Стационарные и динамические характеристики смесеобразования газожидкостных форсунок ЖРД

• Автор: Орлов, Владимир Аркадьевич
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Сергиев Посад
• Количество страниц: 147 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Обозначения
ВВЕДЕНИЕ
1 .ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
ВЫВОДЫ
2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАСПЫЛА ИЗ ЛИНЕЙНОЙ ТЕОРИИ
2.1.Линейная модель распыла струи жидкости
2.1.1 .Вывод дисперсионного уравнения
2.1.2.0пределение средней длины и скорости роста поверхностных воли
2.1.3.Расчет основных параметров распыла
2.2,Опрсделение констант распыла при помощи форсунки внутреннего смешения
2.2.1.Дисперсия распределения размеров капель
2.2.2.Взаимодействие жидкости и газа на начальном участке в канале газожидкостной форсунки внутреннего смешения
2.2.3.Распыливание жидкости потоком газа в канале газожидкостной форсунки внутреннего смешения
2.2.4.Сравнение с экспериментом
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
3.ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАЦИОНАРНЫХ И ДИНАМИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ ДЛЯ КОАКСИАЛЬНЫХ ФОРСУНОК ЖРД
ЗЛ.Постановка задачи
3.2.Принципы моделирования гидродинамических процессов
3.3.Стационарная математическая модель процесса пневматического распыливания
жидкого компонента топлива в коаксиальной Форсунке
3.4. Нестационарная математическая модель процесса образования и распространения пульсаций расхода капель в факеле распыла коаксиальной Форсунки
3.4.1 .Возникновение пульсаций расхода капель в факеле распыла за счет пульсаций давления газа
на входе в форсунку
3.4.2.Возникновение пульсаций расхода капель в факеле распыла за счет пульсаций давления жидкости на входе в форсунку
3.4.3.Изменение амплитуды пульсаций расхода капель в факеле распыла форсунки за счет эффекта
жгутования
3.4.4.3атухание пульсаций расхода капель по длине факела распыла за счет различия скоростей капель в поперечном сечении факела
3.5. Расчет параметров моделирования динамических характеристик форсунок
газогенератора ЖРД
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
4. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОЙ ФАЗЫ В ФАКЕЛЕ РАСПЫЛА ФОРСУНКИ
4.1.Метол малоуглового рассеяния
4.2.Времяпролетный метод для измерения скорости капель
4.3.Метод интегрального поглощения для определения профиля концентрации капель
4.4.Метод интегрального поглощения для определения пульсаций расхода капель
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
5.РЕЗУЛБТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАСПЫЛА ФОРСУНОК ЖРД
5.1 .Метод и ка проведения экспериментальных исследований характеристик распыла форсунок ЖРД
5.1.1 .Стационарные характеристики факела распыла форсунки
5.1.2.Динамические характеристики факела распыла форсунки
5.1.3.Экспериментальная установка для проливки форсунок
5.2. Результаты исследования стационарных характеристик распыла Форсунок ЖРД
5.3.Рсзультаты исследования спонтанных пульсации в факеле распыла форсунок ЖРД
5.4. Результаты исследования динамических характеристик факела распыла Форсунок ЖРД .
5.4.1 .Модельные коаксиальные форсунки
5.4.2.Форсунки газогенератора ЖРД
5.4.3.Форсунки камеры сгорания ЖРД
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

Обозначения
А - константа, а - параметр,
В - константа,
Ь - параметр,
С - константа, коэффициент сопротивления, с - концентрация,
Б - оператор Стокса, диаметр капель, с! - диаметр канала форсунки,
Е - энергия,
Б - фокусное расстояние, импульс,
£ - функция нескольких параметров, в - параметр,
g - функция нескольких параметров,
Б - амплитуда волны,
Н - шаг сетки,
I - интенсивность света,
К - соотношения компонентов, функция Бесселя,
К - коэффициент интегрального поглощения,
к - волновое число, коэффициента поглощения,
Ь расстояние,
М, ш - массовый расход,
М - число Маха,
N - функция распределения,
Р - давление,
г - радиус, радиальная координата, заглубление,
Я - газовая постоянная, радиус,
Яе - критерий Рейнольдса,
0 - параметр,
Б - площадь, параметр,
ББ - критерий Струхаля,
Т - температура, почернения фотоэмульсии,
1 - время,
и,и - скорость, напряжение,
У, - скорость,
W - скорость, функция распределения
№е - критерий Вебера, х - координата,
У - функция Бесселя, у - координата,
Ъ - площадь, параметр, а - угол., параметр,
(3 - угол , параметр,
5 - величина проходного сечения,
6 - ошибка,
А. - длина. Волн, р - плотность, и - частота колебаний,
V - вязкость, р - вязкость,
о - поверхностное натяжение, дисперсия,
ф - потенциал скорости, фаза,
|/ - функция тока, корреляционная функция,
'Я - параметр формы,
X - коэффициент поглощения, параметр, 4 - концентрационный комплекс,
X - параметр, т - время, со - частота,
П - нормировочная функция, передаточная функции,
Ф - параметр,
Индексы:
Б-газ,
/ - жидкость, р - капли, сЬ - камера,
/ - индекс ячейки в направлении х,
] - индекс ячейки в направлении у,
32 -обозначение Заутеровского среднего диаметра.

