Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи исследования
1.1. Механизм зарождения паровой фазы 15
1.2. Структурные формы потока и режимы течения
1.2.1 .структурные формы гетерофазных потоков 22
1.2.2.режимы течения 23
1.3. Аналитические методы расчета характеристик двухфазных потоков
1.4. Эмпирические методы расчета критического расхода
1.4.1 .Диафрагмы и короткие каналы з3
1,4.2.Цилиндрические каналы различной длины 34
1.4.3. Сопла лаваля 35
1.5. Экспериментальные исследования 38
1.6. Постановка задачи исследования 54
Глава 2. Описание экспериментального стенда и методики проведения опытов
2.1. Экспериментальный стенд 56
2.1.1 .Работа измерительного комплекса 60
2.1.2 .Работа стенда 6 0
2.2. Методика проведения эксперимента 61
2.2.1.Измерение расхода 61
2.2.2.Измерение давления 63
2.2.3 .Измерение температуры 65
2.2.4.Измерение импульса реактивной тяги 65
2.2.5.фото- и терморегистрация потока 66
2.3. Объект исследования 69
2.5 Погрешности измерений 69
Глава 3. Экспериментальное исследование течения вскипающей жидкости в соплах и каналах
3.1. Структура двухфазного потока 76
3.1.1. Структура п отока в соплах лав аля 77
3.1.2.Структура'потока в цилиндрических каналах 80
3.1.3. Механизм зарождения паровой фазы 82
3.2. Влияние начальных параметров на характеристики, вскипающей жидкости
3.3. Влияние геометрических факторов на тяговые и расходные характеристики цилиндрических каналов и сопел лаваля
3.3.1 .Влияние угла раскрытия сопла лаваля 95
3.3.2.Влияние длины расширяющейся части сопла 97
3.3.3. .Влияние длины цилиндрического канала 101
3.4. Сравнение тяговых и расходных характеристик сопел лаваля и
Цилиндрических каналов
Глава 4. Обобщение опытных данных и расчет параметров двухфазного потока
4.1. Обощение экспериментальных данных по импульсу тяги вскипающей жидкости в соплах лаваля
4.2. Обощение экспериментальных данных по расходу вскипающей жидкости через цилиндрические каналы
4.3. Обощение экспериментальных данных по расходу вскипающей жидкости через сопла лаваля
4.4. Расчет параметров двухфазного потока 119
4.4.1.метод косвенного определения параметров потока 122
4.4.2.результаты расчетов параметров потока по тракту 127
Сопла лаваля
4.5. Ерморегистрация струи 134
Основные результаты и выводы 139
Список использованных источников
- Аналитические методы расчета характеристик двухфазных потоков
- Методика проведения эксперимента
- Механизм зарождения паровой фазы
- Обощение экспериментальных данных по расходу вскипающей жидкости через цилиндрические каналы
Введение к работе
Течение капельной жидкости с отрицательным градиентом давления может сопровождаться фазовыми, переходами, если давление в потоке достигает значений меньших или равных давления насыщения. В случае отсутствия энергообмена с окружающей средой подобные процессы рассматриваются, как процессы адиабатного расширения жидкости из состояний, лежащих выше левой пограничной кривой, в область двухфазных состояний. При расширении жидкости, вследствие потери устойчивости жидкой фазы, в потоке создаются условия для зарождения и развития паровой фазы. В результате чего капельный поток жидкости превращается в гетерофазный поток, содержащий жидкую и паровую фазы, а при достаточно глубоком расширении и твердую фазу.
Такие течения представляют комплекс быстропротекающих термо и гидродинамических явлений, в которых существенную роль играют турбулентность, диффузия, природа и скорость образования зародышей новой фазы, межфазный тепло- и массоперенос. Как правило, такие явления протекают неравновесным путем, а жидкость в момент зарождения и развития новой фазы может находиться в метастабильном состоянии [1,2]. По поводу физической природы образования зародышей новой фазы существуют различные точки зрения, которые основываются на представлениях статистической физики, моделях "готовых центров", турбулентных вихрей и прочих реальных факторах, инициирующих фазовые переходы.
