автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Фазоразделители энергоустановок летательных аппаратов

На правах рукописи

МЕЛКОЗЁРОВ МАКСИМ ГЕННАДЬЕВИЧ

ФАЗОРАЗДЕЛИТЕЛИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

05.07.05 — тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Красноярск 2004

Работа выполнена в Сибирском государственном аэрокосмическом университете имени академика М.Ф. Регаетнёва (г. Красноярск).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ Краев Михаил Васильевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Славин Вадим Соломонович; кандидат технических наук, доцент Суворов Александр Георгиевич

Ведущая организация: ОАО «Корпорация «Комномаш», г. Москва.

Защита состоится « 3 » Оеклд/о^ 2004 г. в 00 часов на заседании диссертационного совета ДС 212.023.01 при Сибирском государственном аэрокосмическом университете имени академика М Ф. Решетнёва по адресу: 660014, г. Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий», 3).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева.

Автореферат разослан « 2. » НОЯЪрЯ 2004 г.

Учёный секретарь диссертационно1 о совета, д.т.н., профессор

М.В Краев

Мее-1/ 2IU3I2.

&ЧЧЛ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 теплоёмкостный 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' в 'f FKA

( *. i , -.MPf

?of>£ рк

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 закону «свободного вихря» и получены аналитические выражения для опенки толщины потери импульса и напряжения трения на стенке камеры фазоразделителя;

- разработанная математическая модель закрученного двухфазного потока, учитывающая 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 (ЛА), 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 -накрученных 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».

3. 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;

4. 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 ХИММА1Н, 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 техники» «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 тт.

- «Математическое моделирование гидрогазодинамических процессов автономных энергетических систем космических летательных аппаратов» - работа по тематическому плану фундаментальных и поисковых НИР и единого заказ-наряда Минобразования 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, 19992001 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, КГАЦМяЗ, 2000-2003 гг.;

- Всероссийская молодежная научная конференция «УГ 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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Показана необходимость создания более гибких, мощных и надежных двухфазных СТР

В первой главе рассматривается современное состояние вопроса создания двухфазных энергетических контуров летательных аппаратов (ЛА) Определены место и роль фазоразделитепя в двухфазных энергетических контурах ЛА Проведён обзор существующих методик расчёта фазоразделителей

В связи с устойчивой тенденцией возрастания мощности выделяемой тепловой энергии в гермоотсеке как автоматического, так и пилотируемого КА, проблема его терморегулирования приобрела особое значение. Использование в СТР теплоносителя без фазового перехода достигло разумных ограничений по массовым и габаритным характеристикам системы в целом. Использование теплоносителя с переходом жидкой фазы в парообразную улучшает характеристики СТР, однако, требует решения возникаемых при этом научно-технических проблем, связанных с функционированием гидравлических сис-

тем с двухфазной средой.

Проведённый сравнительный анализ однофазной и двухфазной систем терморегулирования показывает, что массу двухфазной СТР можно снизить в 2...3 раза. Одним из основных элементов, определяющих работоспособность такой системы, является фазоразделитель, обеспечивающий сепарацию паровой фазы перед радиационным теплообменником.

Существует несколько методов анализа двухфазных течений

В работе Г. Уоллиса описывается один из методов - это модель гомогенного течения. Реальный двухфазный поток является потоком, разделённым на области с существенно различными свойствами. Гомогенная теория двухфазных течений представляет собой попытку представить течение в виде однофазного, используя уже разработанные методы.

В работах С.С. Кутателадзе и М.А. Стырикович представлена модель раздельного течения (иногда называемой моделью или теорией гетерогенного течения), где каждая фаза обладает собственными свойствами (температурой, плотностью, скоростью) и должна удовлетворять некоторой форме обычных законов сохранения массы, импульса и энергии. Каждый параметр представляет собой некоторую среднюю величину. Осреднение порождает ошибки, которые корректируются путём введения дополнительных членов или коэффициентов в уравнения.

Наиболее основательный подход к анализу двухфазного течения включает рассмотрение каждой фазы как непрерывной среды и получение детального описания трёхмерного поля течения. Он может основываться, например, на использовании двух систем векторных уравнений неразрывности и количества движения (например, уравнений Навье-Стокса) вместе с граничными условиями и условиями на межфазной поверхности, включающими эффекты массопе-реиоса и поверхностного натяжения. В случае если форма межфазных поверхностей известна, за исключением немногих частных случаев, для решения задачи потребуются значительные усилия.

Существует ряд специальных методов, под которыми понимается разработка конкретных аналитических методов для каждой новой задачи, использование при этом опыта из аналогичных ситуаций и публикаций, относящихся к рассматриваемому вопросу, и развитие правильных представлений, способных объяснить специфические особенности процесса.

Однако все эти методы основаны на допущениях и справедливы только в узких диапазонах основных параметров и, кроме того, общий подход к моделированию отсутствует из-за сложности учёта распределений характеристик элементов и динамики взаимодействия между фазами.

Наиболее надежное и эффективное фазоразделение возможно лишь в поле центробежных сил.

Исследование закрученных потоков в осесимметричных каналах относится к исследованию пространственных течений в поле центробежных массовых сил. Закрученный поток характеризуется соизмеримым отношением двух (осевой и вращательной), а в некоторых случаях и трёх составляющих скоро-

ста, наличием поперечного и продольного градиентов давления, значительными турбулентными пульсациями.

Между тем закономерности течения закрученных потоков в осесиммет-ричных каналах изучены недостаточно Имеющиеся в литературе результаты в подавляющем большинстве относятся к исследованию осреднённых характеристик течения и теплообмена в непроницаемых трубах с частными законами начальной закрутки. Так многочисленные результаты исследований по гидравлическому сопротивлению и среднему теплообмену закрученных потоков достаточно полно отражены в работах A.M. Кутепова, JI.C. Стермана, В.К. Щукина, A.A. Халатова.

Проведённый анализ существующих литературных источников и научно-технических отчётов показывает, что большинство гидрогазодинамических параметров, характеризующих газожидкостные смеси не поддаются корректному расчётному определению, а обобщенные эмпирические зависимости для расчёта течения закрученных потоков имеют частную область применения, ориентированную на конкретную задачу, что заметно снижает доверительность результатов расчёта.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям пространственного пограничного слоя (ППС) с целью интегрирования уравнения импульсов, а, следовательно, оценки толщины потери импульса и напряжения трения на стенке при закрученном потоке;

Общий вид уравнения импульсов ППС:

_L +(25;+5; - 5)+—^+——~ (га;; - s;)+

Н, Эф Нфи Эф * > Hv Эу HVU HVU w W

1 дб" ^ 1 Э8"ф ^ 25 "ф gu t 26" au | 25"ф 5Rv

Hv cty + Нф дц> + Нфи Эф + HVU дц/ + НфНу dq> +

Для решения задачи о характере распределения толщины потери импульса ППС при вращении жидкости по неподвижной стенке но закону «свободного вихря» воспользуемся в качестве исходной системы уравнений импульсов пространственного пограничного слоя с поперечным градиентом давления (1)

Уравнения (1), (2) представляют собой запись уравнения импульсов в проекциях на оси естественных координат ф и у.

