С Авиабазы - 6
Ещё два поста
_________
Pokrovsky~stanislav> В этой области потоков возникает такое мерзкое явление как кризис теплоотдачи. Скажем, переход к пленочному кипению на стенках - и резкому снижению теплопередачи от стенок в тепловой поток. Если этого не знать из эксперимента, то теоретик, прикидывающий потоки для гипотетической Ф-1 аппроксимирует кривую зависимости числа Нуссельта(пропорционального коэф. теплоотдачи) от числа Рейнольдса на чуть более быстрый поток - и думает, что все в порядке. А в реальности такого режима теплоотдачи может просто не существовать.
Температурные градиенты в КС (типовой пример):
Температура в КС - 3000°К
Температура на внутренней стенке со стороны КС - 700°К
Температура на внутренней стенке со стороны жидкости(снаружи) - 530°К
Температура в жидкости (средняя) - 420°К
Температура на внешней стенке снаружи - 340°К
(при температуре окр.среды - 294°К)
Итак, разберем, что такое пленочное кипение. Если температура стенки существенно больше температуры кипения жидкости, то непосредственно на стенке возможно вскипание частиц жидкости.
При достаточно большой скорости течения жидкости и сравнительно небольшом превышении температуры стенки над температурой кипения образующиеся паровые пузырьки сносятся потоком и, попадая в толщу жидкости, снова конденсируются, поскольку средняя температура жидкости ниже температуры кипения.
При такой картине, когда образующиеся пузырьки пара тут же исчезают и жидкость остается однофазной, охлаждение не нарушается.
Больше того, такое местное вскипание интенсифицирует теплообмен.
Если температура стенки значительно превышает температуру кипения жидкости, то кипение на стенке протекает более интенсивно и образовавшиеся пузырьки пара на поверхности сливаются и образуют паровую пленку: поток становится двухфазным, режим охлаждения - пленочным.
Вначале паровая пленка неустойчива, она постоянно сносится потоком в виде больших пузырей, а не ее месте возникает новая.
Затем устойчивость пленки повышается. С момента появления на поверхности паровой пленки контакт жидкости со стенкой нарушается, и поскольку теплоотдача в пар значительно меньше, чем в жидкость, то в местах пленочного охлаждения эффективность теплосъема резко уменьшается, возрастает температура стенки, которая может превысить допустимую.
Но! Если давление в охлаждающем тракте меньше критического давления данной жидкости, то допустимая температура жидкостей ограничивается температурой кипения.
Если же давление в тракте превышает критическое давление, то температуры кипения как таковой нет и при любой температуре нагрева поток будет однофазный.
Отсюда при перегреве жидкости выше критической температуры никакого кипения не будет, и скачкообразного ухудшения теплосъема тоже не будет. Критическое давление для керосина всего 2 МПа.
В тракте охлаждения F-1 давление не ниже 8 МПа. Критическая температура для керосина - 678°К.
Таким образом, В РЕАЛЬНОСТИ, никакого пленочного охлаждения в керосиновом тракте не будет.
Кстати, такого режима, при котором охладитель может закипеть, В РЕАЛЬНОСТИ обычно старались избегать.
Каким образом? Если в каком-либо месте на стенке условия теплосъема не выполняются, то в этом месте снижают тепловой поток.
Наиболее просто и эффективно это достигается созданием возле стенки слоя газа с пониженной температурой - это называется внутреннее охлаждение КС.
Внутреннее охлаждение организуется соотвествующим расположением и подбором расходных характеристик форсунок на периферии головки КС (в пристеночном слое создается избыток, как правило, горючего).
После выгорания топлива образуются ПС с более низкой температурой, чем в основном потоке.
Ввиду сравнительно слабого поперечного перемешивания ПС при их движении вдоль КС пристеночный слой, созданный головкой, достаточно устойчив и может сохраняться на значительном протяжении.
И еще. У Станислава, как всегда, все наоборот. При увеличении скорости охладителя возникнет кризис теплоотдачи?
Nu=alfaж*d/lambda;
alfaж - коэффициент теплоотдачи, d-размер, lambda - коэффициент теплопроводности
Re=m`*d/(F*mu);
m` - расход охладителя, d - размер канала, F - площадь канала, mu - вязкость
Pr=mu*Cp/lambda;
Cp - теплоемкость
Nu=F(Re,Pr); (причем главным здесь будет Re, а не Pr : Re^(0,8) Pr^(0,4))
скорость движения охлаждающей жидкости влияет на величину alfaж, причем с увеличением этой скорости alfaж тоже увеличивается.
Для керосина (к примеру): при скорости 1 м/с теплосъем - 2,4 МВт/м2, а при скорости 8,5 м/с теплосъем - 6,4 МВт/м2.
