Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ литературных данных 16
1.1. Исследования факелов ЖРДМТ применительно к проблеме загрязнения КА и КС 16
1.2. Истечение газа в вакуум и затопленное пространство 24
1.3. Истечение жидкостей и газожидкостных смесей в вакуум 31
1.4. Пристенные пленки жидкости в спутных высокоскоростных потоках газа 39
1.5. Использование экранов для уменьшения обратных потоков 47
1.6. Выводы и постановка задачи 49
Глава 2. Экспериментальная установка и методы диагностики 52
2.1. Вакуумная газодинамическая установка Викинг института теплофизики СО РАН 52
2.2. Постановка исследований и вопросы моделирования 54
2.3. Рабочий участок для создания газокапельного потока 57
2.4. Газодинамические источники 63
2.5. Измерения толщины и скорости пристенной пленки жидкости при её движении внутри сопла 66
2.6. Визуализация структуры течения капельной фазы 68
2.7. Методики измерения угловых распределений капельной фазы 72
2.7.1. Методика кварцевых микровесов 74
2.7.2. Методика спектрофотометрирования 75
2.7.3. Методика осаждения на полоску из бумаги 78
2.8. Анализ возможностей метода электронного пучка для
диагностики газокапельных потоков 80
Глава 3. Взаимодействие спутного потока газа с пристенной пленкой жидкости внутри сопла 83
3.1. Особенности поведения пристенных пленок жидкости в сверхзвуковых соплах при пониженных давлениях 83
3.2. О межфазном трении 86
3.3. Временные диаграммы толщины пленок жидкости в спутном сверхзвуковом градиентном потоке 88
3.4. Средние толщины пленок в сверхзвуковом сопле 90
3.5. Скорость переднего фронта пленки и крупных волн на её поверхности 93
3.6. Энергетические спектры пульсаций толщины пленки жидкости 95
3.7. О режиме движения пристенной пленки со спутным потоком в сверхзвуковом сопле 96
3.8. Пленочный и капельный механизмы переноса жидкости на выходную кромку сверхзвукового сопла 97
Глава 4. Взаимодействие спутного газового потока с пристенной пленкой жидкости на выходной кромке сопла и с каплями при истечении в вакуум 101
4.1. Особенности истечения пристенной пленки жидкости из сопла в вакуум 101
4.2. Подъем пленки по наружной поверхности сопла 103
4.3. Угловые распределения капельной фазы 108
4.4. Общая структура течения капельной фазы 114
4.5. Функции распределения капель по размерам, направлениям и скоростям 116
Глава 5. Управление обратными потоками капельной фазы 123
5.1. Анализ факторов возможного воздействия на угловое распределение капельной фазы 123
5.2. Схемы экранов 125
5.3. Измерение давления в полости между соплом и экраном 129
5.4. Электронно-пучковая визуализация течения в недорасширенной струе за соплом без экрана и с экраном 131
5.5. Измерение пространственного распределения капельной фазы
и анализ влияния экрана на это распределение 135
5.6. Натурный космический эксперимент «Кромка 1» 138
Основные результаты работы 142
Примечания 144
Литература
- Истечение жидкостей и газожидкостных смесей в вакуум
- Измерения толщины и скорости пристенной пленки жидкости при её движении внутри сопла
- Временные диаграммы толщины пленок жидкости в спутном сверхзвуковом градиентном потоке
- Общая структура течения капельной фазы
Введение к работе
Диссертация посвящена экспериментальному исследованию газокапельных течений, формирующихся при сверхзвуковом истечении газа из сопла в вакуум с пристенной пленкой жидкости. Хотя вопрос об истечении газа в вакуум или затопленное пространство был предметом многочисленных экспериментальных и теоретических исследований, задача о совместном истечении газа с пристенной пленкой жидкости до настоящего времени практически не исследовалась. Постановка данной задачи стимулирована решением проблемы внешнего загрязнения космических аппаратов (КА) и космических станций (КС), в первую очередь Международной космической станции (МКС), струями двигателей ориентации (ДО), в которых топливная пленка используется для охлаждения стенок сопла. В настоящее время в качестве ДО применяются жидкостные ракетные двигатели малой тяги (ЖРДМТ), использующие в качестве топлива самовоспламеняющиеся компоненты - азотный тетраоксид (AT) и несимметричный диметилгидразин (НДМГ). Как показывают результаты натурных исследований, работа ДО сопровождается выбросом сгоревших и несгоревших компонентов топлива (продуктов неполного сгорания - ПНС), в том числе капельных фракций топлива. При этом выброс происходит практически в полную сферу - от 0 до 180 от оси струи, что связано, в первую очередь, с особенностями истечения газов и жидкостей в вакуум. Оказавшиеся в поле течения выхлопного факела элементы конструкции космической станции подвергаются механическому и физико-химическому воздействию, что, безусловно, является отрицательным фактором. Кроме того, существует опасность попадания ПНС (контаминантов) внутрь станции на скафандрах космонавтов в сеансах их выхода в открытый космос. В настоящее время проблеме загрязнения МКС уделяется большое внимание.