Система уравнений (1), (2) представлена в более общем виде в отличии от уже известных решений Г.Ю Степанова и С.Н Шкарбуля, выполненных с учётом особенностей течения соответственно в межлопаточном канале осевой турбины и по покрывному диску рабочего колеса центробежного насоса.

В предлагаемой записи уравнения импульсов сохранены члены с произ-

водной dp/Эф, что позволяет интегрировать уравнения в случае непотенциального внешнего потока по поверхности любой формы.

Известно, что при вращении жидкости между двумя коаксиальными цилиндрами реализуется распределение окружной скорости U по закону UR = С = const (закон «свободного вихря»). В частности для пассивного фазоразделителя этот закон распределения с достаточной для расчётов точностью реализуется именно в присте- q ночной области и определяет практический интерес к такой постановке задачи. Рис. 1. Вращательное движение жидкости

Сделаем допущение, позволяю- в цилиндрической камере по закону «сво-щее упростить уравнения импульсов: бодного вихря».

течение жидкости осесимметрично, следовательно, члены дифференциальных

уравнений с 8/ Эф равны нулю, система примет вид **

1

Э5

ФЧ>

1 эи

Ну dy UHW cty

(^фу - 8^)+ -

1 ЭН

V 25" аи

v +—1---h-

НфНу Эу

( ** * ^

\25фУ|/ - )=

т0ф ри2

1 ЭН

1 Э5

Hv Эц/ нуиэу HQHV

1

Эр§_ Т0ф

рН U2 Эу pU

2 '

(3)

Далее переходим от естественных к цилиндрическим координатам ф = ос и рЯ (Рис. 1). Из принятых допущений о характере движения в ядре учтём, что течение осесимметрично и, следовательно, члены с д/да равны нулю. Коэффициенты Ламэ для цилиндрических координат Нф = На = Я, Нф = Нк = 1; производная коэффициента ЭН(;) ¡дм/ — ЭНа /Ж = <Ж/ЭЯ = 1.

Тогда, дифференциал давления dp = р —- dR для закона «свободного

R

вихря» U =

С R

Воспользуемся известным приемом и сократим число неизвестных. Для этого введем относительные существенно положительные величины (характерные толщины ППС), которые в безотрывной зоне для практических расче-

тов считаются постоянными

1 = = = = (4)

£б; в5: 6;*

Окончательно уравнение импульсов пространственного пограничного

слоя в проекциях на цилиндрические координаты при движении ядра потока по

закону «свободного вихря» запишется:

= Т0а

с!Я ри2'

■"-+-(8;+8Г+8«-8)=-:Ч- (5)

ёЯ Я ри

¿5

Сократим число неизвестных функций (1Е _ 1 ( 2 1 + Н") 0,01256-(' + Ь)

с!Я еЯ1. ) 1-Ь8„

.. Г •• \ -0,25

а5а 0,01256 + л

ск

\ 0 21

Яу

(6)

+ -ч <7)

У

СГ1±н я 1и2

ёЯ I Ье

Попытка численного интегрирования системы уравнений (6) и (7) не привела к положительному результату по двум причинам:

- во-первых, невозможно задать корректно начальные условия, поскольку при

„ с!б" Я -> 0 производные — - и--> <я ■

н ая ая

- во-вторых, при определённом значении параметра е в процессе интегрирования, функция имеет разрыв.

П + н

Отметим, что при б = ■ —^ - (90 = агс1§ е- угол скоса донных линии тока) дифференциальное соотношение терпит разрыв. Проведённые испытания по визуализации донных линий тока показали, что угол скоса донных линий тока равен расчётной величине 60. Разрыв в квазилинейном уравнении распространяется по характеристике. Следовательно, дифференциальное соотношение для одной из функций системы (6) и (7) должно быть заменено на конечное соотношение, равное значению функции в точке разрыва По физическому смыслу 5И - толщина потери импульса не может быть постоянной величиной, поскольку вдоль координаты Я изменяется статическое давление р - силовой фактор, связанный с изменением импульса элементарного объёма Очевидно,

это конечное соотношение Б =

' + ^ . Выполняя преобразование уравнения

V ь

I

(7) при е = Л| —-, получаем обыкновенное дифференциальное уравнение с

разделяющимися переменными

<=0,0,256.-0-^1-

dR ' iVlO + H)^ Rv у

После интегрирования при начальных условиях R0 = 0, 5ао =0 находим

аналитическое выражение для толщины потери импульса на стенке при вращении жидкости по закону UR = const = С

if. -. ------ (I + 2Lf*

По выражению (9) можно оценить толщину потери импульса и, следовательно, напряжение трения на цилиндрической стенке камеры. То есть это уравнение представляет связь между параметрами закрученного потока и толщиной потери импульса й"

В третьей главе приводятся сведения по экспериментальному оборудованию, позволяющему проводить исследование течения закрученного жидкостного и двухфазного потока в камере закручивания и фазоразделителя.

Исследование гидродинамики закрученного двухфазного потока в камере пассивного фазоразделителя в значительной мере основывается на результатах экспериментальных работ. Это связано с общим положением дел в гидродинамике двухфазных течений, когда число точных решений уравнений ограничено, а полуэмпирические методы решений, основанные на схематизации и упрощении исходных уравнений, требуют обширного экспериментального исследования

Элементы проточной части камеры фазоразделителя функционально и гранично связаны друг с другом Параметры потока, сформированного в одном элементе проточной части, являются граничными условиями для потока в другом элементе В этой связи исследование потока в одном элементе камеры фазоразделителя требует дополнительных экспериментальных и аналитических исследований смежных элементов, создание новых образцов экспериментального оборудования и методик проведения испытаний.

Созданный экспериментальный стенд для исследования течения жидкостного и двухфазного потока включает следующие подсистемы:

- система подачи сжатого воздуха для питания газовой турбины, служащей приводом для центробежного насоса;

- система подачи сжатого воздуха для создания двухфазного потока;

- система подвода и отвода рабочей жидкости;

- система измерения основных параметров;

- автоматизированная 16-канальная система регистрации и обработки результатов измерений (давление) на базе высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя АЦП L783 и компьютера Pentium III;

- турбопривод;

- система подачи жидкости для охлаждения и смазки подшипников турбо-привода;

- экспериментальные установки.

Экспериментальные исследования проводились в два последовательных этапа На первом этапе при помощи камеры закручивания проводились измерения гидродинамических параметров закрученного жидкостного потока

Затем, для визуализации двухфазного потока и определения основных зависимостей между геометрическими и режимными параметрами, использовался фазоразделитель с прозрачным корпусом.

В четвёртой главе изложена методика расчета и анализ теоретических и экспериментальных исследований течений в камере пассивного фазораздели-теля.