Что может помешать теплосьему?
1. поменяется направление теплового потока? Тогда, конечно Pr изменится. Но только почему должно измениться это направление?
2. При течении жидкости по изогнутому каналу из-за влияния инерционных сил возникает в поперечном сечении канала т.наз. вторичная циркуляция, ИНТЕНСИФИЦИРУЮЩАЯ теплообмен
3. При течении потока в канале с шероховатыми стенками в екоторых случаях теплообмен ИНТЕНСИФИЦИРУЕТСЯ из-за турбулизирующего влияния бугорков шероховатости.
4. Изменение вязкости жидкости от температуры. У керосина от 20°С до 200°С вязкость падает примерно в два раза.
Pokrovsky~stanislav> Но я, называется, пока не берусь этот момент анализировать
Правильно. Не стоит.
Отредактировано Nikomo (Вчера 22:52:47)
Сообщить модератору | Цитировать
Nikomo, Вчера 22:46:28 #1619
Nikomo
Новичок
Зарегистрирован: 2007-08-04
Сообщений: 34
Репутация участника
Блог участника
Темы с его участием
Все сообщения участника
Форум С.Кара-Мурзы : Статья
>>> Так для двигателя, который взят для примера, удельный тепловой поток на участке КС - 3-4 Вт/м2, а на участке критического сечения - 6-7 Вт/м2.
>> Снова странно - всего-то 4 Ватта на целый квадратный метр??!! Так мало??!!
> Опечатка?
Действительно, неправильно написал, поторопился...
не Ватт, а МЕГАВАТТ (то есть, миллион, 106)
> Я не знаю, что Никомо называет КПД двигателя, может, какой-то особый параметр так называется.
> Вот, наверное, этот параметр и назван "кпд" - отношение энергии вылетающих газов к выделившейся энергии.
это почти что так. Только словом "кпд" называю его не я, а Добровольский М.В. (Синярев Г.Б.,Добровольский М.В."ЖРД. Теория и проектирование")
Имеется в виду кпд СГОРАНИЯ, то есть степень полноты преобразования энергии топлива в тепловую энергию. Неполнота эта определяется двумя причинами: физическая неполнота сгорания и-за плохого перемешивания и неравномерного распределения компонентов топлива по КС, а также вследствие недостатка времени для полного завершения процесса сгорания; другая причина - диссоциация продуктов сгорания. Затрата тепла на диссоциацию может доходить до 30% от теплотворной способности.
Но есть и еще кпд - расширения. Он представляет собой степень превращения тепловой энергии, выделяющейся в камере сгорания в располагаемую работу расширения.
Первой причиной, вызывающей потери в процессе расширения, является то, что вследствие конечных размеров выходного сечения сопла нельзя расширить продукты сгорания до давления, равного нулю, а, следовательно, и до температуры, равной нулю.
Второй вид потерь в процессе расширения - это потери трения, теплопередачи и пр.
(причем такие кпд - это не коэффициенты потерь, коэффициенты потерь равны корню из этих кпд)
Pokrovsky~stanislav> А через 6 секунд движок уже греет обращенную к пламени поверхность - по полной программе.
А через 5-6 секунд в камере уже установившийся режим, и номинальная тяга ОК, а охлаждение работает на полную.
Итак, как происходил запуск на F-1:
После предварительного ЗАХОЛАЖИВАНИЯ и заливки насосов компонентами топлива открываются в определенной последовательности пусковые клапаны. Компоненты под действием гидростатического напора и давления наддува поступают в первую очередь в ЖГГ. Зажигание компонентов в ЖГГ производится пиротехническим способом. Такое же пиротехническое зажигание устроено в сопловом насадке, в котором поджигается отработанный на турбине генераторный газ с кислородом, поступающим в камеру раньше горючего. Образовавшися генераторный газ раскручивает турбину, поднимая давление подачи обоих компонентов топлива По достижении определенного его значения происходит открытие главных пусковых клапанов подачи компонентов в камеру. Зажигание в камере - химическое. Для этого устроен блок подачи пускового горючего, самовоспламеняющегося с кислородом. В качестве пускового горючего применялась смечь триэтилбора с триэтилалюминием, которая находилась в спецгильзе. При включении главного клапана горючего срабатывает управляющий клапан пускового блока. Под действием давления горючего гильза с пусковой смесью разрушается, и в форсунки сначала поступает эта смесь, которая сразу воспламеняется с кислородом, поступившем в камеру несколько раньше горючего. После поступления на форсунки основного горючего -керосина, последний воспламеняется от пусковых продуктов сгорания, а пусковой блок отключается.