Радикальное решение проблемы состоит, возможно, в отказе от ДО на химическом топливе и переходе к двигателям другого типа, например, электрическим на химически нейтральных газах с большой молекулярной
массой - ксеноне, криптоне, аргоне, фуллерене С^ и др., правда в этом случае остается проблема электрофизического воздействия выхлопного факела на элементы конструкции орбитальной станции.
Вместе с тем, на современном этапе развития космической техники вполне целесообразно поставить вопрос об уменьшении (в пределе — исключении) негативного влияния факела ДО на элементы конструкции станции. Это можно осуществить, ограничив угол разлета загрязняющих фракций. Техническое решение такого подхода состоит в установке на выходную часть ДО специальных экранов — газодинамических защитных устройств (ГЗУ). При этом устанавливаемые ГЗУ не должны изменять параметры ДО, в первую очередь, вектор тяги и её величину. Следует заметить, что идея использования экранов для уменьшения обратных (загрязняющих) потоков не является новой. В частности, такие экраны, в том числе охлаждаемые жидким азотом, нашли применение для уменьшения обратных потоков паров масел в высоковакуумных паромасляных насосах. Однако применительно к ДО КС эта идея стала обсуждаться и реализовываться относительно недавно.
Поскольку проблема загрязнения КС струями ДО ввиду её сложности не может быть решена на данном этапе чисто расчетным путем, необходимы экспериментальные исследования факелов ДО, направленные на установление механизмов и процессов, приводящих к эффектам загрязнения, а также их минимизацию.
Наиболее достоверная информация, конечно, может быть получена из натурных космических экспериментов, однако такие эксперименты дороги, так как требуют наличия на борту КС соответствующей диагностической аппаратуры для исследования загрязняющих свойств факелов ДО.
Весьма ограничены и возможности проведения исследований по проблеме загрязнения с реальными ДО в вакуумных камерах, поскольку используемые в ДО компоненты топлива являются токсичными. В то же
7 время, ценная информация по проблеме загрязнения космических станций может быть получена из модельных экспериментов.
С точки зрения постановки задачи речь идет об истечении пристенной
фУ пленки жидкости со спутным газовым потоком из сверхзвукового сопла в
вакуум. Конечно, речь может идти только о приближенном моделировании,
так как воспроизвести в модельном эксперимента истинную толщину и
скорость пленки в выходном сечении сопла, её состав и температуру, а также
параметры высокотемпературного газового потока (продуктов сгорания)
весьма проблематично. Тем не менее, даже приближенное моделирование
позволяет при возможно более полном воспроизведении определяющих
'ф^ параметров получить необходимую информацию о структуре течения
модельного факела и, в первую очередь, жидкокапельной фазы.
Сказанное определяет актуальность темы диссертации, посвященной исследованию газокапельных потоков, формирующихся при истечении газа из сопла с пристенной пленкой жидкости в вакуум.
Цель и задачи работы. Целью работы является исследование
физических процессов и явлений, сопровождающих сверхзвуковое истечение
гТ газа из сопла с пристенной пленкой жидкости в вакуум, включая
взаимодействие пленки со спутным потоком внутри сопла, диспергирование пленки на выходной кроме сопла, формирование сверхзвукового газокапельного потока.
В соответствии с целью сформулированы следующие задачи работы:
1. развитие методов и подходов к моделированию в вакуумных камерах
Щ? процессов, приводящих к загрязнению космических станций факелами ДО;
*
развитие экспериментальной базы, включающее разработку и создание рабочих участков, а также методов диагностики пристенной пленки жидкости при её движении внутри сопла и капельной фазы в сверхзвуковом газокапельном потоке;
исследование развитыми методами локальных параметров пристенной пленки жидкости при движении со спутным газовым потоков
8 внутри сопла, её распада на капли на выходной кромке сопла и структуры течения капельной фазы в сверхзвуковом газокапельном потоке;
4. управление (снижение) обратными потоками капельной фазы с
i^b помощью газодинамических защитных устройств (экранов);
Научная новизна:
установлено, что при сверхзвуковом истечении из сопла с пристенной пленкой жидкости в вакуум возникают две области течения капельной фазы - центральная и периферийная, существенно отличающиеся по условиям формирования, размерам и скоростям капель;
показано, что режим движения пристенной пленки жидкости со спутным потоком газа внутри сопла является стрессовым и сопровождается интенсивным уносом капель с поверхности пленки в сверхзвуковой поток;
обоснован газодинамический механизм эффекта подъема пленки жидкости по наружной поверхности сопла против сил тяжести при её истечении в вакуум со спутным потоком газа;
установлено возникновение обратных потоков капельной фазы, обусловленных разрушением пристенной пленки жидкости на выходной кромке и внешней поверхности сопла на капли и их взаимодействием с потоком несущего газа.
