Введение к работе
Актуальность работы. Многие виды космических полезных нагрузок следующего поколения рассчитаны на применение многоразовой космической транспортной системы. Системы терморегулирования (СТР) таких аппаратов обеспечивают заданный уровень температуры в условиях значительных внешних тепловых воздействий по сравнению с нормами для предыдущих космических аппаратов (КА). Следует отметить, что величина отводимой тепловой мощности КА имеет тенденцию к существенному возрастанию за счет резкого увеличения их энерговооруженности. Так, до конца 2010 года прогнозируется увеличение снимаемой тепловой мощности более чем на два порядка при одновременном возрастании основных требований к СТР по точности поддержания температуры в отсеках КА, ресурсу непрерывной работы (более 10 лет) и экономичности энергопотребления с минимизаций массы.
Требования к оборудованию современных космических аппаратов вызывают необходимость поиска более гибких, мощных и надежных систем терморегулирования. Высокие тепловые нагрузки, большие расстояния теплопередачи, сложные задачи обслуживания, автономное регулирование являются основными требованиями, предъявляемыми к современным КА.
В связи с возрастанием мощностей отводимой тепловой энергии в КА, необходимо дальнейшее улучшение технических характеристик СТР на основе более эффективных способов теплообмена, основанных на теплоте фазового перехода (испарения), что позволит получить значительный массо-энергетический выигрыш по сравнению с обычными СТР, использующими только теллоёмкостный механизм.
Несмотря на преимущества, двухфазные СТР начинают разрабатывать только сейчас. Это связано с недостаточной на сегодня экспериментальной базой по работе элементов таких систем и системы в целом в условиях длительной невесомости, так как процессы испарения, конденсации, движения двухфазной среды по магистралям в условиях невесомости до конца не исследованы. И это сдерживает внедрение двухфазных систем на реальных КА.
Работы в различных организациях (РКК «Энергия», Исследовательский центр им. М.В. Келдытпа и др.) по созданию СТР на основе двухфазного контура привели к необходимости разработки новых функциональных элементов, одним из которых является фазоразделитель, обеспечивающий сепарацию и отвод паровой фазы в радиационный теплообменник (конденсатор).
Существующие в настоящее время методики расчёта двухфазных сред, используемые в промышленности, недостаточно полно учитывают особенности взаимодействия фаз между собой и со стенками камеры, а также процессы разделения газожидкостных сред в условиях космического пространства, а полученные количественные зависимости, характеризующие процесс фазоразде-ления в тепло- массообменных аппаратах на конкретных конструкциях не могут быть использованы в условиях автономной работы КА
РОС и Н\ЛЬНАЯ
Ь' 3 fFKA
( ч , -,>.'>рг
?00 t>K
Учитывая изложенное, следует подчеркнуть, что создание и разработка более совершенных методов расчёта и проектирования систем фазоразделения энергоустановок, является актуальной и практически значимой научно-технической задачей, что требует для своего решения дополнительных исследований течения двухфазного потока в камере фазоразделителя.
Цель работы. Разработка и исследование фазоразделителей двухфазных систем энергоустановок летательных аппаратов (ЛА).
В соответствие с поставленной целью работа содержит:
результаты экспериментальных и расчётно-теоретических исследований гидрогазодинамических и геометрических параметров однофазного и фазоразде-лённого закрученных потоков в камере фазоразделителя;
математические модели и методики расчёта течения однофазного и фазораз-делённого закрученных потоков в камере фазоразделителя;
методику, алгоритм и программу расчёта основных геометрических и режимных параметров газожидкостного фазоразделителя;
рекомендации по оптимальному проектированию основных параметров конструкции фазоразделителя перспективных двухфазных энергетических контуров КА.
Научная новизна. Основные результаты экспериментальных и теоретических исследований являются новыми:
- впервые выполнено преобразование уравнений импульсов пространственного
пограничного слоя (ППС) для граничных условий потока, закрученного по за
кону «свободного вихря» и получены аналитические выражения для опенки
толщины потери импульса и напряжения трения на стенке камеры фазоразде
лителя;
разработанная математическая модель закрученного двухфазного потока, учнтьгоающая влияние окружной и осевой составляющей скорости на толщину потери импульса и напряжения трения на стенке камеры фазоразделителя показана впервые;
разработан алгоритм и программа расчёта, позволяющие оптимизировать конструктивные параметры фазоразделителя в условиях, обеспечивающих устойчивое фазоразделение и заданный диапазон изменения расхода и давления с учётом влияния физических свойств рабочей жидкости и паровой фазы на процесс фазоразделения;
получены новые экспериментальные данные, определяющие область устойчивого фазоразделения в диапазоне изменения основных геометрических и режимных параметров фазоразделителя.
