ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Неравновесность процесса кристаллизации конденсата в сопле из "Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания том 1" Наряду с процессом слияния частиц может иметь место распад капель под аэродинамическим воздействием, диспергирование их при соударении с высокими скоростями. Ниже рассмотрены элементы процесса сближения, соударения и взаимодействия капель с газовой средой и приводятся оценки, показывающие возможное влияние различных факторов на формирование спектра частиц в сопле и величину двухфазных потерь. Большинство количественных данных приведено применительно к условному двигателю с =100 мм, работающему на топливе с температурой горения Тсо===3200—3500°К, ц= 15—25 кг/моль, г = =0,10—0,40 при Рсо = 4 МН1м . В других случаях условия расчета оговариваются особо. [c.205] Когда значение Ше достигает некоторой критической величины, происходит разрушение капли [75, 80, 109, 110, 151, 152, 259, 265, 291, 489, 708, 751, 752, 777]. Ввиду наличия максимального значения числа Вебера при фиксированных свойствах жидкости и газа должно существовать максимальное число Рейнольдса. Если принять по имеющимся данным значение Шекр=10—20, максимальные числа Рейнольдса для движения частиц в соплах составят величину 150—200. [c.205] Из представленных зависимостей видно, что для частиц диаметром 10—15 мкм движение в сопле происходит при числах Ке, меньших 100, и числа Ше не достигают значений, больших 10—20. Дроблению при выбранных условиях могут быть подвергнуты частицы размером больше 20 мкм. Для двигателей с высокой концентрацией частиц в продуктах сгорания (больше г, высокие рсо) средний размер частиц, растущих из-за коагуляции, согласно расчетам, может достигать значений 50— 100 мкм и более (см. фиг. 19.16). В этом случае дробление капель может явиться процессом, определяющим дисперсность конденсата. [c.205] Ввиду сильной зависимости потерь удельного импульса от диаметра частиц конденсированной фазы необходимо знать условия деформации и дробления их при течении в сопле двигателя. Хотя количество экспериментальных и теоретических работ по деформации и дроблению капель довольно велико, результаты их не могут быть с уверенностью использованы в рассматриваемой задаче ввиду того, что они получены для условий обтекания капель, близких к потенциальному, когда число Ке 500-ь1000, то есть в несколько раз превышает значения, представляющие интерес. Кроме того, большинство исследований выполнено для случая внезапного нагружения капли, в то время как при движении в сопле двигателя скорость обдува частицы возрастает постепенно. [c.205] В результате экспериментального исследования [265] дробления капель вязкой жидкости в потоке газа, имеющего малую плотность и высокую скорость (Нев= 100—700), была определена величина критического числа Вебера. При постепенном увеличении нагрузки на каплю и дальнейшей деформации при постоянном значении Ше критические величины этого числа оказались в диапазоне Ше,ф=15—20. [c.206] Таким образом, в ряде случаев может оказаться, что начальные размеры частиц и характер протекания коагуляции в сопле в широком диапазоне определяющих параметров не сказывается на величине потерь удельного импульса, поскольку дисперсность конденсата в области горловины сопла определяется процессом дробления частиц газовым потоком. [c.206] При расчетах коагуляции необходимо учитывать возможность искривления траекторий мелких капель, движущихся вместе с газом. Из-за искривления траекторий мелких частиц при их сближении с крупными количество соударений уменьшается. [c.206] Коэффициентом захвата fea называется отношение числа капель определенного размера, испытавших соударение с большей каплей, к числу мелких капель, которые испытали бы соударение при прямолинейном относительном движении. [c.206] Исследования облета частицами препятствий для вязкого (Re- 0) и потенциального (Re- o) режимов обтекания крупной капли представлены в работах [285, 451]. При коагуляции в соплах обтекание крупной капли носит промежуточный характер между вязким и потенциальным, и мелкие капли имеют скорость, заметно отличающуюся от скорости газа. [c.206] При этих условиях эффект зацепления мож-0 оценить выражением, полученным для слу-ая прямолинейного движения частиц за эф- )ективное сечение соударений принимается лощадь круга