ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Особенности конвективного теплообмена в условиях камеры жидкостных ракетных двигателей из "Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей Книга 2 Издание 4 " Общие сведения о конвективном теплообмене. Конвективный теплообмен в ЖРД является наиболее мощным процессом передачи теплоты в стенку. Этот же процесс является практически единственным процессом передачи теплоты от стенки в охлаждающую жидкость. [c.5] Процесс конвективного теплообмена складывается из совокупности процессов теплопроводности и конвекции. Первый путь связан с явлениями теплопроводности, причем эта часть теплоты, так же как ц в твердых телах, полностью определяется коэффициентом теплопроводности газа или жидкости и градиентом температуры. Второй путь связан с явлением конвекции или переноса отдельных частиц и конечных объемов жидкости или газа — молей. При этом если в процессе перемешивания отдельные частицы или небольшие объемы — моли газа или жидкости — попадут из области с высокой температурой в область с низкой температурой, о после их перемешивания с окружающей средой эти частицы или моли перенесут с собой теплоту, равную произведению их массы на разность, теплосодержаний в начале и в конце пути. [c.5] Кроме тепловой энергии отдельные частицы или моли переносят также свою кинетическую энергию, которая при их торможении за счет трения преобразуется в соответствующее количество теплоты. Поскольку явление переноса молей или частиц тесно связано с характером и режимом движения жидкости или газа, а также с геометрическими формами и размерами обтекаемой поверхности, конвективный теплообмен представляет собой сложное явление, зависящее от многих факторов. Наиболее сложная картина движения наблюдается непосредственно возле стенки, она-то и определяет теплообмен между потоком и стенкой. [c.5] При движении газа вдоль стенок ЖРД, а также при движении жидкости в охлаждающем тракте ввиду больших скоростей образуется всегда турбулентный пограничный слой. Однако из теории пограничного слоя известно, что турбулентный характер движения распространяется не на весь пограничный слой в области, непосредственно примыкающей к стенке, во всех случаях имеется небольшая по толщине (в сравнении со всем пограничным слоем) зона, где движение носит явно ламинарный характер. Эту зону называют ламинарным подслоем турбулентного пограничного слоя. [c.6] Особенность ламинарного течения в том, что оно носит упорядоченный слоистый характер, при котором соседние слои обмениваются друг с другом количеством движения, теплоты и веществом только за счет процессов молекулярного обмена. [c.6] Особенность турбулентного течения состоит в том, что течение носит хаотичный характер, при котором на основное движение накладывается пульсационное. В теории турбулентности местную скорость потока обычно выражают как сумму некоторой постоянной составляющей скорости и пульсационной и = й- -и v = v- -v где и и V — пульсационные составляющие. [c.7] Соседние слои при турбулентном движении обмениваются друг с другом количеством движения, теплоты и веществом за счет переносов сравнительно крупных комков — молей вещества. Такой обмен называется молярным. [c.7] Черта сверху — осреднение величины по времени. Заметим, что осреднение самих пульсаций по времени дает, естественно, нуль. Однако осреднение произведения пульсаций может быть величиной конечной. [c.7] Если при ламинарном течении для определения энергетического потока и трения достаточно было знать только распределение теплосодержания и скорости, а коэффициенты теплопроводности, теплоемкости и вязкости являлись физическими характеристиками потока, то при турбулентном движении кроме вычисления распределения теплосодержания и скорости необходимо еще определить коэффициенты и являющиеся теперь характеристиками самого потока. [c.8] В зависимости от соотношения между интенсивностями молекулярного и турбулентного переноса в практических задачах учитывают либо х и X и пренебрегают и Х . — ламинарное движение, либо учитывают и Х и пренебрегают [х и X — турбулентное движение. [c.8] Разница в характере турбулентного и ламинарного течений приводит к резкому различию в характере распределения скорости поперек пограничного слоя при ламинарном течении эпюра скорости очень пологая, тогда как при турбулентном благодаря более интенсивному поперечному обмену количества движения между соседними слоями эпюра скорости крутая, более наполненная . [c.8] При движении сжимаемого внешнего потока с большими скоростями, а также при теплообмене между стенкой и потоком пограничный слой подразделяется на динамический и тепловой. Под динамическим пограничным слоем понимается область тормоз1ящего воздействия стенки, где скорость изменяется от нуля на стенке до значения во внешнем потоке. Тепловой пограничный слой определяется областью охлаждающего или нагревающего воздействия стенки, где происходит изменение температуры от ее значения во внешнем потоке до температуры стенки, которую принимают равной температуре потока непосредственно у стенки. [c.8] Они обязаны молекулярному переносу вещества при ламинарном течении и турбулентному (молярному) переносу вещества при турбулентном характере течения. [c.9] Для идеального случая, когда процессы трения и распространения теплоты определяются полностью одним и тем же механизмом молекулярного или молярного обмена, эти числа равны единице. При течении реальных жидкостей и газов механизмы процессов выделения и распространения теплоты могут отличаться друг от друга и в некоторых случаях очень сильно. Например, для воздуха молекулярное число Рг = 0,71, а турбулентное РГт = 0,86. Это обстоятельство и обусловливает неравенство толщин динамического и теплового пограничных слоев, т. е. зон, где проявляются соответственно силы вязкости и явления теплопроводности (как молекулярного, так и турбулентного происхождения). Нетрудно видеть, что при Рг 1 процессы торможения в этих зонах менее интенсивны, чем процессы передачи теплоты, и распространяются на меньшую область (т. е. толщина теплового слоя больше, чем динамического). При Рг 1 толщина динамического больше, чем теплового. Естественно, при Рг=1 толщины обоих слоев со- )л/оа=иоо впадают. [c.9] На рис. 11.1 приведены характерные эпюры распределения скорости и температуры в пограничном слое при Рг=1 и охлаждении стенки. [c.9] Особенности конвективного теплообмена в ЖРД. Особенности конвективного теплообмена в ЖРД тесно связаны с особенностями протекания процессов в камере сгорания. [c.10] В подавляющем большинстве случаев компоненты топлива вводятся в камеру через форсунки, расположенные равномерно на плоской головке в торце камеры. [c.10] Причем при впрыске компонентов в камеру большая их часть распыливается на капли, а меньшая часть, главным образом от периферийных форсунок и поясов завесы охлаждения, попадает непосредственно на стенку, образуя жидкую пленку. [c.10] В соответствии с компоновкой и расположением форсунок поток ПС можно с известной условностью разделить на две области центральную, или ядро потока, состоящую из струй с наибольшей температурой, и периферийную, или пристеночную, имеющую струи с существенно более низкой температурой. Иногда между ними можно еще выделить третью область с переходной температурой между ядром и пристенком. [c.10] Другая особенность конвективного теплообмена в условиях ЖРД состоит в том, что кроме рассмотренного ранее механизма передачи теплоты в пограничном слое (конвекцией отдельных молей в турбулентной части и теплопроводностью в ламинарном подслое) необходимо учитывать еще один возможный путь переноса теплоты, который наблюдается в ПС высокой температуры. Температура газа в пристеночном слое камеры ЖРД может быть настолько высокой, что ПС окажутся частично диссоциированными и, следовательно, будут обладать определенной химической энергией, которая при рекомбинации выделяется в виде теплоты. [c.11] Вернуться к основной статье