Расчет истечения охладителя из теплонапряженных каналов
Изложены основы методики истечения двухфазного теплоносителя из дренированных каналов теплообменников, конструкция которых нагревается до температур, превышающих температуру кипения теплоносителя. Методика учитывает агрегатное состояние теплоносителя и конфигурацию отверстия дренажа для случая возни...
Збережено в:
| Дата: | 2016 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2016
|
| Назва видання: | Техническая механика |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116678 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Расчет истечения охладителя из теплонапряженных каналов / Е.Л. Токарева // Техническая механика. — 2016. — № 2. — С. 44-54. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-116678 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1166782017-05-13T03:02:51Z Расчет истечения охладителя из теплонапряженных каналов Токарева, Е.Л. Изложены основы методики истечения двухфазного теплоносителя из дренированных каналов теплообменников, конструкция которых нагревается до температур, превышающих температуру кипения теплоносителя. Методика учитывает агрегатное состояние теплоносителя и конфигурацию отверстия дренажа для случая возникновения аварийных дренажных отверстий. Расчет параметров, характеризующих форму отверстия дренажа, производится по полученным аналитическим формулам, с высокой степенью точности аппроксимирующим табличные данные. Викладено основи методики витікання двухфазного теплоносія з дренованих каналів теплообмінників, конструкція яких нагрівається до температур, які перевищують температуру кипіння теплоносія. Методика враховує агрегатний стан теплоносія і конфігурацію отвору дренажу для випадку виникнення аварійних дренажних отворів. Розрахунок параметрів, що характеризують форму отвору дренажу, проводиться за отриманими аналітичними формулами, які з високим ступенем точності апроксимують табличні дані. The fundamentals of a procedure for a discharge of a two-phase heat carrier from the drain channels of heat exchangers that heat up to the temperatures exceeding the boiling point of the heat carrier are presented. The procedure considers a state of aggregation of the heat carrier and a configuration of the drain hole when damaging the drain holes. The parametric analysis determining the form of the drain hole is carried out by the analytical formula that approximate the tabular data with a high degree of accuracy. 2016 Article Расчет истечения охладителя из теплонапряженных каналов / Е.Л. Токарева // Техническая механика. — 2016. — № 2. — С. 44-54. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116678 533.6:629.7 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Изложены основы методики истечения двухфазного теплоносителя из дренированных каналов теплообменников, конструкция которых нагревается до температур, превышающих температуру кипения теплоносителя. Методика учитывает агрегатное состояние теплоносителя и конфигурацию отверстия дренажа для случая возникновения аварийных дренажных отверстий. Расчет параметров, характеризующих форму отверстия дренажа, производится по полученным аналитическим формулам, с высокой степенью точности аппроксимирующим табличные данные. |
| format |
Article |
| author |
Токарева, Е.Л. |
| spellingShingle |
Токарева, Е.Л. Расчет истечения охладителя из теплонапряженных каналов Техническая механика |
| author_facet |
Токарева, Е.Л. |
| author_sort |
Токарева, Е.Л. |
| title |
Расчет истечения охладителя из теплонапряженных каналов |
| title_short |
Расчет истечения охладителя из теплонапряженных каналов |
| title_full |
Расчет истечения охладителя из теплонапряженных каналов |
| title_fullStr |
Расчет истечения охладителя из теплонапряженных каналов |
| title_full_unstemmed |
Расчет истечения охладителя из теплонапряженных каналов |
| title_sort |
расчет истечения охладителя из теплонапряженных каналов |
| publisher |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| publishDate |
2016 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116678 |
| citation_txt |
Расчет истечения охладителя из теплонапряженных каналов / Е.Л. Токарева // Техническая механика. — 2016. — № 2. — С. 44-54. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| series |
Техническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT tokarevael rasčetistečeniâohladitelâizteplonaprâžennyhkanalov |
| first_indexed |
2025-07-08T10:48:59Z |
| last_indexed |
2025-07-08T10:48:59Z |
| _version_ |
1837075519235948544 |
| fulltext |
44
УДК 533.6:629.7
Е. Л. ТОКАРЕВА
РАСЧЕТ ИСТЕЧЕНИЯ ОХЛАДИТЕЛЯ ИЗ
ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ КАНАЛОВ
Изложены основы методики истечения двухфазного теплоносителя из дренированных каналов теп-
лообменников, конструкция которых нагревается до температур, превышающих температуру кипения
теплоносителя. Методика учитывает агрегатное состояние теплоносителя и конфигурацию отверстия дре-
нажа для случая возникновения аварийных дренажных отверстий. Расчет параметров, характеризующих
форму отверстия дренажа, производится по полученным аналитическим формулам, с высокой степенью
точности аппроксимирующим табличные данные.