Практическая ценность. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны алгоритм и программное обеспечение по расчёту и проектированию камеры фазоразделителя энергоустановок летательных аппаратов (JIA), позволяющее оценить длину устойчивого фазоразделения, рассчитывать энергетические характеристики закрученного фазоразделётгого потока и проводить оптимизацию геометрических параметров камеры фазоразделш е-ля с моделированием энергетических характеристик потока в диапазоне изме-
нения режимных параметров. Разработана конструкция и проведены исследования опытного образца фазоразделителя.
На защиту выносятся: 1. Математические модели закрученных однофазного и фазоразделённого потоков, учитывающие вырождение закрутки по длине, взаимодействие жидкой и газовой фазы и определяющие область устойчивого фазоразделения в диапазоне изменения геометрических и режимных параметров. 2 Расчётные зависимости для определения толщины потери импульса и напряжения трения, полученные в результате преобразования уравнения импульсов ППС для граничных условий потока, закрученного по закону «свободного вихря».
-
Алгоритм и программа расчёта, позволяющая оптимизировать конструктивные параметры фазоразделителя в условиях, обеспечивающих устойчивое фазоразделение и заданный диапазон изменения расхода и давления с учётом влияния физических свойств рабочей жидкости и паровой фазы на процесс фазоразделения;
-
Результаты экспериментальных и теоретических исследований фазоразделённого закрученного потока.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, методика и программа расчёта камеры пассивного фазоразделителя использованы в разработках ОАО «Корпорация «Компомаш» при выполнении опытно-конструкторских работ и в учебном процессе Сибирского государственного аэрокосмического университета им. ак М.Ф. Решетнё-ва. Программное обеспечение зарегистрировано в РОСПАТЕНТЕ (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2002611793 от 18 октября 2002 года).
Актуальность проблемы создания ДФ СТР показал межотраслевой научно-технический семинар «Системы терморегулирования с двухфазным теплоносителем для космических аппаратов» с участием ЦНИИМАШ, РКК «Энергия», НПО Прикладной механики, НПО им. С.А. Лавочкина, НИИ ХИММАІІІ, НПО ГИПХ, МАИ, МГТУ им. Баумана, МЭИ и другие.
Исследования проводились в соответствии с тематикой НИР, являющейся составной частью ряда научно-исследовательских работ.
Значительная часть исследований проводилась в рамках работ поддержанных программами Минобразования РФ:
Научно-техническая программа «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и іехники» «Научные исследования высшей школы в области транспорта» - 205. Раздел: «Транспортные ракетно-космические системы». Проект: «Комплексное исследование, моделирование и разработка современных систем подачи двигателей малых тяг», 1999-2001 гг.
«Математическое моделирование гидрогазодинамических процессов автономных энергетических систем космических летательных аппаратов» - работа по тематическому плану фундаментальных и поисковых НИР и единого заказ-наряда Минообразования РФ, 2002-2004 гт.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись на следующих конференциях:
Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов «Решетнёвские чтения», Красноярск, СибГАУ, 1999-2001 гг.;
Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов», Красноярск, 2000-2001 гг.;
Всероссийская научно-техническая конференция «Перспективные материалы, технологии, конструкции», Красноярск, КГАЦМиЗ, 2000-2003 гг.;
Всероссийская молодежная научная конференция «VT Королёвские чтения», Самара, 2001 г.;
XXI Российская школа по проблемам проектирования неоднородных конструкций, Миасс, 2001 г.;
Международная научно-практическая конференция «САКС-2002», Красноярск, СибГАУ, 2002 г;
Всероссийской научная конференция молодых учёных, Новосибирск, НГТУ, 2003 г.
Личное участие. Все основные научные результаты получены лично автором Результаты совместных исследований снабжены ссылками на соответствующие источники.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, в том числе 7 статей Программное обеспечение зарегистрировано в РОСПАТЕНТЕ (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002611793 от 18 октября 2002 года).
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и выводов Объём работы 145 стр , в том числе 52 рисунка, 6 таблиц. Список используемой литературы включает 94 источника