Исследованию двухфазных потоков уделяется достаточно много внимания, о чем говорит количество монографий и статей по данной тематике [3-4, 6-8, 10-11,21,28-29,63]. Такое внимание к теме обусловлено ее широким практическим приложением при работе различных технических систем: - аэрокосмические комплексы: в системах ориентации космических аппаратов необходимо учитывать дополнительный импульс, создаваемый компонентами топлива после остановки двигателя; в аварийных ситуациях необходимо обеспечить максимальный расход при сбросе топлива с летательного аппарата. -тепловые двигатели: на экономичность работы двигателя внутреннего сгорания оказывает существенное влияние процесс образования топливной смеси, зависящий в свою очередь от качества распыла горючего, - гидрореактивные двигатели: в двигателях такого типа рабочим телом является горячая вода в состояний, близком к насыщенному. Движущая сила таких установок получается за счет адиабатного расширения вскипающего потока воды в соплах, где происходит превращение потенциальной энергии нагретой жидкости в кинетическую энергию парожидкостной струи. -теплоэнергетические комплексы: в гидравлических системах энергетического оборудования используется широкий ассортимент рабочих тел, находящихся по условиям технологических процессов в состояниях, близких к насыщенному. системы локализации и ликвидации техногенных катастроф: одним из новых направлений исследования являются вопросы, связанные со случайным выбросом огнеопасных и токсичных сжиженных газов. В случае такого выброса, поток взрывоопасного газа имеет вид густого двухфазного облака. В особых случаях, если среда огнеопасная, облако может воспламениться и может привести к детонации. Для изучения таких процессов и снижения риска, необходимо знать характеристики потока (размер, скорость, концентрацию, температуру фаз и др.) в области истечения [131-132]. нефтепереработка: в современных нефтехимических производствах сталкиваются с проблемой повышения отдачи легких фракций при
10 переработке сырой нефти. Для интенсификации процесса разделения исходного продукта на фракции возможно использование каналов в виде V"'' сопел Лаваля в качестве диспергаторов.
Примеры, приведенные из различных областей техники, свидетельствуют об актуальности исследований течения жидкостей с фазовыми превращениями. Перечень вопросов, подлежащих рассмотрению, здесь чрезвычайно обширен и включает следующие направления: исследование условий и механизма зарождения паровой фазы в капельной жидкости; определение достижимых перегревов жидкости при различных способах проникновения в метастабильную область состояний; '*"'>' - исследование режимов течения и структуры гетерофазных потоков, устойчивости движения; - разработка методов и средств диагностики гетерофазных потоков.
В экспериментальном плане наиболее полно изучено критическое истечение воды через цилиндрические каналы с острой входной кромкой и диафрагмы. Результаты исследований однозначно свидетельствуют о том, что критический расход увеличивается по мере уменьшения относительной длины каналов. Для определения пропускной способности каналов, коэффициентов гидравлического сопротивления и прочих характеристик двухфазного потока в литературе [3,6-7,10-11,28-29,57,64,74] предлагаются обобщающие зависимости и различные расчетные схемы, удовлетворительно описывающие результаты опытных исследований течения вскипающей жидкости в цилиндрических каналах.
В гораздо меньшей степени изучено течение вскипающих жидкостей в каналах переменного сечения. Сравнение опытов различных авторов (v, [71,75-76], свидетельствует о существенном влиянии угла раствора сопла, длины горловой вставки, длины диффузора на характеристики двухфазного потока в соплах Лаваля. Однако имеющегося в настоящее
11 время экспериментального материала недостаточно для получения количественной информации о влиянии геометрических факторов на параметры, структуру и режимы течения высоковлажных двухфазных сред.
Теоретические методы определения параметров двухфазных потоков базируются на различных по строгости допущений моделях: модели гомогенного равновесного потока; модели гомогенного метастабильного потока; модели термически равновесного потока со скольжением фаз; модели неравновесного потока с различными вариантами механизмов зарождения паровой фазы и межфазного взаимодействия [2,3,5,7,10,11,28,29,63]. При этом большая часть численных методов ставит своей целью определение критического расхода парожидкостной среды. И с этой задачей предлагаемые численные методы в основном справляются, если рассматривается двухфазный поток с начальным паросодержанием отличным от нуля. В случае анализа движения среды, начальное состояние которой соответствует капельной жидкости, многие расчетные схемы приводят к результатам, существенно отличающимся от опытных данных. Расхождение результатов расчетов с опытными данными обусловлено несовершенством моделей течения и, в первую очередь, игнорированием реальной структуры двухфазного потока, как отмечается в [6,28-29]. Структура потока, в свою очередь, определяется реальным механизмом зарождения паровой фазы в потоке жидкости, перегревами жидкости (метастабильностью процесса), межфазными взаимодействиями в потоке, режимом течения.