Методика использовалась при численном исследовании термогидродинамических параметров охла-
дителя при опорожнении теплонапряженных охлаждающих каналов конкретного жидкостного ракетного
двигателя. Полученные результаты показали, что методика качественно правильно отражает физические
процессы в отсеченной дренированной полости тракта окислителя после останова двигателя. Полученные
временные характеристики близки к измеренным в процессе летных испытаний моделируемого объекта.
Метод разбиения расчетной области и основные расчетные элементы, с помощью которых дискре-
тизируется моделируемый объект, позволяют моделировать любой теплообменник. Методика может быть
использована для расчетов истечения двухфазной жидкости в теплообменниках большого сегмента энер-
гоустановок разной степени сложности.
Викладено основи методики витікання двухфазного теплоносія з дренованих каналів теплообмін-
ників, конструкція яких нагрівається до температур, які перевищують температуру кипіння теплоносія.
Методика враховує агрегатний стан теплоносія і конфігурацію отвору дренажу для випадку виникнення
аварійних дренажних отворів. Розрахунок параметрів, що характеризують форму отвору дренажу, прово-
диться за отриманими аналітичними формулами, які з високим ступенем точності апроксимують табличні
дані.
Методика використовувалася при числовому дослідженні термогидродинамічних параметрів охо-
лоджувача під час спорожнення теплонапружених охолоджуючих каналів конкретного рідинного ракетно-
го двигуна. Отримані результати показали, що методика якісно правильно відображає фізичні процеси в
відтятій дренованій порожнині тракту окислювача після зупинки двигуна. Отримані часові характеристи-
ки близькі до виміряних в процесі льотних випробувань об'єкту, що моделюється.
Метод розбиття розрахункової області і основні розрахункові елементи, за допомогою яких дискре-
тизуєтся модельований об'єкт, дозволяють моделювати будь-який теплообмінник. Методика може бути
використана для розрахунків витікання двухфазной рідини в теплообмінниках великого сегмента енерго-
установок різного ступеня складності.
The fundamentals of a procedure for a discharge of a two-phase heat carrier from the drain channels of heat
exchangers that heat up to the temperatures exceeding the boiling point of the heat carrier are presented. The
procedure considers a state of aggregation of the heat carrier and a configuration of the drain hole when damaging
the drain holes. The parametric analysis determining the form of the drain hole is carried out by the analytical
formula that approximate the tabular data with a high degree of accuracy.
The procedure was used for a numerical study of the thermohydrodynamic parameters of the cooler while
draining the heat-stressed cooling channels of the specific liquid-rocket engine. The study results demonstrated
that the procedure reflects accurately the physic processes through a cut-off drain cavity of the oxidizer passage
with engine stopping. The time characteristics derived are close to the characteristics measured during the flight
tests of a simulated object.
The method of division of a computational domain and the major computational elements for digitizing a
simulated object can simulate any heat exchanger. The procedure can be used to compute the discharge of a two-
phase fluid through heat exchangers for a wide range of the power plants with a various degree of complexity.
Ключевые слова: энергетические установки, истечение двухфазного
теплоносителя, численное моделирование.