Практическая ценность
Полученные в работе экспериментальные результаты могут быть
#>
использованы при создании и апробации моделей и методов расчета сверхзвуковых газокапельных точений. Результаты работы нашли практическую реализацию в виде специальных газодинамических защитных устройств, разработанных специалистами РКК Энергия им. СП. Королева и установленных на двигатели ориентации Служебного Модуля МКС. Разработанные в диссертации методы получения и диагностики
9 газокапельных потоков представляют самостоятельный интерес и могут быть практически полезны для других исследований и приложений.
Достоверность результатов проведенных исследований подтверждена оценкой погрешностей измерений, статистической воспроизводимостью результатов и сравнением полученных результатов с имеющимися в литературе.
На защиту выносятся:
Результаты исследования локальных параметров пристенной пленки жидкости при её движении со спутным газовым потоком в сопле.
Экспериментальные данные по исследованию эффекта возникновения возвратного движения пристенной пленки жидкости по наружной поверхности сопла при её истечении со спутным газовым потоком в вакуум.
Результаты исследований сверхзвукового газокапельного потока, включая общую структуру течения капельной фазы, её пространственное распределение и функции распределения капель по размерам, скоростям и направлениям.
Экспериментальные данные по управлению (снижению) обратными потоками капельной фазы с помощью специальных экранов.
Работы по теме диссертации выполнялась в рамках НИР ИТ СО РАН «Исследование неравновесных процессов в потоках разреженного газа и плазмы» (Гос. per. 01.2.00 103367); «Исследование газовых, газокластерных и газокапельных потоков с эффектами ионизации, неравновесности и разреженности» (Гос. per. 0120.0 408655); программы ОЭММПУ РАН «Устойчивость фазовых состояний и критические режимы тепломассопереноса» (Проект 3.5.2 — «Комплексное исследование теплофизических свойств перспективных теплоносителей и турбулентного
10 тепломассопереноса в сплошных и разреженных средах с фазовыми переходами»); гранта Президента РФ по поддержке ведущих научных школ (НШ-910.2003.1) «Исследование неравновесных процессов в потоках разреженного газа и плазмы» (руководитель — академик А.К. Ребров); гранта МНТЦ №229 8р «Экспериментальное и численное исследование газовых и газокапельных течений применительно к проблеме загрязнения космических аппаратов струями двигателей управления» и контрактов с РКК Энергия им. СП. Королева по проблеме внешнего загрязнения МКС.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на семинарах Отдела разреженных газов ИТ СО РАН под руководством академика А.К. Реброва; 1st Russian Korean International Symposium on Applied Mechanics RUSKO-AM-2001 (Novosibirsk, 2-4 October 2001); VII (Новосибирск, 23-26 апреля 2002 г.) и VIII (Новосибирск, 6-8 октября 2004 г.) Всероссийских конференциях молодых ученых «Актуальные проблемы теплофизики и физической гидрогазодинамики»; XIX (Санкт-Петербург, 24-28 июня 2002 г.) и XX (Санкт-Петербург, 1-3 июля 2004 г.) Международных семинарах по струйным, отрывным и нестационарным течениям; XI (Novosibirsk, 1-7 July 2002) и XII (Novosibirsk, 28 June - 4 July 2004) International Conferences on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR'2002, ICMAR'2004); IV Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, 1-2 июля 2004 г.); XXVII Сибирском теплофизическом семинаре СТС-27 (Новосибирск, 1-5 октября 2004 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 157 стр., включая 3 таблицы и 79 рисунков. Список литературы составляет 92 наименования.
Первая глава посвящена обзору литературы. Опубликованные к настоящему времени монографии и обзоры дают достаточно полное представление о явлениях и процессах, сопровождающих истечение газа в вакуум и затопленное пространство. В то же время, задача о совместном истечении газа с пристенной пленкой жидкости в вакуум до настоящего времени практически не исследовалась.
Взаимодействие пристенных пленок со спутным потоком пара или газа было предметом многочисленных исследований применительно к различным тепломассообменным аппаратам и устройствам. Такое взаимодействие в зависимости от конкретных условий может сопровождаться процессами испарения/конденсации и уноса капель с поверхности пленки. В то же время, недостаточно исследовано поведение пленок жидкости в сверхзвуковых градиентных потоках при пониженных давлениях (ниже давления насыщенных паров жидкости).
При совместном истечении газа с пристенной пленкой жидкости в вакуум происходит её взрывообразный распад с образованием газокапельного потока, структура которого зависит от многих факторов, и практически не изучалась.
В заключение обзора сформулирована постановка задачи.