Следует отметить, что проведение обширных исследований течений вскипающих жидкостей сопряжено с рядом технических проблем и существенными материальными затратами, т.к. поддержание стационарного расхода предполагает наличие определенного запаса рабочего тела с заданным теплосодержанием. Например, для поддержания расхода наиболее дешевого рабочего тела воды, в случае истечения через
12сопло Лаваля с диаметром горла 10 мм в диапазоне давлений 0.2 -1.0 МПа, требуется мощность 2-8 МВт. Ограничения по энергоресурсам и 41-' располагаемым запасам .рабочих тел вынуждают, в подавляющем большинстве случаев, проводить исследования течения высоковлажных двухфазных сред в каналах с малым проходным сечением и микросоплах. Известно только несколько работ, в которых проходные сечения каналов соизмеримы с натурными [62,65].
Цель работы - исследование характеристик и структуры двухфазного потока, образующегося в процессе адиабатного течения вскипающей воды в каналах различной формы, определение влияния начальных параметров потока и геометрии каналов на импульс тяги, критический расход и t"' структуру двухфазного потока. На основе выполненных исследований, провести расчет параметров двухфазного потока.
Научная новизна работы:
Разработан оригинальный экспериментальный стенд для исследования структуры и характеристик двухфазного потока.
В результате исследований впервые получена детальная информация о структуре потока, импульсе тяги, критическом расходе и д термической неравновесности процесса.
3. Предложены обобщающие зависимости для определения импульса тяги и критического расхода в процессах адиабатного расширения жидкости.
4. Предложена методика расчета параметров потока в каналах переменного сечения, учитывающая термическую неравновесность процесса, і*/ Практическая ценность и реализация. Основные результаты работы были использованы при выполнении программы Министерства образования: "Научные -исследования высшей школы в области
13 транспорта", межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования РФ и Министерства обороны РФ, грантов для аспирантов ч'- высших учебных заведений Министерства Образования РФ (АОЗ-3.14-322,
А04-3.14-317), а также могут быть использованы для решения различных задач: определение импульса гидрореактивного двигателя, пропускной способности различных элементов гидравлических трактов, режимов течения, структуры потока и термической неравновесности процесса истечения вскипающей жидкости.
Личный вклад автора в работу. Автором разработан экспериментальный стенд, проведены эксперименты, расчеты, обработаны и проанализированы полученные данные, выполнено обобщение полученных результатов, разработана методика расчета параметров '^' двухфазного потока.
Диссертация состоит из четырех глав.
В первой главе приводится обзор современного состояния вопроса по условиям и механизму зарождения паровой фазы в жидкости, моделям течения и исследованиям параметров двухфазных потоков, формулируются задачи исследования. д Во второй главе дано описание экспериментального стенда, методики измерения характеристик потока, приводится оценка погрешностей измерений.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований характеристик и структуры двухфазных потоков, образующихся при течении вскипающей воды в соплах и каналах. Проведен анализ влияния режимных параметров и геометрии каналов на импульс тяги и критический расход. (**1 В четвертой главе предложены обобщающие зависимости для определения импульса тяги и критического расхода двухфазного потока, образующегося при течении вскипающей жидкости в соплах Лаваля и
14 цилиндрических каналах, предложена модель течения вскипающей жидкости и рассчитаны параметры двухфазного потока для случая истечения воды из сопел Лаваля. Проведено сравнение полученных зависимостей с экспериментальными данными. Предложена методика косвенного определения параметров потока и проведен расчет паросодержания, скорости и температуры по тракту сопла Лаваля.
Диссертация выполнена на кафедре теоретических основ теплотехники Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева (КАИ) в период с 2002г. по 2005г. под научным руководством Заслуженного деятеля науки РФ, Заслуженного деятеля науки и техники Республики Татарстан, доктора технических наук, профессора Гортышова Юрия Федоровича. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю за постоянную помощь и консультации при выполнении работы.
Автор искренне признателен научному консультанту кандидату технических наук, доценту Тонконогу Владимиру Григорьевичу за помощь и ценные консультации при выполнении работы.
