;

Р0 - плотность жидкости, кг/м3;

V.0 - объём капли, м3,

а диаметр капли в минимальном сечении сопла, сечение 1:

¿1 = 3

6- тп

п Рп

(8)

Причём на участке (0-1) одновременно находятся капли общей массой М:

М = Шж -Агг. (9)

Тогда количество капель N на этом участке составит:

N =

м.

т.,

(10)

Таким образом, можно определить массу испарившейся жидкости, на участке (0-1):

АМ. = N ■Ат1. (11)

и её относительное количество:

АМ.

м7. (12)

АМ =

Рассмотрим влияние испарившейся части балласта на теплофизические параметры продуктов сгорания. Определим коэффициент балластирования, как отношение массового расхода испарившейся жидкости к сумме массового расхода топлива и балласта:

т

Ч =

т + т

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

а исп

(13)

где: та - массовый расход топлива, кг/с; АМ

т =

исп

Ат

массовый расход испарившей-

ся части балласта, кг/с.

Используя уравнение сохранения энергии, определим температуру торможения смеси продуктов сгорания и испарившейся части в камере:

1 - ч

■Сра-Та + Срп' Т3 (Рк )-Г{р1 )-С1-{Т! {рк )-Твх )

",(14)

М к =■

1

(

Ч

1 1 - Ч

— +-

М Ч

1 Ма

(15)

где М , Ма- молярная масса жидкости и продуктов сгорания, кг/кмоль;

Расчёт испарения капли состоит из ряда итераций (|). Где рассматривается движение капли жидкости от выхода из капилляра до критического сечения сопла. Скорость движения продуктов сгорания на участке (0-1), в первой итерации определяется как среднее значение скорости в сечениях 0 и 1. В первой итерации не учитывается влияние испарившейся части жидкости на скорость и температуру в камере. Учёт этого влияния производится в последующих итерациях. Необходимо отметить, что значение температуры в камере сгорания Та остаётся неизменным. Во всех итерациях, производится последовательное изменение термодинамических параметров продуктов сгорания: скорости аакШ :

2к ЯМ

аакр, ^ к +1 М,

г* к ,

(16)

где: Им - универсальная газовая постоянная, Дж/ кмольК;

молярной массы /л, (15), температуры торможения Т* (14), давления в камере сгоранияр :

рк рк-1 -'

плотности ра

1 - Ч, -1 1 - Ч, Ц

Т* к Мк, -1

Т* к - ■л,

р = рк] / а Я -Т* .

(17)

(18)

где: Сра, Срп - средняя изобарная теплоёмкость прод-уктов сгорания и насыщенного пара, Дж/кгК;

С. - средняя теплоёмкость жидкости, Дж/кгК;

Тх - температура жидкости на выходе из капилляра, К.

Наличие балласта в камере сгорания приводит к изменению работоспособности рабочего тела за счёт изменения, как его температуры, так и состава. Молярную массу рабочего тела /к, после испарения жидкости можно определить как:

м к

Для определения акр и Агг-. значения (16) и (18) подставляем в уравнения (1) и (2). Дальнейший расчёт ведётся по выше описанной методике.

В каждой итерации оценивается изменение Т*. Расчёт завершается на j - итерации при относительном изменении температуры:

Т - Т 8 * =Л-< 0,01

Т

(19)

к-1

Таким образом, предложенная модель позволяет определить количество испарившегося балласта, а также влияние испарившейся части жидкости на работоспособность рабочего тела камеры сгорания, а значит и огнетушащую способность аэрозоля.

исп

Ч

к

Ч

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Выбор оптимальных параметров распылённой воды для тушения горючих водонерастворимых жидкостей / А.М. Борович // Сборник научных трудов Пожаротушение на объектах нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: ВНИИПО МВД СССР. 1991, С. 58-63.

2. Епищенко С.В., Первышин А.Н. Метод оценки диспергирования в генераторе мелкодисперсного аэрозоля

// Известия Самарского научного центра РАН. 2008. Специальный выпуск. С. 76-79.

3. Епищенко С.В., Первышин А.Н. Модель движения монодисперсного газожидкостного потока в трансзвуковой части ракетной камеры // Вестник СГАУ. 2008. С. 121-125.

4. Буланова Е.А., Первышин А.Н. Труды четвертой Российской национальной конференции по теплообмену // Исследование движения дисперсной среды в недорасширенной струе продуктов сгорания - М.: Издательский дом МЭИ. 2006, Т. 6, С. 4.

MODEL OF ESTIMATION OF INFLUENCE OF EVAPORATION OF THE DISPERGATED LIQUID ON THERMOPHYSICAL PARAMETERS OF PRODUCTS OF COMBUSTION OF ROCKET CHAMBER

© 2009 S.V. Epishchenko, A.N. Pervishin

Samara State Aerospace University

The model of calculation of amount of evaporating part of ballast of liquid is offered, combustion tricked into in a chamber and influence of evaporating part on the thermophysical parameters of products of combustion.

Key words: model, dispergating, rocket chamber, nozzle, pozharotushenie.

Sergey Epishchenko, Graduate Student. Tel. (846) 267-45-75. Alexander Pervishin, Doctor of Technics, Professor, Head of the Department. Tel. (846) 267-45-75.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.