Введение. При разработке современных энергетических установок ре-
шается задача повышения их мощности при одновременном уменьшении га-
баритов. Такой подход делает актуальными исследования тепломассообмен-
ных процессов в энергоустановках и повышает требования к точности иссле-
дуемых параметров для обеспечения надежности установки и стабильности
ее характеристик.
Для поддержания работоспособности энергоустановки требуется разра-
Е. Л. Токарева, 2016
Техн. механика. – 2016. – № 2.
45
ботка специальных средств, призванных уменьшать тепловые нагрузки на
нагреваемые до высоких температур элементы конструкции. Большой сег-
мент энергоустановок использует жидкость в качестве охладителя. Большин-
ство современных автомобилей имеют жидкостное охлаждение двигателя.
Некоторые суперкомпьютеры оснащаются жидкостными системами охла-
ждения. Применяемые в атомной энергетике и ракетостроении мощные энер-
гоустановки также эффективно охлаждаются жидкостью. В охлаждении
ядерных реакторов чаще всего используется жидкий теплоноситель (вода или
металл). В жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) тепловые нагрузки сни-
жаются охлаждением перегреваемых элементов конструкции компонентами
топлива. При номинальном режиме работы двигателя стенки камеры сгора-
ния (КС) ЖРД разогреваются до температур порядка 1000оС и, поэтому ис-
пользование двигателей многоразового запуска требует эффективной и мно-
гофункциональной схемы охлаждения. Схема системы охлаждения камеры
сгорания и сопла ЖРД показана на рис. 1.
Рис. 1
Как видно из схемы охлаждения, компоненты топлива, прежде чем по-
пасть в камеру сгорания, протекают по системе каналов, «обволакивающих»
нагреваемую оболочечную конструкцию камеры сгорания и сопла. Направ-
ления движения компонентов топлива в системе охлаждения на схеме пока-
заны стрелками. Стрелкой с буквой «Г» на схеме обозначено расположение
коллектора, по которому горючее растекается по трубкам, охлаждающим КС
и часть сопла двигателя; стрелкой с буквой «О» – коллектора, по которому
окислитель растекается по системе трубок, охлаждающих сопловой насадок.
Система охлаждения соплового насадка представляет собой множество (по-
рядка 250) попарно расположенных трубок прямого и обратного тока. По
трубкам прямого тока компонент движется к срезу сопла в направлении уве-
личения сечения сопла, по трубкам обратного тока – в обратном направле-
нии. Поперечное сечение охлаждающих каналов выполняют переменным по
длине сопла для создания переменной скорости охладителя в канале в соот-
ветствии с теплопритоком к огневой стенке камеры сгорания.
Сброс давления в дренированных охлаждающих каналах мощного теп-
лообменника приводит к последовательному вскипанию охладителя вдоль
охлаждающего тракта. В зависимости от расположения отверстия дренажа
истечение может происходить по-разному, и методика расчета истечения
должна учитывать различное агрегатное состояние охладителя и различные
режимы истечения.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B2%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D0%B1%D0%B8%D0%BB%D1%8C
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%83%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AF%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80_%D1%81_%D0%B6%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%BC_%D1%82%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BC
46
Нештатные ситуации, в зависимости от их причин и сложности теплооб-
менника, могут приводить к образованию отверстий различной конфигура-
ции в различных местах охлаждающей магистрали, при этом истекающий из
отверстий охладитель может быть качественно неоднородным. Примени-
тельно к ЖРД аварийная остановка двигателя может быть вызвана разгерме-
тезацией системы охлаждения КС ЖРД, при этом месторасположение ава-
рийного отверстия может быть самым разным, так же как и его форма и раз-
мер. Методика расчета истечения окислительного компонента топлива долж-
на учитывать попарное расположение охлаждающих каналов с прямым и об-
ратным током охладителя, что в случае нештатной ситуации может приво-
дить к одновременному истечению теплоносителя из расположенных рядом
участков трубок охлаждения, в которых компонент топлива имеет различные
параметры насыщения.