диаметром, равным сумме диа-1етров частиц. Такое сечение использовано в (ыражении для константы коагуляции 19.33). [c.207] На количество соударений частиц влияет также сепарация конденсата при двухмерном течении в сопле. Расчеты двухмерных неравновесных двухфазных течений свидетельствуют о наличии в потоке зон повышенной, по сравнению со средней, концентрации частиц [175, 269]. В частности, отход частиц от стенки в области горловины сопла повышает концентрацию частиц в ядре потока. Вследствие этого должно увеличиваться число соударений частиц по сравнению с рассмотренным в одномерном приближении. [c.207] Наконец, важным является вопрос об исходе процесса встречи капель. В зависимости от скорости соударения частиц можно качественно выделить следующие области. При малых скоростях столкновения капли отталкиваются подобно упругим шарикам и расходятся, не сливаясь. Возрастание скорости да некоторого значения ш (нижней критической, скорости) приводит к слиянию капель. При дальнейшем увеличении скорости соударения происходит устойчивое слияние до тех пор, пока не будет достигнута верхняя критическая скорость ш . При скоростях, близких к т , между каплями образуется перемычка, происходит обмен жидкостью и капли разлетаются. Иногда при этом образуется третья капля. При еще больших скоростях встречи происходит разбиение с образованием более мелких капель, чем исходные. Вопрос о нижней критической скорости изучался рядом исследователей [451], Наиболее интересные результаты получены авторами работы [171], которые выяснили, что явление неслияния при. [c.207] Существующие представления о причинах неслияния жидких капель приводят к заключению об отсутствии этого эффекта в условиях взаимодействия частиц конденсата в сопле, то есть нижнюю критическую скорость ш можно считать равной нулю. [c.208] Более сложной представляется задача определения верхней критической скорости. Отсутствие в литературе каких-либо экспериментальных или теоретических исследований, которые можно было бы использовать для рассматриваемых целей, делает полезным специальное рассмотрение явления соударения, чтобы получить хотя бы оценочные результаты. [c.208] Для соударения, например, частиц окиси алюминия с параметрами 1 = 2-10- м, 2 = = 5-10-6 ж, р = 2,4-10з кг/м о=0,3 Н/м )= 1,5-10-2 кгм -сек получается Г 0,6х ХЮ-, Ке р = 209, то есть аУо = б50 м/сек. [c.209] Рассмотренный способ определения Шо , очевидно, должен давать заниженные результаты хотя бы потому, что движение капли в жидкости заменено движением твердого тела. В то же время здесь не учтено разбрызгивание капель при неэффективных соударениях. Необходимо отметить, что удары в каплю, деформированную аэродинамическими силами, могут привести к разбиению при более низких скоростях встречи. [c.209] Из представленных результатов можно сделать вывод, что для этого примера влияние всех факторов сравнительно мало. В других случаях отдельные факторы могут приобретать решающее значение. Такой пример был рассмотрен выше, где оценена роль дробления капель при большой концентрации конденсата. [c.210] При расчете идеальных термодинамических характеристик предполагается, что процесс расширения в сопле протекает равновесно. Для двухфазных продуктов сгорания это означает, в частности, что конденсат по мере охлаждения в сопле равновесно проходит через фазовые состояния. Например, продукты сгорания топлив с добавками А1 или Ве содержат от 10 до 90 и более процентов конденсированных частиц АЬОз или ВеО, имеющих температуру плавления 2303° К и 2830° К. Температура горения этих топлив, как правило, превышает 3000° К, а температура продуктов сгорания в выходном сечении сопла ниже 2300° К. Поэтому в камере сгорания частицы окислов находятся в жидком состоянии. В ходе расширения температура продуктов сгорания в некотором сечении сопла снижается до температуры плавления, а дальше, как это обычно принимается в термодинамическом расчете, расширение считается изотермическим, пока теплота кристаллизации (теплота плавления) не будет передана газу. На этом участке сопла конденсата постепенно переходит из жидкого состояния в твердое. В каждом сечении доля отвердевшего конденсата соответствует отведенной доле теплоты кристаллизации. [c.210] Для окислов металлов процесс кристаллиза ции не исследовался и постоянные в это уравнении неизвестны. [c.210] Вернуться к основной статье