Исходными данными для алгоритма расчета течения в камере фазоразде-лителя является геометрия камеры, режимные параметры и свойства жидкости. Данный алгоритм позволяет рассчитывать до 30 параметров: окружную и осевую скорость жидкости и газа, полное, статическое давление, напряжение трения, толщину потери импульса, диаметр и длину устойчивого существования газового вихря и другие

Основным преимуществом алгоритма по сравнению с алгоритмами, основанными на эмпирических зависимостях, является относительно широкая область применения: расчет потерь в камере в зависимости от режима работы фазоразделителя, который определяется расходом рабочей жидкости и газа, свойствами жидкости и газа, окружной скоростью вращения потока жидкости

Алгоритм расчета течения закрученного потока в камере фазоразделителя реализован в программное обеспечение, которое позволяет рассчитывать камеры различной формы, строит двумерные семейства характеристик различных параметров потока в зависимости от геометрических, режимных параметров и свойств жидкости и газа.

Программное обеспечение состоит из компонента расчета, компонента визуализации, исполняемого модуля и локальной базы данных На программное обеспечение имеется патент РФ, зарегистрированный в РОСПАТЕНТЕ С помощью этого программного обеспечения был проведен сравнительный анализ с экспериментальными данными.

Экспериментальные и теоретические исследования проводились в два последовательных этапа. На первом этапе исследовался закрученный жидкостный поток, с целью тестирования важнейшего элемента алгоритма, определяющего изменение окружной динамической составляющей напора по длине камеры закручивания, под действием вязкости в пограничном слое на стенке

Исследования закрученного жидкостною потока проводились на установке (камера закручивания), выполненной из круглой алюминиевой трубы длиной 260 мм и внутренним диаметром с1к=54 мм, рабочее тело - вода По длине камеры измерялось статическое и полное давление на стенке, по разнице давлений рассчитывалась окружная составляющая скорости Расход изменялся в диапазоне от 0,1 до 0,65 кг/с, при этом окружные скорости на входе изменя-

лись в диапазоне 3,7 16 м/с, полное давление 0,32 1,24 МПа На рис 2, 3 представлены результаты расчетных и экспериментальных исследований закрученного жидкостного потока на примере минимального расхода Как видно из результатов, изменение полного давления и окружной скорости по длине камеры носит достаточно интенсивный характер на начальном участке Далее по длине камеры изменение параметров происходит более плавно

жидкости по длине камеры ткручивания жидкостного накрученного потока по длине при различных расходах жидкости камеры накручивания при различных Экспериментальный расход жидкости расходах жидкости Экспериментальный

т* 0,11 кг/с расход жидкости т* = 0,11 кг/с.

Затем, на втором этапе для визуализации двухфазного потока и определения основных зависимостей между геометрическими и режимными параметрами использовался фазоразделитель с прозрачным корпусом, выполненный из оргстекла и позволяющий непосредственно визуализировать закрученный поток и измерять основные параметры на входе и выходе Длина камеры фазо-разделителя - 600 мм, втгутренний диаметр - 44 мм

Для того чтобы обеспечить закрутку двухфазная смесь подводилась тангенциально. Разделение фаз происходило в плоскости подвода смеси.

Расход газа изменялся в диапазоне 3,45-10"4 1,58-1 О*3 кг/с, расход жидкости для измерения диаметра газового вихря поддерживался постоянным -0,51 кг/с, а для измерении длины устойчивого существования изменялся в диапазоне 0,0978.. 0,2815 кг/с, при этом расход газа поддерживался постоянным -3,45-10"4 кг/с. Измерялись параметры газожидкостного потока на входе и выходе камеры фазоразделителя, необходимые как исходные данные для расчётного алгоритма

Далее производилось фотографирование и по снимкам (рис 4, 5) изме-

рялся диаметр и длина устойчивого фазоразделения. Экспериментальные и расчётные кривые зависимостей диаметра газового вихря по длине камеры фа-зорзделителя представлены на рис. 8.

На представленных фотографиях, показано изменение диаметра газового

вихря закрученного фазоразделённого потока при изменении расхода газа - тг

и постоянном расходе жидкости т* =0,51кг/с.

00,044 м 00,026 м

Рис. 4. Закрученный фазоразделённый поток при расходе газа •

тг = 1,44-10~3кг/с. Изменение диаметра газового вихря 0,044...0,026 м. Содержание газа в потоке составляет 0,28 %.

00.042 м 00,016 м

Рис. 5. Закрученный фазоразделённый поток при расходе газа

Шг = 3,44 10"4кг/с. Изменение диаметра газового вихря 0,042...0,016 м. Содержание газа в потоке составляет 0,07 %.

Необходимо отметить, что диаметр газового вихря при постоянном газосодержании уменьшается по длине камеры фазоразделителя из-за уменьшения закрутки жидкости, вызванного подтормаживающим действием стенки. При уменьшении газосодержания интенсивность закрутки снижается, диаметр газового вихря по длине камеры, соответственно, уменьшается

Определение длины устойчивого фазоразделения потока производилось при варьировании расхода жидкости т„ в диапазоне 0,098.. 0,282 кг/с, при

этом расход газовой фазы поддерживается постоянным тг = 3,44-10-4 кг/с. Результаты фотографирования представлены на рис. 6, 7

0.54 м.

Рис. 6. Длина устойчивого фазоразделения закрученного потока 1уф= 0,54 м.

Расход жидкости тж =0,282кг/с. Содержание газа в потоке составляет 0,12%.

Рис. 7 Длина устойчивого фазоразделения закрученного потока 1Уф= 0,134 м

Расход жидкости тж = 0,98кг/с. Содержание газа в потоке составляет 3,5 %

По результатам расчёта и эксперимента получена зависимость (рис. 9) длины газового вихря (или длины устойчивого фазоразделения) от расхода жидкости, что физически соответствует окружной скорости жидкости в начальном сечении.

Некоторое расхождение между экспериментом и расчётом объясняются сложностью визуального определения границы раздела фаз из-за её двухфазной сущности и потерей устойчивости газового вихря под действием гравитационных сил. Волнистая форма газового вихря объясняется различным характером распределения осевой скорости жидкости и газа. Осевая скорость газа по длине фазоразделителя возрастает, осевая скорость жидкости уменьшается (рис. 10).

На рис. 11 показано изменение статического давления газа по длине камеры фазоразделителя при различных расходах газа. Из графика видно, что изменение давления происходит только на начальном участке, а далее, по длине камеры, остаётся постоянным, что соответствует экспериментальным данным

Разработанные методики позволяют оценить взаимосвязь основных параметров закрученного однофазного и фазоразделённого потоков при тангенциальном подводе жидкости или газожидкостной смеси, определять влияние геометрии проточной части камеры фазоразделителя на основные параметры потока.

D, м

004

0 03

0 02

0 01

ООО

ч gv Шж =0,51кг/с Шг = 1.44 10 Зкг/с -

S > к > к > V /

X N V 'S .о

Шг = 3,44- 0"кг/(

И в - эксперт 1 «ент

I, м

0 60

0 45

0 30

О 15

/ъ

©

Шг = 3,44 10' 4 / кг/с

0- эксперимент 1

120 0 240 0 360 0 480 0 I, мм 0 °0 0 1 0 2 0 3 0 4

Шж,кг/с

Рис. 8 Изменение диаметра газового вихря Рис. 9 Зависисмость длипы устойчивого

по длине камеры фазоразделителя при газового вихря от расхода жидкости при

различных ^ расходах газа и расходе расходе газа тг =3,44 Ю-'кг/с.