ВВЕДЕНИЕ
При работе камеры сгорания и газогенератора ЖРД всегда существуют пульсации давления. Это или широкополосный шум с амплитудой порядка нескольких процентов, или регулярные колебания, вызванные неустойчивостью горения или колебаниями давления в системе подачи с амплитудой 20+30% от давления в камере.
Основньм источником шума являются пульсации скорости тепловыделения, вызванные пульсациями расхода компонентов, нестационарностью процесса смесеобразования. Причина неустойчивости горения - взаимодействие между процессами горения и процессами распыла, смешения, испарения и горения, течения в системе подачи компонентов.
Форсунка является ключевым элементом двигателя, она влияет на все происходящие в нем процессы. Она ответственна за стационарные характеристики происходящего в ней процесса распыла и динамические характеристики, связывающие изменения в процессе распыла с вызывающими их внешними возмущениями, наложенными на форсунку. Она является как раз тем самым элементом двигателя, с помощью которого можно подавить неустойчивость и уменьшить уровень шума в камере сгорания.
Изменив конструкцию форсунки, можно уменьшить передаточную функцию, связывающую пульсации расхода, среднего диаметра, концентрации и скорости капель с вызывающими их пульсациями давления в камере, уменьшить амплитуду спонтанных пульсаций этих характеристик распыла на выходе из форсунки, переместить зону горения. Это позволит изменить фазовые соотношения между пульсациями давления и пульсациями поступления в камеру продуктов сгорания, а также уменьшить “чувствительность” камеры сгорания к колебаниям давления в системе подачи.
Динамические характеристики форсунок - это понятие обобщающее, включающее в себя амплитудночастотные, фазочастотные характеристики, коэффициенты передачи, передаточные функции. Они связывают изменения в процессе распыла с вызывающими их внешними возмущениями, наложенными на форсунку. Они актуальны, так как форсунки работают в условиях изменяющихся параметров в системе питания и камере сгорания. Это - запуск, останов двигателя, переход с режима на режим. Это - работа форсунки на колебательных режимах из-за существования пульсаций в магистралях подачи из-за мерцания лопаток насоса.
Наибольший интерес представляют динамические характеристики широко используемых в современных ЖРД газожидкостных коаксиальных форсунок. Особенности динамики газожидкостной форсунки связаны с тем, что здесь уже речь идет о динамических характеристиках самого процесса распыла. Если стационарные характеристики распыла газожидкостной форсунки в модельных условиях исследованы достаточно подробно, то нестационарные характеристики практически не исследованы. Совершенно не исследован вопрос взаимодействия нестационарных потоков газообразного и жидкого компонента топлива в газожидкостных форсунках (в частности в коаксиальных), не исследованы динамические характеристики форсунок, связывающие колебания расхода жидкости в различных зонах факела распыла с колебаниями давления в подводящих магистралях. Спонтанные пульсации характеристик распыла (средний диаметр, скорость, концентрация капель) также практически не изучены, однако, именно они приводят к пульсациям тепло и газовыделения и, следовательно, к пульсациям давления в камере сгорания и газогенераторе.
Создание двигателя - длительный процесс, во время которого приходится отрабатывать различные варианты форсунок и головки в целом для получения оптимальных характеристик распыла и смешения. Большая часть работы по отработке форсунок проводится не в натурных, а в модельных условиях (без горения) в основном из-за сложности и высокой цены натурных.

Экстраполируем комплексы, входящие в уравнения для определения среднего диаметра и скорости распыла в вязком случае, зависящие только от параметра а в области его наиболее вероятных значений более простыми зависимостями и проинтегрируем.
Тогда имеем для вязкого случая
Следует предположить, что присутствие вязкости не окажет существенного влияния на дисперсию распределения с.
В уравнениях (2.60)э-(2.62), описывающих зависимости характеристик смесеобразования от скоростного напора газа, неизвестными являются нормировочные константы С,,С2 и параметр а, характеризующий отношение максимального и минимального диаметров капель в распределении размеров. Параметр а связан с распределением размеров и, следовательно, может быть определен через дисперсию а.
2.2.Определение констант распыла при помощи форсунки внутреннего смешения
С целью получения экспериментальной зависимости среднего диаметра капель от параметров газа на границе раздела газ-жидкость воспользуемся данными по распылу жидкости потоком газа в закрытом длинном канале, например в модельной газожидкостной форсунке внутреннего смещения. (Рис.2.2.) Эта форсунка впервые исследована Р.У.МиШгщег и И.А.СТ^ег [77]. В СССР такая форсунка носила название форсунки с эмульсированием и исследовалась в связи с разработкой двигателей с глубоким регулированием тяги [78].
Условия взаимодействия газа и жидкости в такой форсунке имеют следующие особенности. Во-первых, на участке распыла форсунки течение потоков газа и жидкости почти параллельное. Во-вторых, взаимодействие газа и жидкости происходит в канале, поперечный размер которого значительно меньше протяженности зоны распыла. Значение скорости газа вблизи поверхности жидкости примерно равно средней скорости газа в канале. В третьих, средняя по сечению величина скоростного напора остается примерно постоянной по длине зоны распыла. Это связано с уменьшением статического давления газа и увеличением проходного сечения для газа за счет уноса жидкости в поток. Таким образом, характер течения в форсунке можно считать одномерным с постоянным значением скоростного напора газа.

(2.61)
(2.60)
а = 0.2aos
(2.62)
St: L 1(1 Ши (Tit-
Рис.2.2. Схема газожидкостной форсунки внутреннего смешения.