ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Неравновесность процесса конденсации в сопле из "Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания том 1" Если давление паров вещества в камере сгорания составляет заметную долю рсо и близко к давлению насыщенного пара этого вещества, то при течении в сопле содержание конденсированной фазы в продуктах сгорания будет значительно изменяться. [c.213] При рассмотрении уравнения движения при различных скоростях газа и частиц необходимо учесть влияние конденсации на взаимодействие фаз. Так, при конденсации пара на частицах присоединившаяся масса имеет скорость газа, большую, чем скорость частиц, н это должно увеличивать скорость конденсата. При испарении к газу подводится масса, имеющая скорость, меньшую скорости газа, что также должно учитываться в уравнении движения. Правда, в работе [900] указано, что отмеченные выше эффекты не должны фигурм-ровать в уравнениях. Такой вывод сделан на основании равенства скорости частицы и газа в пограничном слое на поверхности капли, откуда молекулы попадают на каплю при конденсации. Испаряющиеся молекулы поступают в газовую фазу с внешней части пограничного слоя, где скорость равна скорости газа. [c.214] Этот подход может быть принят, если известны данные об изменении коэффициента сопротивления из-за продувания через пограничный слой на обтекаемой капле конденсирующихся или испаряющихся молекул. Ввиду отсутствия надежных данных для учета этого явления [625, 871, 977, 9791 в настоящее время представляется более оправданным использование рассмотренных ранее в 3 зависимостей для Сх при учете обмена массой введением соответствующих членов в уравнения частиц и газа. [c.214] Знак 2 означает суммирование только по испаряющимся фракциям. [c.214] В процессе появления новых частиц (ядер конденсации) и их дальнейшего роста взаимодействие их с газом происходит сначала в свободно-молек улярном режиме с последующим возможным переходом к диффузионному. В этих условиях выражение для коэффициента теплообмена долж ю быть справедливо для обоих этих режимов, включая и переходную область. Соответствующая зависимость может быть получена с использованием подхода, рассмотренного в работе [954]. Однако, вследствие большой теплоты, выделяющейся при конденсации, согласно расчетам, температура частицы практически мгновенно устанавливается равной значению, при котором равновесное давление пара над каплей равно давлению перенасыщенного пара в потоке. На это указывается, например, и в работе [747]. Определение коэффициента сопротивления при этом не обязательно, так как из-за малых размеров частиц появляющейся фракции скорость их практически совпадает со скоростью газа. [c.214] Уравнение энергии при течении с конденсацией имеет тот же самый вид, что и в случае двухфазного потока с постоянным содержанием конденсированной фазы. [c.214] Помимо изменений в основных уравнениях энергии и количества движения газа и частиц, необходимо общую систему уравнений дополнить соотношением для изменения весовых долей частиц различных фракций и образования новых частиц в потоке. [c.214] В процессе образования ядер и последующего роста зародыщей конденсированной фазы образуется непрерывный спектр размеров частиц. Поэтому в общем случае необходимо было бы записать уравнение для изменения функции распределения частиц по размерам. Однако, как показывают теоретические и экспериментальные исследования, процесс образования ядер происходит на небольшом участке сопла, имеет место скачок конденсации, и спектр образующихся частиц весьма узок. По расчетам, отличие максимального и минимального размеров не превышает 0,1 мкм. При последующем конденсационном росте частиц эта разница сохраняется. Поэтому для расчета влияния неравновесности процесса образования конденсата на удельный импульс можно рассматривать весь конденсат, появившийся в скачке конденсации, как одну фракцию. При этом определяется рост частиц только первоначально образовавшейся фракции, а их количество по мере интегрирования на участке образования ядер корректируется в соответствии с весом появляющихся зародышей. Последнее приводит к некоторому завышению потерь удельного импульса за счет несколько меньшей скорости изменения содержания конденсата в продуктах сгорания по сравнению с действительной. [c.215] В настоящее время