Следует также поблагодарить всех сотрудников кафедры теоретических основ теплотехники за помощь при проектировании и изготовлении экспериментального стенда, а также консультации при обработке полученных экспериментальных данных.
Аналитические методы расчета характеристик двухфазных потоков
В экспериментальном плане наиболее полно изучено критическое истечение воды через цилиндрические каналы с острой входной кромкой и диафрагмы. Результаты исследований однозначно свидетельствуют о том, что критический расход увеличивается по мере уменьшения относительной длины каналов. Для определения пропускной способности каналов, коэффициентов гидравлического сопротивления и прочих характеристик двухфазного потока в литературе [3,6-7,10-11,28-29,57,64,74] предлагаются обобщающие зависимости и различные расчетные схемы, удовлетворительно описывающие результаты опытных исследований течения вскипающей жидкости в цилиндрических каналах.
В гораздо меньшей степени изучено течение вскипающих жидкостей в каналах переменного сечения. Сравнение опытов различных авторов (v, [71,75-76], свидетельствует о существенном влиянии угла раствора сопла, длины горловой вставки, длины диффузора на характеристики двухфазного потока в соплах Лаваля. Однако имеющегося в настоящее время экспериментального материала недостаточно для получения количественной информации о влиянии геометрических факторов на параметры, структуру и режимы течения высоковлажных двухфазных сред.
Теоретические методы определения параметров двухфазных потоков базируются на различных по строгости допущений моделях: модели гомогенного равновесного потока; модели гомогенного метастабильного потока; модели термически равновесного потока со скольжением фаз; модели неравновесного потока с различными вариантами механизмов зарождения паровой фазы и межфазного взаимодействия [2,3,5,7,10,11,28,29,63]. При этом большая часть численных методов ставит своей целью определение критического расхода парожидкостной среды. И с этой задачей предлагаемые численные методы в основном справляются, если рассматривается двухфазный поток с начальным паросодержанием отличным от нуля. В случае анализа движения среды, начальное состояние которой соответствует капельной жидкости, многие расчетные схемы приводят к результатам, существенно отличающимся от опытных данных. Расхождение результатов расчетов с опытными данными обусловлено несовершенством моделей течения и, в первую очередь, игнорированием реальной структуры двухфазного потока, как отмечается в [6,28-29]. Структура потока, в свою очередь, определяется реальным механизмом зарождения паровой фазы в потоке жидкости, перегревами жидкости (метастабильностью процесса), межфазными взаимодействиями в потоке, режимом течения.
Следует отметить, что проведение обширных исследований течений вскипающих жидкостей сопряжено с рядом технических проблем и существенными материальными затратами, т.к. поддержание стационарного расхода предполагает наличие определенного запаса рабочего тела с заданным теплосодержанием. Например, для поддержания расхода наиболее дешевого рабочего тела воды, в случае истечения через сопло Лаваля с диаметром горла 10 мм в диапазоне давлений 0.2 -1.0 МПа, требуется мощность 2-8 МВт. Ограничения по энергоресурсам и 41- располагаемым запасам .рабочих тел вынуждают, в подавляющем большинстве случаев, проводить исследования течения высоковлажных двухфазных сред в каналах с малым проходным сечением и микросоплах. Известно только несколько работ, в которых проходные сечения каналов соизмеримы с натурными [62,65].
Цель работы - исследование характеристик и структуры двухфазного потока, образующегося в процессе адиабатного течения вскипающей воды в каналах различной формы, определение влияния начальных параметров потока и геометрии каналов на импульс тяги, критический расход и t" структуру двухфазного потока. На основе выполненных исследований, провести расчет параметров двухфазного потока. Научная новизна работы: 1. Разработан оригинальный экспериментальный стенд для исследования структуры и характеристик двухфазного потока. 2. В результате исследований впервые получена детальная информация о структуре потока, импульсе тяги, критическом расходе и д термической неравновесности процесса. 3. Предложены обобщающие зависимости для определения импульса тяги и критического расхода в процессах адиабатного расширения жидкости. 4. Предложена методика расчета параметров потока в каналах переменного сечения, учитывающая термическую неравновесность процесса, і / Практическая ценность и реализация. Основные результаты работы были использованы при выполнении программы Министерства образования: "Научные -исследования высшей школы в области транспорта", межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования РФ и Министерства обороны РФ, грантов для аспирантов ч - высших учебных заведений Министерства Образования РФ (АОЗ-3.14-322, А04-3.14-317), а также могут быть использованы для решения различных задач: определение импульса гидрореактивного двигателя, пропускной способности различных элементов гидравлических трактов, режимов течения, структуры потока и термической неравновесности процесса истечения вскипающей жидкости.