Моделирование истечения двухфазного компонента через отверстие.
В общем случае при перетекании потока из одного объема в другой через
отверстие в перегородке имеют место явления, показанные на рисунке 2 [1].
Рис. 2
Поток перетекает из канала 1, расположенного перед перегородкой А с
отверстием диаметром oD , в канал 2, расположенный за перегородкой. На
рис. 2 а показана схема перетекания потока через отверстие с тонкими края-
ми (отношение длины проточной части отверстия к его диаметру 0oDl / ).
На рис. 2 б показана схема перетекания потока через отверстие с утолщен-
ными краями. Рис. 2 в и рис. 2 г иллюстрируют картину перетекания потока
через отверстие с краями, срезанными по движению потока и закругленными
по потоку, соответственно. Размеры поперечных сечений обоих каналов мо-
гут быть большими или равными размеру сечения проходного отверстия.
Прохождение потока через отверстие сопровождается искривлением траек-
торий движения частиц, вследствие чего они по инерции продолжают свое
движение к оси отверстия. Это вызывает уменьшение первоначальной пло-
47
щади сечения струи 1F до площади cF (сечение с – с на рис. 2 а), меньшей
площади сечения отверстия oF . Начиная с сечения с – с траектории движу-
щихся частиц выпрямляются, и в дальнейшем имеет место обычное явление
внезапного расширения струи.
Коэффициент сопротивления перетеканию потока через отверстия в об-
щем случае вычисляется по формуле [1]
тр)/(/)/()/( 200
2
2010 1111 FFFFFFFF , (1)
где – коэффициент смягчения входа в отверстие, зависящий от формы его
входной кромки и определяемый по диаграммам [1]; 1F – площадь сечения
струи перед отверстием; 2F – площадь сечения расширенной струи за отвер-
стием; тр – коэффициент сопротивления трения по всей глубине отверстия
(в случае срезанных или закругленных по потоку краев отверстия принима-
ется 0тр .); τ – коэффициент, учитывающий форму отверстия и условия
протекания потока.
В зависимости от соотношения площадей 0F , 1F и 2F для различных
конструкций теплообменников возможно моделировать различные режимы
перетекания потока: внезапное расширение ( 1F = 0F ); внезапное сужение
( 2F = 0F ); вход с внезапным расширением (перетекание через решетку с
1F ); истечение из отверстия в неограниченное пространство ( 2F );
диафрагма ( 21 FF ); перетекание из одного большого объема в другой
( 21 FF ).
В программной реализации методики табличные зависимости коэффици-
ента от соотношения 0/ Dl и от угла конусности раструба α (рисунок 3),
как и все другие необходимые для расчетов табличные зависимости, аппрок-
симируются аналитическими формулами по специально разработанной мето-
дике [2].
Рис. 3
Если кромка отверстия закруглена с радиусом r, для коэффициента смяг-
чения получена аппроксимирующая зависимость
)./,exp(, 001550 Dr
48
Иные конфигурации отверстия аппроксимируются формулой
),,(, 2
111 0150
f
f
где 18011 / , α – угол конусности раструба в радианах,
.6,0/ 0,001 ïðè0
;6,0/ ïðè6,0//0,1
;12/)9(
);0,1(4,0
;131,7219,23087,191
;))1((
0
00
2
4
8
3
4
2
42
/)1(
2231
22
Dlt
DlDlt
tf
tf
fff
ffff ff
При 00100 ,/ Dl коэффициент = 0,5.
В формуле (1) коэффициент τ учитывает влияние толщины стенки, фор-
мы входной кромки отверстия и условий протекания потока через отверстие.
Для табличных зависимостей τ от соотношения 0/ Dl [1] получена аналити-
ческая формула. При 01500 ,/ Dl коэффициент τ вычисляется по формуле
),,,,,exp(, 5432 4718125066032989958144370351 aaaaa ,
где 0Dla / .
Для остальных случаев τ = 1,41.