Вторая глава содержит описание экспериментальной установки, рабочих участков и методов диагностики газокапельных потоков.
Дано описание вакуумной газодинамической установки ВИКИНГ Института теплофизики СО РАН, существенно модернизированной для проведения исследований по газокапельной тематике. Отмечается, что наличие достаточно большого объема вакуумной камеры (150 м3) существенно расширяет возможности установки для работы в импульсных режимах. Это позволило проводить эксперименты с расходами газа в 100-1000 раз больше, чем при работе установки в стационарном режиме. Длительность импульса составляла около 5 сек.
tJ\
Рассмотрены способы организации пристенной пленки жидкости со спутным газовым потоком, дано описание рабочего участка для создания газокапельного потока в вакууме с компьютерным управлением и регистрацией режимных параметров.
Рассмотрены вопросы моделирования в вакуумных камерах струй натурных двигателей ориентации космических аппаратов и космических станций. Выбраны «базовые» параметры модельных сопел, газа и жидкостей. В экспериментах диапазоны изменения режимных параметров существенно перекрывали «базовые».
Большое внимание в диссертации уделено вопросам диагностики локальных характеристик пристенной пленки жидкости при её движении внутри сопла и капельной фазы в сверхзвуковом газокапельном потоке.
Исследования локальных характеристик пристенной пленки проводились с использованием зондов емкостного типа. Использовались две схемы измерений. В первой схеме два зонда располагались последовательно друг за другом на расстояниях 7 мм и 2 мм от выходной кромки сопла. Эта схема использовалась, в основном, для измерения скоростей переднего фронта пленки и крупных волн на ее поверхности. Во второй схеме четыре зонда располагались через 90 по периметру сопла на расстоянии 2 мм от выходной кромки. Эта схема использовалась для измерений толщины пленки. Усреднение измерений по четырем зондам позволило повысить надежность и точность измерений толщины пленки.
Измерение угловых распределений капельной фазы в сверхзвуковом газокапельном потоке является важной и в то же время достаточно трудной задачей. В процессе выполнения исследований были созданы три независимых методики измерений угловых распределений капельной фазы.
Методика кварцевых микровесов. Принцип измерений основан на изменении частоты поверхностных колебаний кварцевой пластины от массы прилетевших на датчик капель. Эта методика имеет ограничения сверху по величине потока капельной фазы на датчик и поэтому использовалась лишь в
13 отдельных экспериментах при проведении измерений в периферийной области газокапельного потока.
Методика спектрофотометрирования. Основная идея этой методики
ЦТ' состоит в использовании методов спектрального фотометрирования для
определения количества красителя (сухого остатка), оставшегося на датчике после испарения прилетевших на него капель.
Методика осаждения на полоску из бумаги. В этой методике на
измерительное кольцо помещалась узкая, шириной 6 мм, полоска
фотобумаги, которая после проведения эксперимента извлекалась из
вакуумной камеры. Далее путем компьютерной обработки определялась
ёт угловая зависимость интенсивности окраски с одновременным усреднением
по ширине полоски.
*
В диссертации на основании анализа ожидаемых размеров и скоростей капель были выбраны и созданы две схемы визуализации структуры течения капельной фазы - с освещением лампами накаливания и лазером по методу «лазерного ножа». Первая схема позволяла получать общие картины течения капельной фазы, вторая (с использованием стробоскопической подсветки) — функции распределения капель по размерам, направлениям и скоростям.
В третьей главе исследуется взаимодействие спутного газового потока с пристенной пленкой жидкости внутри сопла.
В начале главы дан анализ особенностей взаимодействия пристенной пленки жидкости со спутным газовым потоком в условиях рассматриваемой задачи.
Приведены экспериментальные данные по толщине и скорости пленки. Эти данные сравнивались с расчетами по модели, в которой расход жидкости и касательное напряжение на границе раздела считаются заданными.
Измерены скорости переднего фронта пленки и крупных волн на её поверхности.
^J
Для выяснения режима течения пленки в условиях данной работы был поставлен специальный эксперимент, в котором в одном случае сопло
14 располагалось вертикально вниз (обычная в экспериментах данной работы ориентация сопла), в другом — вертикально вверх. При этом все остальные условия проведения эксперимента сохранялись одинаковыми.
Рассмотрены «капельный» и «пленочный» механизмы переноса жидкости на выходную кромку сопла.
В четвертой главе исследуется истечение пристенной пленки со спутным газовым потоком в вакуум. Основное внимание уделено диспергированию пленки на выходной кромке сопла и структуре течения образующегося газокапельного потока,
В начале главы выделены особенности истечения пристенной пленки со спутным потоком из сопла в рассматриваемых условиях.
Экспериментально показано, что при истечении в вакуум с газовым потоком пристенная пленки жидкости, стекающая по внутренней поверхности сопла, не только распадается на капли на выходной кромке сопла, но и выходит на наружную поверхность сопла, двигаясь по ней в обратном направлении, даже против сил тяжести.
