автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование локального теплообмена в функциональных полостях высокотемпературных тепломеханических устройств

ииа1ВЭВ48

ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Ким Дык Лонг

^

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОЛОСТЯХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИХ

УСТРОЙСТВ

Специальность 05 13.18 «Математическое моделирование, численные методы и

комплексы программ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 МАЙ 2008

Тула 2008

003169648

'абота выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Чаучный руководитель

доктор технических наук, профессор Поляков Евгений Павлович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Чуков Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор Швыкин Юрий Сергеевич

Ведущая организация: ФГУП «Государственное научно-

производственное предприятие «Сплав», г. Тула

Защита состоится « ЛМ^ШХ 2008 г в час на заседании диссертационного совета Д 212 271.05 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300600, г. Тула, ГСП, просп Ленина, д.92, учебный корпус № 9, ауд. № 101)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Автореферат разослан « М&Л— 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В М Панарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Развитие энергетики сопровождается непрерывным, прогрессивно возрастающим увеличением мощности различного рода машин и установок В связи с этим происходит, с одной стороны, повышение параметров рабочих тел, а с другой - рост скоростей отдельных звеньев механизмов

Широкий круг устройств современной ракетно-артиллерийской техники может быть отнесен к разряду высокотемпературных тепломеханических систем (ВТС), то есть систем емкостей и каналов, снабженных подвижными элементами, энергия для функционирования которых получается в результате горения пороха

Существенной особенностью высокотемпературных тепломеханических устройств с твердотопливным источником, является высокотемпературный разогрев элементов конструкции за счет теплообмена Наличие теплообмена значительно влияет на энергетические возможности устройства, которые меняются по мере прогрева конструкции Последнее обстоятельство приводит к нестабильности характеристик системы, а чрезмерный разогрев конструкции может вызвать потерю работоспособности системы

До недавнего времени при разработках ВТС процессу теплообмена уделялось недостаточное внимание В известной литературе теплообмен в функциональных полостях ВТС либо не учитывался, либо изучался с целью определения общих тепловых потерь В большинстве случаев в этих источниках не дается подробного анализа процессов тепломассопереноса в рабочих полостях ВТС Авторы ограничиваются описанием конструкции, некоторыми практическими данными по работе механизма и выбору его рабочих параметров

Разработка новых схем, развитие и совершенствование высокотемпературных тепломеханических устройств требуют более глубокого изучения процесса теплообмена В настоящее время необходима методика расчета локальных параметров теплообмена в рабочих полостях ВТС

Из выше изложенного очевидна актуальность разработки научно-обоснованной методики анализа тепломеханического состояния конструкций высокотемпературных тепломеханических устройств Такая методика должна позволить прогнозировать уровень механических и тепловых параметров рабочего тела непосредственно в местах расположения исполнительных элементов ВТС В основе такой методики должно лежать математическое моделирование локальных параметров тепломассопереноса в сложных тепломеханических устройствах Решению этой научно-технической задачи и посвящена диссертационная работа

Целью настоящей работы является разработка математических моделей комплексного анализа интенсивности локального теплообмена в функциональных полостях высокотемпературных тепломеханических устройств, позволяющего на этапе проектирования прогнозировать уровень механических и тепловых нагрузок на исполнительные органы высокотемпературных тепломеханических устройств

Задачи исследования:

- анализ особенностей функционирования высокотемпературных тепломеханических устройств и определение термодинамических и газодинамических параметров рабочего тела в функциональных полостях ВТС,

- разработка математической модели нестационарного теплообмена при струйном течение газа в замкнутой полости постоянного объема,

- разработка математического описания процесса тепломассопереноса в полости, относительная длина которой превышает дальнобойность струи,

- исследование основных закономерностей нестационарного теплообмена в функциональных полостях механизмов,

- разработка инженерной методики расчета локального теплообмена в рабочих полостях ВТС,

- экспериментальная апробация математических моделей,

- математическое моделирование функционирования газодинамического временного устройства для систем регулирования импульса тяги двигателя

Методы исследования. Для корректного решения поставленных задач в работе использовались современные математические методы исследования Методологическую основу проведенных исследований составило математическое моделирование термодинамических, газодинамических и теплообменных процессов, основанное на использовании фундаментальных законов неравновесной термодинамики и механики сплошных сред

