КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН ЗА МИНИМАЛЬНЫМ СЕЧЕНИЕМ СОПЛА С ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ГОРЛОВИНОЙ
Сопла РДТТ могут иметь цилиндрическую горловину; кроме того, унос массы материалов тепловой защиты в окрестности минимального сечения других контуров приводит к появлению излома (рис. 5.8). Особенности обтекания таких контуров и конвективного теплообмена исследованы на модельных соплах; рабочим телом служил очищенный холодный воздух, коэффициенты теплообмена определены методом обращения теплового потока.
Представленные результаты указывают на особенности течения и теплообмена за угловой точкой сопла с цилиндрической горловиной уже с начальным, неискаженным контуром, т.е. в начальные моменты времени работы двигателя. Но для х>0,6 во всех соплах (в том числе и имеющих уступ сразу за минимальным сечением) наблюдается приемлемое совпадение опытных и рассчитанных для условий невозмущенного течения значений давления, температуры восстановления и коэффициентов теплообмена.
Со временем работы двигателя вследствие интенсификации теплообмена при обтекании еще начального контура и уноса материалов тепловой защиты могут возникнуть случаи обтекания уступа и обтекания искаженного начального контура (рис. 5.9).
При образовании уступа должен быть отрыв потока и присоединение его вниз по потоку с образованием скачка уплотнения. Интенсификацию теплообмена по сравнению с невозмущенным пограничным слоем связывают с, повышением давления за скачком уплотнения соотношением типа [4]
. (5.8)
Данные экспериментов тс соплами при обработке их в виде (5.8) дают значения п=0,77...0,82, и можно считать, что интенсификация теплообмена соответствует такому же явлению на пластине.
Для учета максимальной интенсификации теплообмена в. области взаимодействия скачка уплотнения с турбулентным пограничным слоем введена поправка* на скачок к закону теплообмена в видб с=St/St0 при Re =idem, и на основании анализа опытных данных получено:
; ;
для ,
где , — давление торможения до и после скачка.
С поверхности углеграфитовых материалов тепловой защиты происходит вдув продуктов гетерогенного окисления поверхностного слоя и пиролиза связующего в пограничный слой, и скачок уплотнения взаимодействует с проницаемой стенкой. Но в реальных конструкциях РДГТ параметр вдува В имеет небольшие значения (В<0,1), и 1,0, т.е. влияние вдува на снижение интенсификации теплообмена несущественно.
Наиболее простым является подход к расчету теплообмена за минимальным сечением сопла с цилиндрической горловиной при начальном и искаженном контуре с помощью интегральных соотношений B.С. Авдуевского по значениям параметров потока, определенным по модели течения идеального газа. Этот же подход можно использовать для оценки теплообмена в выхлопном диффузоре (рис. 5.10).
_________________
*Виноградов Ю.А., Ермолаев И.К., Леонтьев А.И., Рождественский В.И.Теплообмен на проницаемой пластине в месте взаимодействия падающего скачка уплотнения с турбулентным пограничным слоем // МЖГ, 1978, № 2. С. 189-192.
Существует удовлетворительное совпадение опытных значений давления и рассчитанных по модели осесимметричного течения идеального газа. Опытные значения коэффициентов теплообмена также удовлетворительно совпадают с рассчитанными по модели B.C. Авдуевского.
Взаимодействие скачков уплотнения с пограничным слоем на стенке приводит к трехмерным эффектам тепломассообмена.
Рис. 5.8. Параметры течения и теплообмена за минимальным сечением модельного сопла Лаваля:
1 - расчет по модели одномерного течения газа; 2 - расчет по, модели двухмерного течения; 3 — расчет по параметрам одномерного течения газа и по (5.1)
Рис. 5.9. Случаи обтекания уступа (а) и искаженного из-за уноса материалов тепловой защиты контура(б):
1 - облицовка из сплава на основе вольфрама; 2 - начальный контур; 3 - подложка из графита; 4 — облицовка раструба из углепластика; 5 — контур в виде уступа; 6 - искаженный контур.
Вследствие искривлений линий тока образуются продольные вихри с максимумом теплообмена на линиях растекания. Для несжимаемого течения с продольными вихрями Тейлора — Гертлера установлено, что изменение теплообмена по координате z (рис. 5.11) по отношению к теплообмену на пластине должно быть в виде (Рг=1)**
,
где — волновое число. Тогда локальное увеличение или уменьшение теплообмена не превышает 60%, а суммарного изменения теплообмена для целого числа волн не происходит. В то же время эксперименты показывают интенсификацию теплообмена до трех раз.
Для сверхзвуковых течений экспериментальные данные указывают на изменение уровня теплообмена в пределах ± 15% [4] хотя известны случаи увеличения уровня теплообмена в два раза. Исследования Ингера в зоне присоединения сверхзвукового потока на основе уравнения Навье — Стокса с линеаризованными трехмерными возмущениями позволили получить зависимость для расчета относительного возмущения теплового потока по координате z, имеющую вид при Т 1
, (5.9)
где .
_________________
**Маккормак, Уилкер, Келхер.Вихри Тейлора - Гертлера и их влияние на теплообмен // Теплопередача, 1970. № 2. С. 106-118.
Рис. 5.10. Давление и теплообмен в сверхзвуковом диффузоре:
1 - сопло; 2 - стенка диффузора; 3 - скачки уплотнения; 4 - отрывное течение; о - экспериментальные данные;------- расчет по модели идеального газа; х - расчет теплообмена по зависимости (5.1)
Рис. 5.11. Теплообмен при наличии продольных вихрей на пластине
Зависимость (5.9) подтверждена экспериментом (рис. 5.12). Экспериментальные данные А.В. Мезенцева для сечения взаимодействия скачка уплотнения со стенкой расширяющегося канала, представленные на рис. 5.13, указывают на существенное изменение уровня теплообмена в окружном направлении (значения St0 вычислены для условий невозмущенного течения).
Рис. 5.12. Теплообмен в зоне присоединения потока за уступом ( ):
1 - расчет по формуле (5.9)
Рис. 5.13. Теплообмен в сечении взаимодействия скачка уплотнения со стенкой расширяющегося канала
5.2.6. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ВОЗМУЩЕННОЙ ОБЛАСТИ
ПРИ НЕСИММЕТРИЧНОМ ВДУВЕ ГАЗА В ЗАКРИТИЧЕСКУЮ ЧАСТЬ СОПЛА
Максимальные значения коэффициентов конвективного теплообмена возникают на подковообразной линии растекания около отверстия вдува, а минимальные — на линии стока в отрывной зоне (согласно данным Ф.Г. Бакирова). Сложный характер течения (см. рис. 1.11) позволяет использовать только эмпирические соотношения для расчетов значений коэффициентов теплообмена.
Максимальные значения коэффициентов теплообмена при вдуве газа со звуковой скоростью перпендикулярно основному потоку определены формулой
;
; ; ,
где 0 — значение коэффициента теплообмена в этом сечении при отсутствии вдува; т - относительный расход вдуваемого газа, %; М -число Маха основного потока в сечении перед отверстием вдува.
Вниз по потоку от сечения максимума распределение коэффициентов теплообмена определяет формула
,
где pw и Fw — плотность вдуваемого газа и площадь отверстия вдува; — плотность торможения газа основного потока.
Дата добавления: 2016-06-29; просмотров: 1900;