С использованием развитых методов диагностики исследовано влияние определяющих параметров на структуру течения капельной фазы в газокапельном потоке.
На основании выполненных исследований установлена общая структура течения капельной фазы.
С использованием техники «лазерного ножа» получены функции распределения капель по размерам направления и скоростям в периферийной области течения.
Пятая глава посвящена анализу возможностей управления угловыми распределениями капельной фазы с целью уменьшения обратных потоков.
Обосновано использование экранов, устанавливаемых на выходную часть сопла, позволяющих снизить динамическое воздействие газа на капли в периферийной области течения капельной фазы.
Экспериментально исследовано влияние относительных размеров и расположения экрана на угловые распределения капельной фазы в потоке и величину давления в межэкранном пространстве.
На основе измерений угловых распределений капельной фазы и электронно-пучковой визуализации структуры течения за соплом без экрана и с экраном показано, что установка экрана не оказывает влияния на течение в центральной области за соплом, но позволяет существенно уменьшить обратные потоки капельной фазы в периферийной области течения.
В заключение сформулированы основные результаты работы.
В приложении даны оценки погрешностей измерений.
*
Истечение жидкостей и газожидкостных смесей в вакуум
Опубликованные к настоящему времени монографии [5-9] и обзоры [10,11], а также труды отечественных конференций и международных симпозиумов по динамике разреженных газов дают достаточно полное представление о явлениях и процессах, сопровождающих истечение газа в пространство с малым абсолютным давлением, в пределе - в пустоту. При свободном расширении газа в покоящуюся среду с малым противодавлением задание рода газа, температуры Г0 и давления торможения pit, геометрии сопла (диаметров критического d и выходного da сечений сопла, полуугла раскрытия 0а, либо профиля его сверхзвуковой части), а также условий в окружающем пространстве — рода газа, его температуры Тю и давления /7Ю полностью определяет как поле газодинамических параметров в струе, так и набор и характер протекания физических процессов на всех этапах формирования структуры течения.
Диапазоны изменения указанных выше режимных параметров, встречающиеся на практике, весьма велики и могут отличаться на многие порядки величин.
Струи идеального газа исследованы наиболее полно. Возникающая при этом структура течения показана на рис. 1.7 [12]. Определяющими параметрами задачи являются степень нерасчетности п -pjp число Маха на срезе сопла Ма, отношение удельных теплоємкостей ка и угол наклона контура сопла в выходном сечении &а. Результаты исследований для случая истечения в пустоту приведены в работе [13] для Мд= 1+6; А = 1,15-5-1,67; 6 = 0+15; при истечении в затопленное пространство (N = 3+5; ка =1,2+1,4; 9а=5+20; 0,15 л 106) и спутный поток (Ма = 3+5; Но = 3+15; к,= 1,2+1,67; = 1,4; (% = 5+15; 10 п 107)-в работе [14].
При глубоком адиабатическом расширении газа в пространство с пониженным давлением становится существенным проявление эффектов вязкости, разреженности и неравновесности.
При этом в добавление к перечисленным выше определяющим параметрам nt Ма, ка, 0а появляются критерии Рейнольдса Re, Прандтля Рг, Шмидта Sc и температурный T JTm или энтальпийный H JHm факторы. Наличие вязкости приводит к возникновению пограничного слоя на стенках сверхзвуковой части сопла, а также слоя смешения вдоль границы струи с ламинарным или турбулентным режимом течения в зависимости от определяющего числа Реинольдса. Схематично структура струи вязкого газа представлена нарис. 1.8 [10].
В ряде работ, посвященных вопросам подобия струйных сильно недорасширенных течений, например [15-17], было показано, что для зоны смешения с окружающим газом, зоны сдвиговых течений за диском Маха и ядра потока в качестве определяющего может быть принято число ReL = ReJ4W, позволяющее классифицировать течение по видам (здесь Re -число Реинольдса, определяемое по параметрам в критическом сечении сопла, N—po/pco - перепад давлений). В работе [16] предложена следующая классификация режимов течения: 1. ReL 104 - режим течения в слое смешения носит турбулентный характер; 2. 103 ReL Ю4 - переход от ламинарного к турбулентному режиму течения в слое смешения; 3. 102 ReL 103 - режим течения в слое смешения носит ламинарный характер; 4. ReL 10 — переход от ламинарного течения к режимам, при которых проявляются эффекты разреженности; 5. ReL 10 - переход к режиму рассеяния, происходит вырождение ударных волн по плотности [17].
Поскольку ReL = RejJ N , то его изменение может быть осуществление изменением Re , либо N При уменьшении ReL за счет Re предельным является эффузионныЙ режим истечения, когда существенны эффекты разреженности в сопле. Другой предельный случай — истечение в пустоту, когда уменьшение ReL достигается за счет увеличения N при сохранении чисел Re, достаточно большими, больше 102 [6].