Научная новизна проведенных исследований В рамках задачи, решаемой в данной диссертации, получены на базе концепции неравновесной термодинамики и диссипативной тепломеханики аналитические решения для комплексных обобщенных параметров, характеризующих взаимообусловленную динамику механических, термогазодинамических, теплообменных процессов и процессов разогрева конструкций в высокотемпературных тепломеханических устройствах, представляющих собой системы полостей и каналов, снабженных исполнительными элементами, энергия для функционирования которых получается в результате горения унитарных топлив

Теоретическая и практическая значимость. Результаты, полученные в диссертационной работе, представляют собой вклад в развитие теории нестационарного тепло - и массопереноса, нетрадиционных форм теплообмена и могут быть использованы при решении прикладных задач разработки перспективных тепломеханических бортовых устройств беспилотных летательных аппаратов, наземных силовых газовых приводов и систем управления, пиромеханизмов метательных установок и разделяющихся контейнеров, пневмо- и пирогидравличе-ских систем различного назначения.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Проектирование и производство систем и комплексов» (г. Тула, 2005, 2006 г.), Всероссийской научно-технической конференции «XXI век глазами молодых ученых и специалистов» (г Тула, 2006 г ) научных семинарах кафедры ракетостроения

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 , научных статей

Автор защищает:

- результаты анализа особенностей функционирования высокотемпературных тепломеханических устройств,

- концептуальные модели тепло и массопереноса в функциональных полостях высокотемпературных тепломеханических систем,

- математические модели, характеризующие интенсивность изменения во времени термодинамических и газодинамических параметров рабочего тета в полостях ВТС,

- результаты теоретических и экспериментальных исследований локальных параметров теплообмена в функциональных полостях высокотемпературных тепломеханических систем,

- результаты моделирования функционирования газодинамического временного устройства для систем регулирования импульса тяги двигателя.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников из 59 наименований, и содержит 127 страниц машинописного основного текста, 31 рисунок, 2 таблицы Общий объем работы 149 страниц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, ее теоретическая и практическая значимость, определена цель и сформулированы основные задачи исследования, научная новизна полученных результатов, излагается ее основное содержание

В первой главе рассматриваются особенность рабочих процессов в функциональных полостях высокотемпературных тепломеханических систем.

Рабочая камера тепломеханического устройства представляет собой замкнутую полость постоянного или переменного объема. В этой камере располагаются исполнительные органы механизма Исполнительным органом будем условно называть детали механизма, воспринимающие на себя воздействие газа и видоизменяющиеся или перемещающиеся под действием этого газа.

Возможны два принципиально отличных процесса поступления высокотемпературного газа в функциональную полость тепломеханического устройства В одном случае высокотемпературный газ может поступать в полость в результате сгорания твердого топлива, непосредственно заполняющего рабочую камеру ВТС При относительно высокой плотности заполнения полости топливом струйки газа от горящих зерен натекают на стенки конструкции и тем самым интенсифицируют процесс теплопереноса

В другом случае горячий газ из газогенератора (камеры двигателя, специальной предкамеры, форкамеры и др) поступает в рабочую потость газодинамического тепломеханического устройства через калиброванное отверстие в диафрагме в виде струи большой скорости

Интенсивная передача тепла от газа к стенке может привести к нагреву конструкции до таких температур, при которых наступает падение прочности материала Поэтому выбор материала, проведение расчетов на прочность, изыскание мер тепловой защиты немыслимы без учета температурного состояния

элементов конструкции. Из выше изложенного вытекает первая основная задача изучения теплообмена, состоящая в определении температурного режима конструкции механизма

Вторая задача, преследуемая при изучении теплообмена в подобного рода устройствах, заключается в установлении зависимости для определения тепловых потоков, воспринимаемых исполнительными органами типа заряда твердого топлива или взрывчатого вещества Величина этих потоков определяет рабочие характеристики исполнительного органа механизма

Третья задача сводится к определению тепловых потерь. Знание величины тепловых потерь позволяет определить необходимые термодинамические параметры газа в рабочей полости ВТС, характеристики механизма в целом

Процессы теплообмена в рабочих полостях тепломеханических устройств по своему характеру разнообразны В одних полостях, где например непосредственно располагается твердое топливо, нет направленного течения, а есть натека-ние струек газа от горящих зерен топлива на поверхность камеры В других имеет место интенсификация теплообмена высоким уровнем турбулентного вихревого движения теплоносителя или струйного пристеночного течения вдоль всей внутренней поверхности функциональной полости. Для того чтобы выяснить возможности использования уже известных работ для определения локальных параметров теплообмена в ВТС, в работе проведен подробный анализ основных результатов этих исследований