Методика расчета различных режимов истечения теплоносителя через
отверстия различной конфигурации разработана для моделирования истече-
ния компонентов топлива из дренированных охлаждающих трактов ЖРД.
После останова ракетного двигателя закрываются/перекрываются клапа-
ны, регулирующие подачу топлива. При этом в системе охлаждающих тру-
бопроводов остаются отсеченные объемы компонентов топлива. Часть жид-
кого компонента из отсечных полостей вытекает в дренаж под действием пе-
репада давления и силового воздействия нагретых стенок тракта. Когда па-
дающее давление достигает величины давления насыщенных паров при тем-
пературе компонента, происходит его вскипание и далее компонент истекает
под действием давления насыщенных паров кипящей жидкости. По мере ис-
течения компонента и расширения его влажного пара снижается и давление
его насыщенных паров, что приводит к вскипанию новых его слоев.
На участке выпаривания компонента через отверстия в тонких стенках
охлаждающих каналов структура истекающего потока меняется в зависимо-
сти от температуры компонента Т в сечении отверстия. Различные структуры
потоков при разных температурах парожидкостной смеси через короткие
трубки показаны на рисунке 4 [3]. На рис. 4 а показана структура потока с
испарением с поверхности струи, такой режим истечения наблюдается, если
температура компонента T близка к его температуре насыщения ( насTT )
при определенном давлении. На рис. 4 б показана структура потока без испа-
рения T < насT . Рис. 4 в и рис. 4 г иллюстрируют структуру потока с испаре-
нием в ядре T >> насT и испарением с поверхности струи в случае, когда
температура компонента превышает температуру насыщения T > насT .
49
Рис. 4
Картина истечения вскипающего теплоносителя в дренажное отверстие
при опорожнении охлаждающих каналов ЖРД будет следующая. Поскольку
давление в месте сужения потока существенно ниже давления насыщения
теплоносителя, восстановления давления внутри трубки после сужения не
произойдет и поперечное сечение трубки будет заполнено паром. Испарение
происходит с поверхности жидкости. Так как давление продолжает падать, в
ядре струи вблизи выхода из трубки, очевидно, будет наблюдаться кипение,
приводящее к дросселированию потока (рис. 4 в).
В общем случае при выходе жидкости или газа из отверстия площадью
0F сечение струи на небольшом расстоянии от отверстия несколько сжима-
ется так, что 0FFc (рис. 2), где ε – коэффициент сжатия струи.
Коэффициент сжатия струи для несжимаемой жидкости определяется по
формуле [3]
.
)/(, /ж
116390
1
21
10
FF
(2)
Коэффициент сжатия струи для газовой фазы оценивается с помощью
уравнения [3]
,
)(
/
/
г
21
2
2
2
11
14
а
fрр
аа
к
кр
(3)
где )/(/ 2211 жжf ;
к
кркр рарра //)( 1
21 1 ;
);()/( /)(/ кк
кр
к
кр рркка 12
2 112
εж – коэффициент сжатия для несжимаемой жидкости;
Т Т
Т Т
50
р – давление;
ркр – критическое давление;
к – показатель адиабаты.
При вычислении расходов компонента через отверстие необходимо учи-
тывать его агрегатное состояние и режим истечения.
При расчете истечения жидкости или парожидкостной смеси компонента
через дренажное отверстие расход определяется по формуле
,
)(
/
2
10
10
110
1
1
2
FF
pp
pFG
где ρ1 – плотность компонента в охлаждающем канале; р1 – давление внутри
охлаждающего тракта; р0 – давление в среде, в которую происходит истече-
ние; – коэффициент расхода через отверстие (при 10 FF величина
/1 ); φ – коэффициент скорости, при турбулентном режиме истечения
φ ~ 1 [1].