ЖИДКОСТИ ТПж =0,51кг/с-

Cz, м/с

3 80

260

1 40

0 20

Ps, МПа

0 20

0 00 120 0 240 0 360 0 480 0 I, мм

Рис 10 Изменение осевой скорости газа и жидкости по длине камеры фазоразделителя при различных расходах

тг^1,58-10~-3кг/с

» ¿.--¿.-А--,

0 19

018

0 17

---1 1 --

в-эксперимент ¿ж=051кг/с

1 1-4- '

та-g

т, =1,31 10"3кг/с

4

- ТЭ

Шг = 3,44-1(Г'кг/с

--9

Br-

ei 00 120 0 240 0 360 0 480 0 I, мм Рис 11 Изменение статического давления газа по длине камеры фазоразделителя при различных расходах газа.

Удовлетворительное совпадение теоретических и экспериментальных данных позволяет утверждать о корректности сделанных допущений и правильности хода решения при моделировании течения закрученных газожидко-сгных потоков.

Одним из преимуществ методики расчёта проточной части камеры фазо-разделителя является возможность учета влияния свойств жидкости (плотности, вязкости и температуры) на характер течения закрученного потока, т.к. с увеличением плотности жидкости увеличивается напряжение трения.

Расчёт по разработанной методике показал, что для жидкостей с более высокой вязкостью (вода, Я 21, Я 113), распределение полного давления по длине камеры слабо отличается друг от друга (рис. 12).

Рис. 12. Изменение полного давлепия по Рис 13 Изменение окружной скорости по длине камеры закручивания для различных длине камеры закручивания для различных жидкостей жидкостей

® - экспериментальные значения при 9 - экспериментальные значения при температуре воды 20°С. температуре воды 20°С.

Для сравнения жидкостей с существенным различием свойств (в данном случае - с кислородом) имеем характерное распределение, чем меньше плотность и вязкость, тем вьппе кривая распределения полного давления жидкости и окружной скорости потока по длине камеры закручивания (рис 12,13).

Плотность жидкости также оказывает влияние на изменение осевой скорости жидкости по длине камеры фазоразделителя Но более существенное влияние свойства жидкости оказывают на изменение осевой скорости газа по длине камеры фазоразделителя. Так, чем выше вязкость, тем круче кривая распределения осевой скорости газа, и наоборот ниже кривая распределения осевой скорости жидкости (рис. 14, 1 5).

Cz, м/с

46

32

1 8

04

I

1 Ки ; / R Sy , слород С-183°С)

R 21 (9°С) R 717 (20°С)

/ 1 Вола-возпух Г20°0

н*.....1

\ л "t- ЗТК (20"С) 1

Cz, м/с

3 80

2 60

1 40

0 20

120 0 240 0 360 0 480 0 I, мм

0 0 120 0 240 0 360 0 480 0 I, мм

Рис. 15 Изменение осевой скорости газа по длине камеры фач о разделителя для различных компонентов

гаг =1,58 10 кг/с; тж = 0,51 кг/с-

00

Рис. 14. Изменение осевой скорости жидкостей по длине камеры фазоразделителя для различных компонентов

шг = 1,58 1 (Г3 кг/с; тп« =0,51 кг/с-

Таким образом, свойства рабочей жидкости не однозначно влияют на характер распределения давления, окружной и осевой скоростей потока. Для жидкостей свойства, которых сильно зависят от температуры, небольшие отклонения температуры жидкости могут привести к существенным отклонениям параметров от номинального режима работы фазоразделителя, что может привести к выходу из стоя системы в целом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе существующих тенденций роста энерговооружённости К А с герметичными контейнерами изложена перспективность разработки и применения двухфазных энергетических контуров КА и в частности СТР. Показано, что одним из основных элементов, обеспечивающих работоспособность и устойчивость работы таких контуров, является фазоразделитель.

2. Выполнено преобразование уравнений импульсов пространственного пограничного слоя для граничных условий потока, закрученного по закону «свободного вихря» и получены аналитические выражения для оценки толщины потери импульса и напряжения трения на стенке камеры фазоразделителя. На основе полученных соотношений разработана модель двухфазного закрученного потока в камере фазоразделителя, учитывающая взаимодействие газовой и жидкой фазы, движение закрученного потока в окружном и осевом направлении.

3. Спроектирован и изготовлен комплекс специализированных установок с автоматической регистрацией и обработкой экспериментальных данных, позволивший провести исследования гидродинамики закрученного потока в камере фазоразделителя в диапазоне изменения геометрических и режимных параметров, присущих энергетическим контурам КА.

4. Экспериментальные исследования закрученного потока подтвердили основные допущения и результаты аналитических расчётов гидрогазодинамических параметров потока в проточной части камеры фазоразделителя.

5. 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.

6. Методика и программа расчёта камеры фазоразделителя зарегистрированы в Роспатенте РФ, на что получено Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002611793 от 18 октября 2002 года.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1 Мелкозёров М Г , Филиппов А Г. К расчёту пассивного фазоразделителя Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Регаетневские чтения». Красноярск: CAA, 1999, с. 11-12.

2 Мелкозёров М Г , Краев М В , Филиппов А Г. Оценка характеристик пассивного фазоразделителя Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов- Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием Красноярск: КГТУ, 2000 Часть 3, с. 259-260.

3 Мелкозёров М Г , Краев М.В , Филиппов А.Г. Характеристики пассивного фазоразделителя. Материалы, технологии, конструкции: Межвузовский сборник. Красноярск: КГАЦМиЗ, 2000, с 541-542.

4. Мелкозёров М.Г., Краев М.В., Кшпкин A.A. Гидродинамика потока в канале пассивного фазоразделителя Вестник КГТУ Вып 18. Гидропривод машин различного технологического назначения Красноярск: КГТУ, 2000, с. 170-179.

5 Мелкозёров М Г, Филиппов А Г, Шилова А.Н Оценка параметров фазоразделителя гидравлических систем. Материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Ретпетневские чтения». Красноярск: CAA, 2000, с 94

6 Мелкозёров М.Г., Краев М В., Кишкин А А. Центробежный фазораздели-тель гидравлических систем. Материалы XXI Российской школы по проблемам проектирования неоднородных конструкций Миасс, 2001, с. 31

7 Мелкозёров М Г , Краев М.В. Оценка характеристик центробежного фазоразделителя гидравлических систем Материалы 7-ой Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы, технолот-ии, конструкции - экономика» Красноярск: К1 АЦМиЗ, 2001, с. 364-366

8 Мелкозёров М Г Оценка характеристик пассивного фазоразделителя пер-

спективных систем терморегулирования космических аппаратов Материалы Всероссийской молодежной научной конференции «VI Королёвские чтения». Самара, 2001. Том I., с. 117.

