Обобщение экспериментальных результатов исследования скорости горения гибридных топлив с завихрителем

 

Как было показано выше, зависимость k = f( W ) для данной топливной пары полностью определяет внутрибаллистические характеристики конкретного гибридного топлива.

Для получения зависимости k = f( W ) должны быть известны следующие величины, характеризующие режим работы двигателя: локальная скорость горения (V _г), измеренная при данном радиусе канала R и расстоянии от входного сечения , давление Р и расход жидкого компонента G ₀.

Кроме того, должны быть известны параметры, отражающие специфику закрученного течения в канале: неравномерность поля скоростей в начальном сечении канала  и координате  вдоль винтовой линии тока.

Определение величины  через  может быть получено из соотношений, связывающих прямоугольные и винтовые координаты:

при t = 0 х = S sinq ^¢ = S cosq.

Значение угла q может быть определено из специальных экспериментов. Величина  также определяется экспериментально. Для получения величины  необходимо по результатам огневых экспериментов с равномерным полем скоростей (без закрутки) построить зависимость k = f ( W ).

Для этого:

1. Вычисляется величина

.

2. По универсальному графику  определяется величина S.

3. Вычисляется критерий Рейнольдса

.

4. Вычисляется величина .

5. По величине S и универсальному графику  определяется значение функции .

6. Вычисляется значение комплекса

.              

7. По полученным данным строится зависимость . Если на графике  имеется расслоение по давлению, то значение порядка химической реакции подбирается таким образом, чтобы получить единую для разных давлений зависимость . Эта зависимость, полученная при равномерном поле скоростей на входе в блок твердого компонента, является опорной при обработке экспериментальных данных по горению гибридного топлива с закруткой.

Критериальная обработка экспериментов с закруткой производится следующим образом:

1. По полученным ранее экспериментальным данным для конкретного значения х определяется величина a.

2. Вычисляется величина координаты .

3. Определяется величина комплекса

.

4. По универсальному графику  определяется значение критерия .

5. Определяется величина

.

6. По величине S и универсальному графику  определяется величина .

7. Вычисляется параметр .

8. Строится график .

Это и есть единая зависимость для данной топливной пары. Легко видеть, что при  приходим к упоминавшейся выше зависимости  для незакрученного потока с равномерным полем скоростей на входе в блок твердого компонента.

Проанализируем результаты критериальной обработки экспериментальных данных при горении полиэтилена в парогазе 85%-ной перекиси водорода без закрутки (рис. 10.9). Отметим, что точки на рис. 10.9 представляют собой различные эксперименты, в которых давления, плотность тока, диаметры канала, продольные координаты менялись в широких пределах. В частности, радиус канала менялся от 11 до 80 мм, r u = 90…900 кг/м²с, х = 250…1000 мм, p = 0,7…6 МПа.

Несмотря на существенное отличие режимов горения, все экспериментальные данные сгруппировались вокруг одной кривой .

 

Рис. 10.9

 

На рис. 10.10 представлены обработанные аналогичным образом эксперименты с закруткой при использовании лопаточного завихрителя с переменным углом установки лопаток.

 

Рис. 10.10.

 

Расслоение кривых по углу закрутки, особенно заметное в диффузионном режиме, связано с различной неравномерностью поля скоростей в начальном сечении U ₀, которое, в свою очередь, определяется углом закрутки (в данном случае углом установки лопаток завихрителя).

Величина U ₀ для каждого угла закрутки может быть получена путем сопоставления экспериментальных данных без закрутки (j_л = 0) и при конкретном угле закрутки (по результатам гидродинамических испытаний).

Обработка всех экспериментальных данных независимо от угла закрутки в координатах

позволяет представить их в виде единой критериальной зависимости. Результаты этой обработки показаны на рис. 10.11.

 

Рис. 10.11.

 

Это позволяет с достаточной степенью достоверности использовать экспериментальные данные, полученные в модельных двигателях при создании крупногабаритных натурных ГРД.

Подтверждением сказанного служат удовлетворительные результаты сравнения экспериментального профиля канала, полученного в результате горения ПЭ в продуктах разложения 85%-ной перекиси водорода, и расчетного, основанного на использовании зависимости k(W) (рис. 10.12).

 

Рис. 10.12.

 

В общем случае выражение для вычисления скорости горения гибридного топлива при наличии закрутки имеет вид:

.                                                           (10.54)

Параметр вдува В _w, входящий в выражение (10.54), не зависит от наличия или отсутствия закрутки, т.е. В = В _w, что подтверждается экспериментальными данными [10.35]. Это обстоятельство позволяет использовать для получения связи между коэффициентами теплообмена при наличии и отсутствии вдува любое из известных соотношений, например, из работы [10.32]. Используя экспериментальные данные по теплообмену в закрученном потоке из работы [10.36], формулу (10.54) для скорости горения можно представить в виде:

.                                   (10.55)

 

Таблица10.1

	100	200	300	400	500	800	1000	1300
	0,45	0,82	1,113	1,42	1,69	2,45	2,92	3,6

В таблице приведены результаты расчета для топливной пары полиэтилен – 85% перекись водорода и для сечения, удаленного на 250 мм от входа в цилиндрический канал (d _к = 50 мм). Рассчитанные величины скорости горения удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. Таким образом, скорость горения гибридного топлива может быть рассчитана на основе имеющихся экспериментальных данных по теплообмену в закрученных потоках сo вдувом.

В тех случаях, когда полный объем экспериментальных данных по гидродинамике и теплообмену, необходимый для расчета скорости горения в соответствии с уравнением (10.55) отсутствует для оценки V _г могут быть использованы экспериментальные данные меньшего объема. При этом может быть построена схема расчета скорости горения гибридного топлива, в которой в качестве исходных данных используются известные критериальные соотношения по трению и теплообмену в незакрученных потоках, а в качестве определяющей берётся среднерасходная скорость с учетом уменьшения сечения канала вследствие закрутки.