Случай истечения газа в пустоту весьма близок к режимам работы двигателей ориентации космических аппаратов и космических станций. Возникающая при этом структура течения факела ДО показана схематично на рис. 1.9 [18]. В дальнем поле центральной части струи течение асимптотически стремится к течению от источника с переменной по полярному углу 0 интенсивностью. Это важное свойство лежит в основе приближенных методов расчета струй, истекающих в пустоту. Однако и при истечении в пространство с конечным противодавлением распределение параметров в области, ограниченной висячим и центральным скачками уплотнения, идентично расширению струи в вакуум. Существует ряд достаточно простых приближенных формул и зависимостей, позволяющих рассчитать распределение параметров в области свободного сверхзвукового расширения идеального совершенного газа. Обзор этих результатов можно найти в [5,6].
Измерения толщины и скорости пристенной пленки жидкости при её движении внутри сопла
В настоящее время существует довольно много методов измерения локальных характеристик пристенных пленок, в первую очередь их толщин. Обзор этих методов можно найти в [51]. В данной работе использовался емкостной метод, получивший развитие и достаточно широкое использование в ИТ СО РАН [68]. Метод основан на зависимости емкости конденсатора от диэлектрической проницаемости вещества между его обкладками. Детальное описание принципов и техники измерения можно найти в [69]. В данной работе использовались коаксиальные емкостные датчики с диаметром внешнего электрода 1,6 мм, внутреннего - 0,5 мм. V Датчики были заделаны заподлицо с внутренней поверхностью сопла. Использовались две схемы расположения датчиков, показанные на рис. 2.10 и рис. 2.11. По схеме рис. 2.10 первый датчик 2 был вмонтирован на расстоянии 7 мм от выходной кромки сопла, второй датчик 3 — на расстоянии 2 мм. Эта схема позволяла измерять скорость переднего фронта пленки и скорость крупных волн на поверхности пленки.
По схеме рис. 2.11 четыре датчика располагались через 90 по периметру сопла на расстоянии 2 мм от выходной кромки сопла. Поскольку существуют определенные трудности в организации равномерно распределенной по периметру сопла пленки жидкости, использование такой схемы с усреднением показаний по четырем датчикам позволило повысить надежность и точность измерений толщины пленки.
Структурно емкостной измеритель локальной толщины пленки жидкости (рис. 2.12) состоит из первичных преобразователей 1.1 и 1.2 и вторичных преобразователей 2.1 и 2.2, управляемых от компьютера через LPT-порт. Первичный преобразователь выполняет преобразование локальной толщины пленки жидкости в электрический сигнал. Вторичный преобразователь фильтрует полученный сигнал, усиливает его и передает на компьютер. Для управления измерителем от компьютера разработана программа, которая позволяет выбирать для измерений любую комбинацию из набора датчиков, подключенных к измерителю, задавать длительность измерения, проводить первичную обработку экспериментальных данных, а также представлять результаты измерений в графическом виде на экране монитора.
В данной работе на основании анализа ожидаемых размеров и скоростей капель были выбраны и созданы две системы освещения - с лампами накаливания и с лазером [70].
Первая система включала в себя обычные и галогенные лампы. Результаты видеосъемки процесса истечения жидкости в вакуум с такой схемой освещения позволили получить достаточно детальную картину общей структуры течения и дали представление о процессе распада пленки жидкости на капли. Недостаток такого способа визуализации процесса состоит в невозможности достоверно оценить скорость образующихся капель из-за неопределенности пролетаемого ими расстояния и времени полета. Это связано с тем, что плоскость, в которой движется капля, и плоскость наблюдения могут не совпадать. На снимках получается проекция траектории капель на плоскость наблюдения, поэтому реальная скорость капель может быть выше измеренной. Время присутствия капель в кадре может отличаться от времени экспозиции, например, из-за ограниченного поля зрения фотообъектива, из-за асинхронности момента открытия затвора видеокамеры с моментом образования капли. Вследствие этих причин возможны также ошибки в оценке размеров капель.
Избежать указанных недостатков позволяет система освещения газокапельного потока по методу «лазерного ножа» - очень узкого в поперечном сечении плоского потока света. В качестве источника света использовался полупроводниковый лазер мощностью 30 мВт, который мог работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.