9 Мелкозёров М Г., Краев М.В., Кигакин A.A. Гидродинамика двухфазного потока в камере пассивного фазоразделителя. Изв. ВУЗов. «Авиационная техника» №3. 2002, с. 22-26

10. Мелкозёров М.Г., Краев MB, Пионтковский A.A. Гидродинамика закрученного потока в камере центробежного фазоразделителя. Материалы 8-ой Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы, технологии, конструкции - экономика». Красноярск: КГАЦМиЗ, 2002, с. 357359.

11. Мелкозёров М.Г., Краев М.В., Пионтковский A.A. Центробежный фазораз-делителъ гидравлических систем. Сборник научных трудов «Вестник Сиб-ГАУ». Вып. 3. Красноярск: СибГАУ, 2002, с. 132-139.

12. Мелкозёров М.Г., Пионтковский A.A., Боровков И.Ю. К методике расчёта характеристик центробежного фазоразделителя гидравлических систем. Тезисы докладов VI Всероссийской научной конференции «Решетнёвские чтения». Красноярск: СибГАУ, 2002, с. 17-18.

13. Мелкозёров М.Г., Краев М.В., Кишкин A.A., Черненко Д.В., Жуйков Д.А. Расчёт гидродинамических характеристик закрученных потоков в камере пассивного фазоразделителя (PhaseSeparator) Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2002611793 от 18.10.2002 г.

14 Мелкозёров М.Г., Кишкин A.A., Пионтковский A.A., Новосёлов А А К расчёту фазоразделителя перспективных СТР. Тезисы докладов Международной научно-практической конференции «САКС-2002». Красноярск, СибГАУ, 2002, с. 148-149.

15. MG. Melkozerov, M.V. Kraev, A.A. Kishkin. HYDRODYNAMICS OF A TWO-PHASE FLOW IN PHASE SEPARATOR CHAMBER Russian Aeronautics. Allerton Press, Inc./New York, 2002, Vol. 45, No. 3, pp. 30-37. 16 Мелкозёров М.Г , Краев M.B., Пионтковский A.A., Новосёлов А А. К методике расчёта пассивного фазоразделителя гидравлических систем. Перспективные материалы, технологии конструкции, экономика Сборник научных трудов. Красноярск, КГАЦМиЗ, 2003, Вып. 9 (часть I), с. 228-230. 17. Мелкозёров М.Г., Зуев А А., Новосёлов A.A. Исследование газожидкостного закрученного потока Наука Технологии. Инновации. // Материалы докладов всероссийской научной конференции молодых учёных в 6-ти частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003 Часть 2., с. 145-147.

Соискатель- (Д, ЦрА уу^ М.Г. Мелкозёров.

V

Тираж 100 экз. Заказ № > Отпечатано в типографии СибГАУ. 660014, Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий», 31.

РНБ Русский фонд

2006-4 6742

Условные обозначения. Индексы. Сокращения.

Введение.

1. Современное состояние проблемы.

1.1. Перспективы развития систем терморегулирования космических аппаратов.

1.2. Основные направления исследований фазоразделителей.

1.3. Структуры газожидкостных смесей.

1.4. Анализ двухфазных течений.

1.5. Постановка задачи исследования.

2. Пространственный пограничный слой в закрученном потоке.

2.1. Уравнения пространственного пограничного слоя.

Характерные толщины. Уравнение импульсов liilC.

2.2. Решение уравнения импульсов пространственного пограничного слоя в граничных условиях для вращательного движения жидкости по закону «свободного вихря».

2.3. Выводы.

3. Экспериментальное исследование однофазного и фазоразделённого закрученного потока.

3.1. Стенд для проведения экспериментальных исследований.

3.2. Экспериментальные установки.

3.3. Методика проведения экспериментальных исследований.

3.4. Выводы.

4. Гидродинамика фазоразделённого газожидкостного закрученного потока.

4.1. Модель фазоразделённого закрученного потока.

Методика расчёта.

4.2. Алгоритм и программа расчёта камеры фазоразделителя.

4.3. Результаты экспериментальных и теоретических исследований однофазного и фазоразделённого закрученного потока.

4.4. Влияние свойств жидкости и газа на течение закрученного потока в камере фазоразделителя.

4.5. Оценка погрешности результатов измерения.

4.6. Выводы по главе.

Высокие тепловые нагрузки, большие расстояния теплопередачи, сложные задачи обслуживания, автономное регулирование являются основными требованиями, предъявляемыми к современным системам терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА).

Требования к оборудованию современных космических аппаратов вызывают необходимость создания более гибких, мощных и надежных систем терморегулирования.

При размещении бортовой аппаратуры в КА при выполнении различных задач возможны два варианта. В первом случае бортовая аппаратура располагается внутри КА в герметичном контейнере, что позволяет использовать высокоточную аппаратуру с определенным диапазоном работоспособности. Во втором случае применяется бесконтейнерный вариант, т.е. бортовая аппаратура расположена непосредственно на рамах и корпусе КА, что позволяет вырабатывающееся тепло бортовой аппаратуры отводить непосредственно в космическое пространство.

Многие виды космических полезных нагрузок следующего поколения рассчитаны на применение многоразовой космической транспортной системы. СТР таких аппаратов обеспечивает заданный уровень температуры в условиях значительных внешних тепловых воздействий [32; 78] по сравнению с нормами для предыдущих КА. Темпы роста энерговооружённости КА существенно увеличились на рубеже 1980 - 1990-х годов, с выходом на рубеж более 100 кВт в районе 2010 года (рисунок 1).

Анализ удельных характеристик (рисунок 2) показывает, что с ростом удельной энерговооружённости единицы массы КА относительная масса СТР в общей массе КА имеет аналогичную тенденцию и в ближайшей перспективе вырастет до 35 %.

Повышение удельной энерговооружённости КА на геостационарной орбите с учётом ограниченных возможностей ракетоносителей по массе выводимого груза

РН «Протон» с разгонными блоками типа ДН выводит массу до 2,8 тонн [62]) возможно только заменой активной СТР на основе однофазного контура на пассивные СТР с применением в корпусных панелях тепловых труб.

Установленная

Рисунок 1 - Энерговооружённость кораблей и станций.

Другой путь повышения энерговооружённости в основном для тяжёлых орбитальных комплексов возможен при переходе на ДФ СТР, использующих энергию фазового перехода теплоносителя, что приводит к снижению относительной массы СТР за счёт уменьшения массы теплоносителя и диаметров трубопроводов [13; 28; 63; 75; 78; 94].

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 ХИММАШ, НПО ГИПХ, МАИ, МГТУ им. Баумана, МЭИ и другие.