При истечении пара под высоким давлением необходимо учитывать его
сжимаемость, поскольку при этом резко изменяется его объем. Без учета по-
терь массовый расход компонента через дренажное отверстие можно опреде-
лить по формуле Сен-Венана–Венцеля
kkk
p
p
p
p
p
k
k
FG
/)1(
1
0
/2
1
0
110
1
2
. (4)
При уменьшении 10 pp / скорость истечения компонента возрастает до
тех пор, пока это отношение давлений не станет равным критическому
.
)/( 1
1
0
1
0
1
2
кк
кр
кp
p
p
p
При kppppp )/(/ 1010 скорость компонента в сечении 0F равна ско-
рости звука в данной среде. При дальнейшем понижении 10 pp / скорость в
сечении отверстия остается равной скорости звука, а струя на выходе начи-
нает расширяться. Таким образом, при понижении отношения давления ниже
критического массовый расход паров компонента не увеличиться, а остается
равным величине
.
)/(
11
11
0
1
2
1
2
p
k
k
k
FG
k
(5)
Формула (4) используется для вычисления расхода при докритическом
режиме истечения ( kppppp )/(/ 1010 ) паров компонента топлива. При
10 pp / < kppp )/( 10 используется формула (5).
Коэффициент сжатия струи ε для жидкого компонента и его паров вы-
числяется по формулам (2) и (3) соответственно.
51
Результаты расчетов. Описанная методика использовалась при числен-
ном исследовании термогидродинамических параметров охладителя при
опорожнении ЖРД [4]. Расчетная область – набор элементарных объемов –
представлена на рисунке 5.
Рис. 5
Элементы 1 – 19 на рис. 5 моделируют отсеченный после остановки дви-
гателя объем окислителя, при этом элементы 2 и 14 моделируют входной и
выходной коллектор системы охлаждения двигателя соответственно; элемен-
ты с 3 по 7 – трубку прямого тока системы охлаждения; элементы с 9 по 13 –
трубку обратного тока: элемент 8 соответствует поворотному коллектору.
При проведении численных расчетов, помимо отверстия штатного дре-
нажа (основной дренаж), расположенного в перекрывном клапане на входе в
КС (элемент 15 на рис. 5), рассматривалось отверстие, имитирующее не-
штатную ситуацию при работе двигателя (дополнительный дренаж). Отвер-
стие дополнительного дренажа при расчетах располагалось только в элемен-
те 6 трубки прямого тока (см. рис. 5) (режим истечения 1), только в элементе
10 трубки обратного тока (режим истечения 2) или же равномерно распола-
галось в соседних элементах 6 и 10 без перемешивания компонента между
элементами (режим истечения 3).
На рисунке 6 показаны изменения во времени паросодержания (рис. 6 а)
и истекающего массового расхода компонента (рис. 6 б) элемента, в котором
располагалось отверстие дополнительного дренажа, для режимов истече-
ния 1 (сплошная линия) и 2 (штриховая линия).
На рисунке 7 показаны изменения во времени паросодержания (рис. 7 а)
и истекающего массового расхода компонента (рис. 7 б) элементов (сплош-
ная линия для элемента трубки прямого тока, штриховая – для элемента
трубки обратного тока), в которых располагалось отверстие дополнительного
дренажа для режима истечения 3. Как видно из сравнения графиков на ри-
сунках 6 и 7, при изменении режима истечения не происходит значительного
изменения значения паросодержания в элементах с отверстием дополнитель-
ного дренажа. Расход в дополнительный дренаж при режиме истечения 3
равномерно распределялся между элементами трубок прямого и обратного
тока.
52
а)
б)
Рис. 6
а)
б)
Рис. 7
В ходе проведенных численных исследований выяснилось, что располо-
жение отверстия дополнительного дренажа в начальных элементах тракта
охлаждения (элементы трубки прямого тока с более холодным теплоносите-
лем) по сравнению с элементами, приближенными к срезу охлаждаемой ча-
сти сопла, незначительно увеличивает начальный расход из отверстия допол-
нительного дренажа. По-видимому, увеличение расхода компонента частич-
но нивелируется более высоким противодавлением в сопле на момент отсеч-
ки тяги. Та же причина обусловливает незначительное увеличение времени
опорожнения тракта в случае расположения дренажа в наиболее близких к
критическому сечению сопла элементах трубок обратного тока.