Методика проведения эксперимента
Измерительный комплекс включает в себя аппаратную часть и программную часть. Аппаратная часть преобразует выходной сигнал датчиков в унифицированный сигнал для передачи в ПЭВМ. Она рассчитана на подключение различных датчиков, преобразующих входящую величину в частотный, токовый или аналоговый сигнал. Программная часть выполняет функцию управления измерительными устройствами и математической обработки поступающей информации. Комплекс может работать в двух режимах:
1) Тестовый режим. В нем производится градуировка всех датчиков и оценка соответствия точности измерения величин расчетным значениям. Датчики, выдающие на ПЭВМ сигнал, последовательно загружаются по параметрам условий работы, на всем диапазоне по стандартным оттарированным приборам. Сигналы с датчиков и показания приборов сводятся в тестовые таблицы для соответствия измеренных величин, которые затем хранятся в памяти ПЭВМ.
2) Рабочий режим. В нем реализуется заданный алгоритм опроса датчиков, обеспечивающий максимальную достоверность полученных результатов. Сигналы, полученные от датчиков, преобразуются в величины, используемые в дальнейшем.
Перед началом работы стенда в бак заправлялось определенное (известное) количество жидкости. Далее жидкость нагревалась. Температура жидкости контролировалась с помощью термопар, а давление с помощью образцового манометра.
По достижению заданных параметров электрический нагреватель переводился в режим поддержания постоянной температуры, и включалась программа автоматизации эксперимента, регистрирующая во времени температуру жидкости на входе в рабочий участок, давления по тракту исследуемого канапа, импульс реактивной тяги и объемный расход. После і чего открывался электрический клапан, и происходило истечение исследуемой жидкости в атмосферу. Регистрация изменения давления, температуры, силы тяги и объемного расхода в течение опыта была непрерывной. Полученный массив данных представлял собой картину изменения соответствующих параметров во времени. Масштаб времени устанавливался путем задания в программе количества обращений системы к датчикам.
В ходе эксперимента также проводилась фото- и терморегистрация структуры потока за срезом экспериментального участка. По окончании процесса истечения все электрическое оборудование обесточивалось, и 4 закрывалась запорная арматура стенда. В экспериментах измерялись: расход вскипающей воды, параметры потока Р0 и Т0, импульс тяги, создаваемый при истечении струи, а также проводилась фоторегистрация потока, за срезом канала.
Продолжительность одного режима в опытах с Н20 зависела от начальных параметров воды и составляла 60 280 с.
Полученные в электронном виде данные обрабатывались с помощью прикладных программ, выявлялся диапазон изменения параметров, их максимальные, средние и минимальные значения.
В экспериментах производилось измерение среднего массового и t - объемного расходов. Средний массовый расход жидкости через рабочий участок определялся весовым способом (по разнице залитой и оставшейся массе . воды в баке и времени истечения, определяемом электронным секундомером). Абсолютные погрешности измерения массы ДМ=5 гр., измерения времени Ат=0,2 с. М0-М G«= —-І (2-І) где Мо масса залитой в бак воды, М - масса воды, оставшейся в баке после срабатывания отсечного клапана.
Регистрация объемного расхода через экспериментальные участки производилась с помощью турбинного датчика расхода ТДР. Расстояние между ТДР и ближайшим гидравлическим сопротивлением превышало 12 ть калибров. В экспериментальном стенде использовался датчик ТДР7-1-1.
Датчик расхода перед опытами тарировался на воде. В тарировочных опытах вода проходила через гидравлический тракт стенда и сливалась в контрольную емкость, объемом 0,1 м . Результаты тарировки представлены на рис.2.3. Время заполнения контрольной емкости измерялось секундомером.-Абсолютная погрешность измерения времени составляла Дт=0,2 с. Частота вращения турбинного датчика расхода , измерялась электронным мультиметром В7-68, с классом точности 0,05. По результатам тарировок для определения объемного расхода было получено уравнение:
Механизм зарождения паровой фазы
Совместный анализ фотографий двухфазного потока с результатами измерения статического давления (см. п.3.2) показал, что жидкость перед фронтом испарения находится в перегретом состоянии. Однако перегревы, имевшие место в той части потока, где наблюдалось первоначальное появление паровой фазы, были много меньше предельных перегревов, при которых возможно флуктуационное образование зародышей новой фазы, см. уравнение (1.5). Следовательно, первоначальное зарождение паровой фазы проходит на "готовых" центрах (растворенный газ, твердые частицы, адсорбирующие газ, гидрофобные включения и т.д.).