Схема измерений по методу «лазерного ножа» показана на рис. 2.13. Тонкий сфокусированный луч лазера 7 с помощью цилиндрической линзы 6 преобразуется в расходящийся плоский пучок света так, чтобы продольная ось сопла 1 и потока лежали в его плоскости. Высота светового пучка возле сопла составляла около 50 мм и центр пучка совпадал с плоскостью выходного сечения сопла. Ширина пучка была около 0,3 мм. Таким образом, в экспериментах можно было регистрировать капли, находящиеся в пределах 25 мм от кромки сопла. Рассеянное каплями излучение проходит через оптический иллюминатор 3 вакуумной камеры 5 установки ВИКИНГ и регистрируется фотоаппаратом Nikon 5700 или видеокамерой 4 Canon ХМ1. Для уменьшения паразитной подсветки и увеличения чувствительности все иллюминаторы установки закрывались светонепроницаемым материалом, а на заднем плане за соплом устанавливался темный экран. Чтобы уменьшить интенсивность излучения, отраженного от сопла, наружная поверхность последнего покрывалась сажей.
Для устранения электрических пробоев в цепи питания и управления лазера он вместе с цилиндрической линзой помещался в специально спроектированный и изготовленный герметичный кожух, в котором поддерживалось атмосферное давление и который позволял фокусировать лазерный луч и юстировать образующийся световой пучок относительно оси сопла и плоскости его выходного сечения. Кожух устанавливался на координатном устройстве внутри установки ВИКИНГ. Для стробоскопической подсветки в экспериментах использовался импульсный режим работы лазера с внешним управлением от генератора синхроимпульсов 2. Частота вспышек могла меняться в пределах от 10 Гц до 5 кГц, длительность вспышек - от 1 до 255 мкс.
Временные диаграммы толщины пленок жидкости в спутном сверхзвуковом градиентном потоке
Вопрос о выборе величины касательного напряжения на межфазной границе возникает при построении расчетных моделей, либо при попытках проанализировать физику процесса взаимодействия спутного газового потока с пристенной пленкой жидкости в рассматриваемых условиях. Вопрос этот достаточно сложен и в настоящее время, видимо, далек от полного понимания. Но некоторые детали и особенности, хотя бы на качественном уровне, обсудить можно.
В работе [57] и в более поздних работах было предложено, что величина касательного напряжения на межфазной границе для тонких ламинарных пленок может быть рассчитана по соотношениям для однофазного пограничного слоя на поверхности стенки, а волновая поверхность пленки может быть отождествлена с шероховатостью стенки. Однако учета волновой поверхности пленки через «шероховатость стенки», по-видимому, недостаточно в условиях интенсивного уноса капель с межфазной поверхности, как это имеет место в данной работе. Вопрос становится еще более сложным, когда на межфазной границе имеют место фазовые переходы. Как отмечено в [30] и в [54], в этом случае можно ввести аналогию с отсосом (конденсация) и с вдувом (испарение) вещества через проницаемую поверхность в пограничный слой. Далее, если исходить из аналогии трения и теплообмена, то коэффициент теплоотдачи и касательное напряжение должны вести себя подобным образом.
На рис. 3.1, взятом из [60], приведено распределение коэффициента теплоотдачи (числа Нуссельта) по длине сверхзвукового сопла. Видно, что коэффициент теплоотдачи имеет максимальное значение в критическом сечении сопла. Аналогичным образом должно вести себя и касательное напряжение. Известно также, что вдув уменьшает коэффициент теплоотдачи, поэтому испарение жидкости с межфазной поверхности должно приводить к ослаблению силового взаимодействия спутного потока газа с пристенной пленкой жидкости, а при конденсации пара из потока на поверхность пленки - наоборот.
Как показал проведенный выше анализ, в условиях данной работы следует ожидать сильного воздействия спутного газового потока на пленку при её движении в сверхзвуковом сопле. Результатом такого воздействия должно быть волнообразование и срыв капель с поверхности пленки. Понижение статического давления в спутном потоке над пленкой может приводить к её испарению и вскипанию. Наиболее ярко эти особенности проявились в экспериментах с этанолом, обладающим по сравнению с бутанолом существенно более высоким давлением насыщенного пара и меньшей вязкостью.
Иллюстрацией сказанному является рис. 3.2, на котором приведены временные диаграммы толщин пленки этанола, полученные при изменении давления газа в форкамере (и, соответственно, давления в потоке над пленкой) примерно на порядок. При этом число Re (расход этанола) было одинаковым во всех четырех режимах и составляло Re =14. Видно, что по мере понижения давления в потоке над пленкой (от 24 мм рт. ст. дяяр0 = 820 мм рт. ст. до 3 мм рт. ст. дляро =100 мм рт. ст.) процессы испарения-кипения оказывают всё более сильное влияние на поведение пленки, вызывая всё большие флуктуации поверхности пленки и рост её средней толщины. Для бутанола этот эффект был выражен менее существенно и наблюдался слабо только при минимальных давления pa = 100 мм рт. ст.