Удельная Относительмощность ная масса

КВт

Рисунок 2 - Изменение параметров космических аппаратов 1 - относительная масса системы терморегулирования; 2 - удельная мощность космического аппарата. В основных целях и задачах семинара указывается:

- определение тенденций развития и альтернативных концепций построения двухфазных контуров (ДФК) СТР на основе работ, выполняемых в России, США, Европейском космическом агентстве;

- выявление основных научно-технических проблем в области гидродинамики, теплообмена, материаловедения, математического моделирования, экспериментальных исследований ДФК;

- результаты и предложения по разработке элементной базы и фрагментов ДФК (испарителей, конденсаторов, прокачивающих устройств, сепараторов, сетей теплообменников и др.);

- предложения по совместным научно-техническим разработкам, совместному использованию стендового хозяйства и программных продуктов, лётным испытаниям, внедрению результатов НИР в смежные области народного хозяйства.

В заключительных материалах семинара отмечено, что новое поколение КА характеризуется большим тепловыделением (от единиц до нескольких десятков кВт), высокими автономностью и значительным ресурсом. Для таких КА СТР с двухфазным теплоносителем обладают существенным преимуществом по массе и лучшими условиями термостабилизации, по сравнению с однофазными СТР. Интенсивные работы по созданию двухфазных СТР ведутся в США и европейских странах по следующим направлениям:

- насосные схемы ДФК;

- тепловые трубы и контуры с капиллярной прокачкой (контурные тепловые трубы);

- тепловые насосы.

В США в реализации программ создания ДФ СТР участвуют центры NASA: Johnson, Marshall и известные фирмы: Grumman, Lockheed, Boeing и другие.

В нашей стране значительный объём работ по всем этим же направлениям выполняют РКК «Энергия», Исследовательский центр им. М.В. Келдыша, НПО ПМ, НПО им. С.А. Лавочкина и их смежники. Так, важнейшей совместной работой РКК «Энергия» и Исследовательского центра им. М.В. Келдыша является отработка принципиально новой СТР для Международной космической станции на базе использования ДФК циркуляционной СТР, рабочим телом которого является аммиак. Использование скрытой теплоты испарения аммиака в ДФК существенно увеличивает возможности теплопереноса и снижает расход теплоносителя. ДФК обладает значительными преимуществами в энергопотреблении, массе, габаритах по сравнению с однофазными контурами. Данный принцип заложен в систему централизованного теплоотвода российского сегмента Международной космической станции. По данным академика Семёнова Ю.П. [63] энергопотребление СТР российского участка на базе ДФК (по сравнению с однофазным контуром) при максимальной мощности 30 кВт на порядок меньше, причём масса СТР меньше почти в двое.

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 теплоёмкостный механизм. Использование двухфазных СТР приводит к существенному сокращению энергопотребления нагнетателей, уменьшению размеров и массы гидравлических трактов, уменьшению объёма теплоносителя и массы СТР в целом.

По данным [28; 63; 75; 78; 88] использование двухфазного потока для осуществления теплопередачи позволяет существенно снизить указанные параметры за счёт снижения массы теплоносителя на 70 - 80 %.

Несмотря на указанные 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. Келдыша 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), а отсутствие электромеханических устройств позволяет обеспечивать высокий ресурс (более 10 лет) безотказной работы, что является важным фактором при проектировании автономных КА.

Из этого следует, что переход на двухфазный принцип теплопередачи обеспечивает новый, более высокий технический уровень СТР, а также создаёт предпосылки для создания более совершенных и эффективных КА, характеризуемых возрастанием энергетических и габаритных показателей при длительном сроке эксплуатации.

Процессы разделения двухфазных сред составляют основу многих технологических производств химической, газовой, металлургической, нефтехимической и других отраслей промышленности.

Широкое распространение получили центробежные фазоразделители различных типов. Центробежное разделение газожидкостных сред отличается высокой эффективностью и широко применяется в тепло- и массообменной аппаратуре [21; 41; 43; 44; 48; 57; 65; 70].

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 фазоразделения в тепло- мас-сообменных аппаратах на конкретных конструкциях не могут быть использованы в условиях автономной работы КА.

Учитывая изложенное, следует подчеркнуть, что создание и разработка более совершенных методов расчёта и проектирования систем фазоразделения, позволяющих создавать экономичные и эффективные фазоразделители энергоустановок, работающих в условиях космического пространства, является актуальной и практически значимой научно-технической задачей, что требует для своего решения дополнительных исследований течения двухфазного потока в камере фазоразделите-ля.

Создание достоверной математической модели течения двухфазного газожидкостного закрученного потока позволит разрабатывать и проектировать оптимальные камеры фазоразделителей энергетических контуров КА. На основе этих математических моделей, с использованием новых компьютерных технологий возможно быстрое и оптимальное проектирование систем фазоразделения с одновременным сравнительным анализом нескольких вариантов конструкций в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров. Это существенно снизит материальные, временные и интеллектуальные затраты на проектирование, доводку и испытания фазоразделителей энергоустановок JIA.

Автор признателен доктору технических наук, доценту А.А. Кишкину за ценные замечания и консультации при постановке задачи и обсуждении результатов исследования, а также коллективу кафедры «Двигатели летательных аппаратов», принимавшему участие в изготовлении оборудования и проведении экспериментальных исследований.

Общие выводы

1. На основе существующих тенденций роста энерговооружённости КА с герметичными контейнерами изложена перспективность разработки и применения двухфазных энергетических контуров КА и в частности СТР. Показано, что одним из основных элементов, обеспечивающих работоспособность и устойчивость работы двухфазных энергетических контуров, является фазоразделитель.

2. Выполнено преобразование уравнений импульсов пространственного пограничного слоя (1111С) для граничных условий потока, закрученного по закону «свободного вихря» и получены аналитические выражения для оценки толщины потери импульса и напряжения трения на стенке камеры фазоразделителя. На основе полученных соотношений разработана модель двухфазного закрученного потока в камере фазоразделителя, учитывающая взаимодействие газовой и жидкой фазы, движение закрученного потока в окружном и осевом направлении.

3. Спроектирован и изготовлен комплекс специализированных установок с автоматической регистрацией и обработкой экспериментальных данных, позволивший провести исследования гидродинамики закрученного потока в камере фазоразделителя в диапазоне изменения геометрических и режимных параметров, присущих энергетическим контурам КА.

4. Экспериментальные исследования закрученного потока подтвердили основные допущения и результаты аналитических расчётов гидрогазодинамических параметров потока в проточной части камеры фазоразделителя.

5. 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 фазоразделе-ния.

6. Методика и программа расчёта камеры фазоразделителя зарегистрированы в Роспатенте РФ, на что получено Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002611793 от 18 октября 2002 года.

1. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1960 г. 715 с.

2. Абрамович Г.Н., Степанов Г.Ю. Гидродинамика закрученного потока в круглой трубе с внезапным увеличением поперечного сечения и при истечении через насадок Борда. Механика жидкости и газа, 1994, № 3, с. 51-66.

3. Александров О.Г. Системы терморегулирования автоматических космических аппаратов. Ч. I. Красноярск. КИКТ, 1990, 83 с.

4. Баранов Д.А., Кутепов A.M., Лагуткин М.Г. Расчёт сепарационных процессов в гидроциклонах. Теоретические основы химической технологии, 1996, т. 30, № 2, с. 117-122.