известно значительное количество работ, касающихся вопросов кинетики конденсации. Подробный обзор исследований и анализ различных явлений, связанных с конденсацией, сделан в работах [456, 809]. Обзор отечественных и зарубежных работ по конденсации в соплах дан В. А. Ильинским во вступительной статье к книге [141]. [c.215] Различают два случая образования ядер конденсации гетерогенное и гомогенное. [c.215] Под ядром гомогенной конденсации понимают наименьшую устойчивую в термодинамическом смысле группу молекул пара, способную к дальнейшему росту. Ядро может содержать от нескольких молекул до сотен. Количественные экспериментальные данные по скорости образования ядер в паровой фазе весьма ограничены. Большинство из них получено в камере Вильсона с парами воды и различных органических веществ. Часть данных получена в сверхзвуковых аэродинамических трубах. Данных по образованию ядер конденсации в соплах двигателей не имеется. [c.215] Для описания процессов образования ядер разработан ряд теорий. Общая их характеристика дана в обзорной работе [617 . В некоторых теориях используются методы статистической и квантовой механики, являющиеся перспективными при рассмотрении конденсации. Однако ввиду значительной сложности и недостаточной разработанности эти методы не нашли практического применения. В настоящее время для расчета различных процессов находит наибольшее использование классическая жидкокапельная теория. Она дает хорошее согласование с данным по критическому перенасыщению, полученными для паров воды и ряда органических веществ в камере Вильсона [524]. [c.215] Классическая жидкокапельная теория была развита работами Фаркаша, Беккера и Дерин-га, Фольмера, Зельдовича, Френкеля [68П. Эта теория основана на следующих основных положениях. [c.215] Р— поток молекул пара на единицу поверхности в единицу времени. [c.216] Для стационарного распределения зародышей различными авторами были получены несколько отличные выражения для скорости процесса образования ядер [524]. Все они являются приближенными и имеют одинаковую точность. [c.216] В формулу для расчета скорости образования ядер входит коэффициент конденсации а, определяющий долю молекул пара, которые, ударившись о поверхность зародыша, остаются на ней. Экспериментальные данные пс коэффициентам конденсации для зародышей е настоящее время неизвестны. Из имеющи.хся экспериментальных данных для макроскопических капель следует, что в зависимости от природы жидкости и условий процесса а может изменяться в широких пределах, например, для дибутилфталата а = 0,6—1,0, для воды 0,1—0,04. Как показывают исследования, коэффициент конденсации снижается при наличии примесей. В связи с этим некоторые исследователи высказывают предположение, что для чистых поверхностей а близок к 1,0 [32 . Обычно в расчетах скорости образования ядер а принимают равным единице. [c.216] Учет зависимости а от размера зародыша по этой формуле приводит к увеличению скорости образования ядер. [c.216] Расчет скорости образования ядер по соотношению (19.71) допустим в том случае, если время установления процесса значительно меньше времени пребывания пара в сопле. Экспериментальные исследования течения паров воды в соплах различных размеров и конфигураций указывают, что с увеличением градиента падения температуры в сопле наблюдаемое перенасыщение увеличивается [102, 170]. Это свидетельствует о иестационарности процесса образования ядер. [c.217] По этой формуле размер капли получается меньшим, чем по обычной теории, особенно при небольших g. [c.217] Лоте и Паунд [834] получили выражение для установившейся скорости образования ядер при учете активации поступательных и вращательных степеней свободы зародышей. Оно дает значительно более высокое значение для скорости образования ядер, чем рассчитанное по формуле (19.71). По подсчетам Лоте и Паунда, отличие для паров воды при 7 =300 К составляет 10 . Появляющееся расхождение теории с экспериментом удовлетворительно объяснить не удается. Для выяснения причин Федер, Рассел и др. [681] в тех л е предпосылках рассмотрели неизотермическое образование ядер. Полученные ими значения скорости образования ядер ниже, чем по изотермической теории Лоте и Паунда, однако они остаются значительно более высокими, чем наблюдаемые экспериментально. [c.217] Вернуться к основной статье