На рисунке 8 показаны полученные данные по спаду давления в тракте
окислителя после отсечки тяги при отсутствии и наличии дополнительного
дренажа (сплошная линия для режима без дополнительного дренажа, штри-
ховая – при наличии дополнительного дренажа). На рис. 8 а приведен график
резкого спада давления в начальный период времени. Параметры, относящи-
53
еся к начальному участку резкого спада давления (~0,02 с), продолжитель-
ность которого определялась, в основном, заданными коэффициентами объ-
емного расширения элементов и слабо влияла на последующее изменение
параметров, на рис. 8 б не показаны. Как видно из графика, при истечении
только в основной дренаж в начальный период времени давление падает
медленнее, чем при наличии еще и дополнительного дренажа, а на участке
вски-
а)
б)
Рис. 8
пания компонента уровни давления выравниваются. На данные, приведенные
на рис. 8 б, наложены участки спада давления, полученные из телеметриче-
ской записи давления за насосом окислителя при двух остановках двигателя
третей ступени [5]. Сравнение показывает качественное соответствие изме-
нения параметров.
Применительно к конструкции камеры сгорания конкретного ЖРД, из-
менение при расчетах формы отверстия и варьирование различными конфи-
гурациями кромок не выявили значительных изменений расчетных парамет-
ров.
Численные исследования показали, что с увеличением площади дренаж-
ного отверстия пропорционально уменьшается длительность процесса опо-
рожнения отсеченной полости от оставшегося в ней охладителя.
Выводы. Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что
разработанная математическая модель истечения вскипающей жидкости из
теплонапряженных каналов, охлаждающих энергоустановку, и ее программ-
ная реализация качественно правильно отражает физические процессы в от-
сеченной дренированной полости тракта окислителя после останова ЖРД.
Полученные временные характеристики близки к измеренным в процессе
летных испытаний моделируемого объекта.
Метод разбиения расчетной области и основные расчетные элементы, с
помощью которых дискретизируется моделируемый объект, позволяют мо-
делировать любой теплообменник. Методика может быть использована для
54
расчетов истечения двухфазной жидкости в теплообменниках большого сег-
мента энергоустановок разной степени сложности.
1. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И. Е. Идельчик. – М. : Машинострое-
ние, 1975. – 559 с.
2. Токарева Е. Л. Аппроксимация свойств теплоносителя при численном моделировании гидродинамики и
тепломассообмена в теплонапряженных трактах с переменной массой охладителя / Е. Л. Токарева //
Техническая механика. – 2013. № 2. – С 80 – 88.
3. Чисхолм Д. Двухфазные течения в трубопроводах и теплообменниках / Д. Чисхолм. – М. : Недра, 1986. –
204 с.
4. Токарева Е. Л. Численное моделирование гидродинамики и тепломассообмена в теплонапряженных
охлаждающих трактах с переменной массой охладителя / Е. Л. Токарева, Н. Д. Коваленко // Материалы
IV Международной научной конференции «Прикладные проблемы аэрогидромеханики и тепломассопе-
реноса», 1 – 3 ноября 2012 г. – Днепропетровск. – С. 38 – 40.
5. Определение боковых сил в сопле ЖРД при впрыске в сверхзвуковую часть компонента топлива после
выключения двигателя с использованием телеметрической информации летных испытаний / Н. Д. Ко-
валенко, А. Л. Макаров, О. А. Аксюта, А. Н. Беликов, А. Д. Игнатьев, Г. Н. Коваленко, Р. Н. Темченко,
Е. Л. Токарева // Космическая техника. Ракетное вооружение. − 2009. − № 1. − С. 146 − 159.
Институт технической механики Получено 16.02.2016
Национальной академии наук Украины и в окончательном варианте 30.05.2016
Государственного космического агентства Украины,
Днепропетровск
|