Общая структура течения капельной фазы
Из общих соображений понятно, что профиль сопла, как дозвуковой, так и сверхзвуковой его частей, может оказывать влияние на характер взаимодействия пленки со спутным потоком, в первую очередь, на траектории движения капель, сорванных с поверхности пленки. Наиболее интенсивный срыв, как отмечалось выше, происходит, по-видимому, в области критического сечения сопла, где величины г имеют максимальные значения (рис. 3.1). Траектории движения сорванных капель будут зависеть от их размера и массы, начальной скорости и направления, условий Т взаимодействия со спутным газовым потоков внутри сопла и в струе за ним.
При движении внутри сопла вследствие высоких значений чисел We капли могут дробиться и ускоряться.
Траектории движения капель различного размера внутри конических и профилированных сопел для условий проведения экспериментов данной работы были рассчитаны Ю.И. Герасимовым и А.Н. Крыловым [67]. Некоторые из полученных результатов приведены на рис. 3.9 для IF конического (рис. 3.9 а) и профилированного (рис. 3.9 б,в) сопел. Коническое и профилированное сопла отличаются только профилем сверхзвуковой части. Расчеты проведены для капель размером от 1 до 100 мкм. Считалось, что они сохраняют свой размер при движении внутри сопла (возможное разрушение капель не учитывалось). Коэффициент сопротивления Cd считался по формуле Хендерсона [82], учитывающей зависимость С/ от чисел Маха и Рейнольдса.
Анализ результатов, приведенных на рис. 3.9 позволяет сделать следующие выводы:
1. Для конических сопел (рис 3.9 а, сопло ИТ-5с) капли, сорванные с пленки, не могут вернуться на стенку сопла (пленку) и поэтому не будут участвовать в формировании обратного потока капель.
2. Для профилированных сопел капли, сорванные с пленки с fljb- области критического сечения сопла (рис. 3.9 в, сопло ИТ-4), могут вернуться в пленку и участвовать в формировании обратного потока капель. Таким образом, для профилированных сопел могут иметь место капельный и пленочный механизмы переноса жидкости, для конических сопел возможен только пленочный механизм [67].
К сожалению, в экспериментах по чисто техническим трудностям не удалось подтвердить или опровергнуть прямыми измерениями толщины пленки в выходном сечении сопла вывод о возможности капельного механизма переноса жидкости на стенку профилированного сопла. Эти трудности были связаны как со сложностью установки зондов в профилированное сопло с заделкой заподлицо, так и с отсутствием лишних зондов. Однако возможное существование капельного механизма переноса жидкости было подтверждено измерениями углового распределения капельной фазы в струе за профилированным соплом путем сравнения с соответствующими результатами для конического сопла. Эти результаты приведены ниже, в главе 4.
В заключение данной главы хотелось бы сказать несколько слов о достаточно больших возможностях созданной экспериментальной базы (установка ВИКИНГ + освоенные методы диагностики) для исследования пленок жидкости в спутных потоках. Эти возможности, как показали представленные выше результаты экспериментов, позволяют изучать такие сложные процессы как волнообразование, унос капель, фазовые переходы. Выбором рабочих жидкостей и параметров спутного потока можно изучать указанные процессы отдельно, либо при совместном проявлении. Важным аспектом этих исследований может стать развитие и построение адекватных теоретических моделей.
Выделим важные особенности истечения пристенной пленки жидкости со спутным газовым потоком из сопла в вакуум.
1. Фазовый взрыв. Как отмечалось в обзорной части работы, при попадании жидкости в вакуум она становится мгновенно перегретой и взрывообразным образом распадается на капли. При этом давление насыщенных паров жидкости, попавшей в вакуум, на несколько порядков (примерно четыре порядка для этанола и три - для бутанола) превышает давление в окружающем пространстве, как это можно видеть из диаграммы состояния этанола, построенной по данным [83] и приведенной на рис. 4.1
2. Изменение режима течения в струе. Вследствие сильного падения плотности в струе, примерно как при сферическом расширении газа в вакуум, происходит изменение режима течения в струе от сплошного вблизи сопла до разреженного в дальнем поле. При этом пропорционально уменьшению плотности падает число Вебера, что должно приводить к ослаблению динамического воздействия несущего газового потока на капли. Отсюда следует, что наибольшее динамическое воздействие газового потока на пленку и образующиеся капли происходит на срезе сопла и в его окрестности. Здесь также можно заметить, что, как показали эксперименты, в условиях данной работы капельная фаза не оказывает влияния на газодинамику струи.
3. Испарение капель в вакууме. Этот вопрос был предметом весьма многочисленных, главным образом теоретических, рассмотрений. В [84] рассматривалось испарение капли аргона, в [85] — капли воды. Отметим также работу [86], в которой рассмотрено восемь моделей испарения капель в газожидкостных потоках.
Ниже приведены оценки испарения капель этанола и бутанола в вакууме, в условиях, когда давление в окружающем пространстве пренебрежимо мало по сравнению с давлением насыщенных паров этих жидкостей.