Растворенный газ практически всегда присутствует в "технических" жидкостях. Так как в наших экспериментах использовалась не деаэрированная дистиллированная вода, то она содержала растворенный газ. Однако против вероятности существования газовых пузырьков в объеме жидкости можно возразить следующее. Крупные пузырьки не могут существовать длительное время в объеме жидкости, так как они будут всплывать к поверхности раздела фаз. Кроме этого, все газовые пузырьки и особенно мелкие будут исчезать вследствие диффузионного растворения, так как давление в газовом пузырьке будет больше давления в жидкости на величину 2a/R. Следовательно, растворенный в жидкости газ не должен оказывать заметного влияния на формирование центров испарения. Аналогичные выводы получены в экспериментах [80-82] и работах Скрипова В.П., Виноградова В.Е. и Синицына Е.Н. Также кавитационные пузырьки,- образующиеся при обтекании жидкостью различных шероховатостей и неровностей на стенке канала, турбулентные вихри и прочие факторы, облегчающие образование центров испарения, не исключает возможности образования зародышей паровой фазы вследствие термодинамических флуктуации плотности.
Следовательно, в зависимости от параметров процесса и геометрии канала определяющее влияние на процесс парообразования могут оказывать различные факторы. Так, при больших недогревах и малых значениях приведенной температуры т 0,9 имеет место ярко выраженная кавитация, сопровождающаяся характерным шумом, отрывными течениями. С уменьшением недогрева и ростом начальной температуры жидкости все в большей мере проявляется объемный механизм закипания жидкости как на готовых центрах, так и вследствие спонтанного парообразования.
В опытах, в зависимости от начальных параметров, реализовывались расчетный и нерасчетный режимы течения. Под расчетным следует понимать такой режим течения, при котором давление на срезе канала равняется давлению окружающей среды. Наглядной иллюстрацией влияния геометрических параметров на режим и структуру течения за срезом сопла Лаваля является рис.3.6. С увеличением степени расширения поток успевает расширится, до давления равного давлению окружающей среды в пределах сопла и за срезом практически повторяет угол раствора.
Влияние угла раствора расширяющейся части сопла Лаваля на поведение кривых распределения статического давления показано на рисунках 3.7-3.8. Из них видно, что если в области горла сопла с увеличением угла раствора градиент давления по абсолютной величине возрастает, то в расширяющейся части наблюдается обратная картина. Для сопел с большими углами раствора в расширяющейся части сопла устанавливается градиент давления, по абсолютной величине меньший, чем для сопел с малыми углами раскрытия. Аналогичная картина течения наблюдается и в плоских соплах (рис.3.9) с той лишь разницей, что отрыв потока наблюдается при больших углах раствора, чем в осесимметричных соплах.
На рис.3.10 представлены кривые распределения давления по всей длине сопла №2. Как видно из графика поток до горла сопла находится в капельном состоянии, а вскипание начинается лишь в области минимального сечения. Далее в дифузорной части сопла поток начинает интенсивно расширяться, давление по тракту канала падает, а скорость растет, что свидетельствует о высоком пар о содержании. Полученные результаты подтверждают фоторегистрацией структуры потока в плоском сопле, представленной в предыдущем параграфе. Кривые распределения давления для случая истечения воды с параметрами на входе, близкими к параметрам насыщения (недогрев воды не привышает четырех градусов), представлены на рис. З.Ц. В области горла сопла Лаваля наблюдается большие отрицательные градиенты давления, с увеличением давления в потоке на входе в канал увеличиваются и градиенты давлений. В расширяющейся части сопла устанавливается практически постоянный отрицательный градиент давления по абсолютной величине много меньший, чем в области горла. Стоит отметить, что при увеличении Р0 с 0,7 МПа до 3,8 МПа, Рср возросло всего на 0,04 МПа (рис. ЗЛ2), из чего можно сделать вывод, что основное влияние на режим течения будет оказывать геометрический параметр связанный с отношением площадей канала. Таким параметром может служить степень расширения. Как иллюстрацию всего вышесказанного стоит рассмотреть рис.3.13. Из него следует, что основное влияние на режим течения оказывает степень расширения канала. При одном и том же начальном давлении увеличением степени расширения можно добиться приближения параметров на срезе сопла к расчетным.