5. Бобков А.В. Центробежные насосы систем терморегулирования космических аппаратов. Владивосток: Дальнаука, 2003, 217 с.

6. Боровский Б.И., Овсянников Б.В. Расчет отводящего устройства центробежного насоса с лопаточным направляющим аппаратом. Учебное пособие. М.: МАИ, 1984. 33 с.

7. Боровский Б.И., Сорокина JI.A. Расчет радиальных сил в насосе со спиральным отводом и лопаточным направляющим аппаратом: Программа инв. №0156И. Отраслевой фонд алгоритмов и программ САПР. М., 1985, 27 с.

8. Борщёв И.О. Разработка метода расчета и исследование лопаточных отводов центробежных насосов: Диссертация на соискание учёной степени к-та техн. наук. Л.: ЛПИ, 1989, 154 с.

9. Броунштейн Б.И., Фишбайн Г.А. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах. Л.: Химия, 1977, 279 с.

10. Буевич Ю.А., Корнеев Ю.А. О межфазном массо- и теплообмене в концентрированной дисперсной системе. ИФЖ, 1973, т. 25, № 4, с. 594-600.

11. П.Вайсман М.Д. Термодинамика парожидкостных потоков. М.: Энергия, 1967, 272 с.

12. Венгерский Э.В., Морозов В.А., Усов Г.Л. Гидродинамика двухфазных потоков в системах питания энергетических установок. М.: Машиностроение, 1982,218 с.

13. Вильяме Р. Проектирование СТР с двухфазным аммиачными теплоносителем для ОКС. SAE Tech. Pap. Ser. 1987, № 871506.

14. Гарвей Э., Мак-Элрой У., Уайтли А. Об образовании полостей в воде. В кн.: Вопросы физики кипения. М.: Мир, 1964, с. 47-65.

15. Гафуров О.А. Влияние дисперсности газовой фазы на работу ступени подвижного электроцентробежного насоса трубы. Уфа: БашНИПИ нефти, 1973, вып. 34, с. 36-49.

16. Головёнкин Е.Н., Двирный В.В., Ковалёв Н.А., Краев М.В., Рузанов В.П., Смирнов-Васильев К.Г. Агрегаты автономных энергетических систем. Красноярск, КрПИ, 1986, 89 с.

17. Двухфазные системы. Обзор по материалам зарубежных публикаций. Железно-горек: НПО «Прикладная механика», 1989, 219 с.

18. Ден Г.Н., Шершнева А.Н. Влияние вихревой улитки на поток за колесом центробежной ступени. Изв. ВУЗов. Сер. «Энергетика», 1965, №2, с. 32-26.

19. Детонация и двухфазное течение. Сб. статей. М.: Мир, 1966,374 с.

20. Димант П.Н. Расчет спирального кожуха центробежных вентиляторов и насосов. Научные доклады высшей школы. Серия "Энергетика", 1959, №2, с. 29-34.

21. Дудко А.С. Теоретическое исследование растворения газов в вихревой камере без учёта коагуляции пузырьков. ИФЖ 1990, т.59, № 1, с. 48-51.

22. Зубер Д., Финдле А. Средняя объёмная концентрация фаз в системах с двухфазным потоком. Теплопередача, № 4, 1965, с. 29.

23. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975, 559 с.

24. Ильичев В.И., Неуймин Г.Г. О законе распределения размеров газовых пузырьков в турбулентном потоке жидкости. Акустический журнал. 1965, т. И, вып. 4, с. 453-457.

25. Камке Э. Справочник по дифференциальным уравнениям в частных производных первого порядка. М.: Физматгиз, 1966, 260 с.

26. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. М.: Наука, 1970, 102 с.

27. Коптелов К.А., Романов С.Ю., Цнхоцкий В.М. Кондиционирование воздуха на пилотируемых орбитальных станциях. Холодильный бизнес, 1999, № 3, с. 6-7.

28. Коротеев А.С., Нестеров В.М. Актуальные проблемы космической энергетики. Известия Академии наук. Энергетика № 5, 2002, с. 3-19.

29. Костерин С.И., Финантьев Ю.П. К вопросу о структуре турбулентного потока в кольцевом канале при вращении внутреннего цилиндра. Инженерно-физический журнал. 1963. №10, с. 21-25.

30. Кочин И.Е., Кибель И.А., Розе М.В. Теоретическая гидромеханика, ч.1, Физмат-гиз, 1963, 584 с.

31. Кочин Н.Е., Кибель И.Е., Розе М.В. Теоретическая гидромеханика, ч.2, Физмат-гиз, 1963, 728 с.

32. Краев М.В., Лукин В.А., Овсянников Б.В. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. М.: Машиностроение, 1985,-128с.

33. Краев М.В., Никитин В.В., Астафуров А.С., Булатова Ю.В. Разработка фазораз-делителей ДФК СТР. Экспериментальные исследования фазоразделителя. Отчёт о НИР IK.38 (промежуточный), 1991, 24 с.

34. Краев М.В., Кишкин А.А. Разработка агрегатов систем терморегулирования космических аппаратов на основе двухфазного контура. Отчёт о НИР Б4-14, 1995, 19 с.

35. Краев М.В., Кишкин А.А., Сизых Д.Н. Гидродинамика малорасходных насосных агрегатов. Красноярск: САА, 1998,157 с.

36. Краев М.В., Кишкин А.А., Мелкозёров М.Г. Гидродинамика потока в канале пассивного фазоразделителя. Вестник КГТУ, 2000, с. 170-179.

37. Краев М.В., Кишкин А.А. Мелкозёров М.Г. Гидродинамика двухфазного потока в камере пассивного фазоразделителя. ИВУЗ «Авиационная техника», № 3, 2002 г., Казань, с. 22-26.

38. Кроу, Шарма, Сток. Численное исследование газоканальных потоков с помощью метода "капля внутренний источник". Теоретические основы инженерных расчётов, № 2, 1977, с. 150.

39. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Энергия, 1976, 296 с.

40. Кутепов A.M. Расчёт сепараторов циклонного типа. Химическая промышленность, 1964, № 4, с. 55-62.

41. Кутепов A.M., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. М.: Высшая школа, 1986,448 с.

42. Лагуткин М.Г., Климов А.П. Режимные работы гидроциклона-дегазатора. -Журнал прикладной химии, 1993, т. 66, вып. 2, с. 23-30.

43. Лагуткин М.Г., Баранов Д.А. Выбор оптимальных конструктивных и режимных параметров работы гидроциклонов. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 1998, №2, с. 3-5.

44. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. 3-е изд., перераб и доп. М.: Наука, 1970, 940 с.

45. Лорет Дж., Гопалакришнан С. Взаимодействие между рабочим колесом и спиральным отводом насоса на нерасчетных режимах. Теоретические основы инженерных расчетов, 1986, №1, с. 12-15.

46. Мамаев В.А, Одишария Г.А., Семёнов Н.И, Точигин А.А. Гидродинамика газожидкостных смесей в трубах М.: Недра, 1969,208 с.

47. Марков В.А., Ершов А.И., Шишло Б.М. Расчёт инерционного сепаратора для разделения газо(паро)жидкостных систем. Теоретические основы химической технологии, 1992, том 24, № 2, с. 902-906.

48. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Энергия, 1977, 343 с.

49. Муравьёв И.М., Репин Н.Н. Исследование движения многокомпонентных смесей в скважинах. М.: Недра, 1970,208 с.

50. Накоряков В.Е., Кашинский О.Н. Турбулентная структура двухфазных газожидкостных потоков. Новосибирск. Теплофизика и аэромеханика, т.4, № 2, 1997, с. 115-125.

51. Никитин В.В., Астафуров А.С., Булатова Ю.В. Разработка фазоразделителей ДФК СТР. Проектирование испытательного оборудования. Справка о НИР IK.38, 1990, 19 с.

52. Никитин В.В., Астафуров А.С., Кишкин А.А. Расчёт характеристик фазораздели-тельных устройств. Отчёт о НИР IK.12 (промежуточный), 1993, 27 с.

53. Никитин В.В., Чернобаев Н.Н., Кишкин А.А. Выбор проектных параметров и расчёт характеристик высоконапорного насоса для АДМ. Расчёт характеристик фазоразделительных и смесительных устройств АДМ. Отчёт о НИР IK 12 (заключительный), 1994, 25 с.

54. Никитин Г.А. Щелевые и лабиринтные уплотнения гидроагрегатов. М.: Машиностроение, 1982, 136 с.

55. Николаенко А.Д., Кутепов A.M., Тютюнников А.Б. Исследование эффективности циклонного сепаратора. Теоретические основы химической технологии, 1970, т. IV, № 2, с 296.

56. Николаенко А.Д., Кутепов A.M., Тютюнников А.Б. Разработка и исследование центробежных сепараторов для тепло- и массообменных аппаратов. Труды МИХМ, т. I, вып. I, 1969, с. 296-300.

57. Поликовский А.Ю., Абрамович Г.Н. Экспериментальная проверка основных допущений расчета спиральных кожухов центробежных нагнетателей и вентиляторов. Труды ЦАГИ, 1973, №328, с. 42-51.

58. Пфлейдерер K.JI. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М.: Гостехиздат, 1960,684 с.

59. Саламатин А.Н., Поникаров И.И., Перелыгин О.А., Конюхов В.М., Голубева И.Л. Исследование течений в пограничных слоях в процессах тонкослойного сепарирования. Теоретические основы химической технологии, 1995, том 29, № 1, с. 9-14.

60. Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б. Центробежные компрессоры. Л.: Машиностроение, 1982,271 с.

61. Семёнов Ю.П. Результаты и проблемы разработок ракетно-космической корпорации «Энергия» в области космической энергетики. Известия Академии наук. Энергетика № 5, 2003, с. 3-21.

62. Семёнов Ю.П. Новые российские технологии в ракетно-космической технике последних лет. Вестник Российской академии наук, том 70, № 8, 2000, с. 696-709.

63. Систер В.Г., Дильман В.В., Овчинников Ю.Д., Трубачёв Ю.Г., Сенькина Э.В. Исследование гидродинамики центробежного сепаратора. Химическая промышленность, 1992, № 11, с. 31-33.

64. Соловьёв В.В., Жихарев А.С., Кутепов A.M. Исследование работы циклонного сепаратора. ЖПХ, 1981, т. IV, № 1, с. 18-22.

65. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 1971, 536 с.

66. Степанов Г.Ю. Гидродинамика решеток турбомашин. М.: Физматгиз, 1962,512 с.

67. Терновский И.Г., Кутепов A.M. Гидроциклонирование. М.: Недра, 1994,350 с.

68. Тонг JI. Теплоотдача при кипении и двухфазное течение. М.: Мир, 1969,344 с.

69. Трулев А.В., Шерстюк А.Н. Расчёт течения двухкомпонентных смесей в насосах и газосепараторах. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2000, № 8, с. 36-38.

70. Турчак Л.И. Основы численных методов. М.: Наука, 1987,390 с.

71. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972,440 с.

72. Уоллис Г. Теоретические модели газожидкостных течений. Теоретические основы инженерных расчётов, 1982, т. 104, № 3, с. 29-35.

73. Фисиенко В.В. Критические двухфазные потоки. М.: Атомиздат, 1978, 159 с.

74. Хай А. Использование двухфазного метода теплопередачи в системе терморегулирования космических аппаратов. AIAA, 1985, с. 18-32.

75. Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков. Киев: Наукова думка, 1989,314 с.

76. Хаппель Д.М., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. Пер. с англ. М.: Мир, 1976, 631 с.

77. Херрин М., Пафферсон Д. Предварительное проектирование СТР для'обитаемых отсеков долговременной ОКС. SAE Techn. Pap. Ser. 1987, N 871505.

78. Чисхолм Д. Двухфазные течения в трубопроводах и теплообменниках. М.: Недра, 1986,432 с.

79. Шкарбуль С.Н. Исследование пространственного течения в рабочих колесах центробежных компрессоров. Автореферат дис. д-ра техн. наук. Л., ЛПИ, 1974, 41 с.

80. Шкарбуль С.Н. Пространственное течение вязкой жидкости в рабочих колесах центробежных компрессоров. Дис. докт. техн. наук, ЛПИ, 1974, 405 с.

81. Шкарбуль С.Н. Расчет пространственного пограничного слоя во вращающихся каналах центробежных колес. Энергомашиностроение, №1,1973, с. 19-29.

82. Шкарбуль С.Н., Вольчук B.C. Анализ пространственного пограничного слоя в центробежном колесе турбомашины. Энергомашиностроение, 1977, №1, с. 1416.

83. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974, 744 с.

84. Штеренлихт Ф.В. Гидравлика. М.: Эноргоиздат, 1984, 489 с.

85. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. М.: Машиностроение, 1980,240 с.

86. Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. М.: Машиностроение, 1982, 200 с.

87. Эделыптейн Ф., Браун Р. Предварительные испытания двухфазного контура. AIAA, 1986, с. 1296.

88. Яременко О.В. Испытания насосов: Справочное пособие. М.: Машиностроение, 1976, 225 с.

89. Karman Tn. Uber laminare und turbulente Reibung. ZAAM, 1921, №1, pp. 233-252.

90. Mager A. Generalization of boundary layer momentum - integral equations to three -dimensional lows, including those of rotating system, NACA, Rep. №1067, 1952, pp. 232-241.

91. Mahefkey E. Т. Joint Thermophysics, Fluids, Plasma and Heat Transfer Conference, ST. Louis, NO. 1982. - 13 p.

92. Yamada I. Risistance of flow through annular with on inner rotating cylinder // Bul-leten of ASME. 1962.-Vol.5, N 18, pp. 302-310.

93. Wise P.C. Spacecraft Thermal Control Technology: Design Challing into 1990's. Acta Astronautica, 1986. P. 43-45.