Обощение экспериментальных данных по расходу вскипающей жидкости через цилиндрические каналы
На рис.3,20 показано влияние угла раскрытия расширяющейся части сопла на удельный импульс тяги. Следует отметить, что сравнивались каналы с одинаковыми степенями расширения.
В результате анализа имеющейся на данный момент информации по тяговым характеристикам сопел можно сделать вывод о том, что с увеличением угла раскрытия происходит рост импульса тяги [137,141]. Это связано с тем, что в стесненных" условиях (каналы с малым углом раскрытия, сс 10 ) поток не успевает достаточно расширится в пределах канала и поэтому жидкая фаза находится в метастабильном состоянии. По мере увеличения угла раскрытия происходит срабатывание перепада давления, термический перегрев падает, что приводит к более полному испарению жидкой фазы в пределах канала. Максимальный импульс тяги был получен на сопле с а=12. Дальнейшее увеличение угла приводит к снижению импульса. Это связано с тем, что в каналах с большим углом раствора реализуются отрывные течения. Аналогичные результаты получены в работах [88-90],
На рис.3.21. показана зависимость удельного расхода от угла раскрытия расширяющейся части сопла. Увеличение угла раскрытия, при прочих равных условиях, приводит к возрастанию удельного расхода. Из графика видно, что существует предельное значение а, больше которого угол раскрытия сопла, практически, не влияет на величину удельного критического расхода. По данным [75-76] значения этого угла колеблется от 6 до 9.
Стоит отметить, что влияние а проявляется по разному при истечении насыщенной и недогретой жидкости. Как следует из анализа результатов, полученных в [73,78], по мере увеличения начального недогрева жидкости V до температуры насыщения, расходные характеристики сопел с разными а сближаются. И в случае истечения сильно недогретой жидкости можно не учитывать зависимость удельного критического расхода от угла раскрытия сопла. 3.3,2. Влияние длины расширяющейся части сопла. По мере увеличения длины сопла, при прочих равных условиях, происходит уменьшение расхода. Аналогичное влияние длины канала на V расходные характеристики имеет место и в цилиндрических каналах. Однако, в отличие от цилиндрических каналов, где по данным [61,63-65] существенное влияние длины сказывается вплоть до нескольких десятков калибров, в соплах Лаваля интенсивное снижение массовой скорости с увеличением 1 имело место только в коротких каналах (l/d 3). Дальнейшее увеличение длины диффузора приводит к незначительному снижению расхода (соизмеримого с погрешностью измерения расхода в экспериментах) [145]. Причина этого кроется в том, что в исследованном диапазоне параметров на расстоянии 1=3dr от минимального сечения завершаются структурные преобразования (инверсия структуры потока). А поскольку с зоной инверсии структуры потока связана критическая область, то и воздействия на поток за пределами этой области практически не влияют на расход. Эти вывода подтверждаются как собственными экспериментами, так и данными других авторов [73,76,78,88-90]. Для сравнения результаты этих опытов приводятся на рис.3.22. Так по данным Бариловича В.А. и Иванова Б.Е. увеличение длины диффузора от I/d=17,5 до l/d=30 снижает значение удельного расхода всего лишь на 4%, что может быть соизмеримо с величиной погрешности измерения расхода.
Существенное влияние на импульс тяги оказывает длина расширяющейся части сопла. С ее увеличением происходит рост импульса тяги (рис.3.23) [138]. Очевидно, причиной этого является то, что при увеличении 1 растет и время пребывания потока в канале, что в свою очередь, снижает неравновесность процесса истечения, и как следствие это приводит к возрастанию W. Одновременно происходит снижение расхода из-за потерь на прохождение и т.д. Но снижение J продолжается, как показано выше, до l/d 3. При дальнейшем же увеличении длины расширяющейся части сопла расход практически не меняется, а скорость продолжает расти за счет того, что в длинном канале практически полностью успевает завершиться фазовый переход. Иначе говоря, с увеличением длины канала растет удельная тяга.