Анализируя работы Мюрауру, Серебрякова М.Е., Кузьмина М.П, Протопопова В А, Приснякова В.Ф., Кутателадзе С.С , Боришанского В.М., Орлова Б В., Кузнецова А Ф, Кэрта Б.Э., Козлова В.И., Князевой И В,, Карлсона М, Сидер Р, Ерохина Б Т, Шорникова Е Е. по исследованию теплообмена в рабочей полости механизмов, можно заключить, что условия теплообмена в сильной степени зависят от организации процесса газоввода, от характера течения газа в рабочей полости, от геометрии и формы этой полости, от режима наполнения и влияния дополнительных факторов Большинство полученных зависимостей дают возможность определить удельный тепловой поток, осредненный по внутренней поверхности рабочей полости. Предлагаемые методики не позволяют оценить неравномерность нагрева конструкции. Наиболее целесообразно использовать эти зависимости при определении лишь тепловых потерь

В настоящее время необходима методика анализа тепломеханического состояния элементов конструкции газодинамических тепломеханических устройств, которая позволяла бы прогнозировать уровень механических и тепловых параметров рабочего тела непосредственно в местах расположения исполнительных элементов ВТС В основе методики должно лежать математическое моделирования локальных параметров тепломассопереноса в сложных тепломеханических устройствах.

Вторая глава посвящена математическому моделированию термогазодинамических параметров рабочего тела в функциональных полостях ВТС.

Для расчета параметров газового течения в функциональных полостях ВТС была предложена следующая концептуальная модель. Согласно принятой моде. ли в замкнутой полости можно выделить две характерные области область на-

правленного течения высокотемпературного газа (струйного, вихревого) и газовую среду с параметрами, близкими к равновесному термодинамическому состоянию

В первом разделе рассматриваются термодинамические характеристики газовой среды в функциональных полостях тепломеханических устройств

Для того чтобы получить уравнения для локальных параметров теплообмена в виде критериальных обобщенных соотношений, необходимо и термодинамические параметры газовой среды в полости ВТС представить в форме зависимостей от определяющих безразмерных комплексов. С этой целью дифференциальные уравнения неравновесной термодинамики открытых систем были приведены к безразмерному виду. В результате интегрирования такой системы уравнений получены следующие выражения для текущих термодинамических значений плотности, температуры и давления газовой среды соответственно

Рс = РнК®(К ), ФСК) = * + 1-=г---0)

=

рс=рн+х{к~1)р„[1

(2)

(3)

где <р\К\сР2^о)~ произвольные функции безразмерного времени Р^ = I

тя

X - коэффициент потерь энергии Можно показать, что безразмерный комплекс *

г0 есть обобщенный критерий Фурье, который представляет собой произведение критерия Фурье ^ на критерий Померанцева Р0 плюс единица, те.

= 1 +Р0Гд Таким образом, определяющими параметрами в уравнениях (1) - (3) выступают критерий Фурье и критерий Померанцева

Коэффициент х > упитывающий потери энергии втекающего газа, определялся экспериментально Результаты экспериментов удалось обобщить следующей полуэмпирической зависимостью

Х = 1-АЛ(0,715+0,285Ы1)

(КГ-; К-1

гд ы2=0А15~(к-1)р„%-Щ Р01

■ для стальной не теплоизолированной емкости.

os ~D

, GW J .Я.

Для определения среднего значения коэффициента % предложена эмпирическая формула следующего вида

Х = 1-3,9 10'

~ G Л

В этой формуле G = —, аст =——--коэффициент температуропроводности

тн СстРст

материала стенки емкости

Второй раздел посвящен исследованию газовой динамики струйного течения в функциональных полостях тепломеханических устройств

Рабочая камера тепломеханических устройств представляет собой замкнутую или полузамкнутую полость постоянного объема Горячий газ из газогенератора может поступать в рабочую полость ВТС через калиброванное отверстие в диафрагме в виде струи большой скорости. В зависимости от относительной длины рабочей полости движение несвободной струи можно представить двумя схемами Для первой схемы характерным является конечная дальнобойность струи, наличие замкнутых вихрей в рабочей полости и отсутствие струйного течения вдоль внутренней поверхности полости. Такая картина течения имеет место в том случае, если длина полости превышает дальнобойность ограниченной струи Если длина полости меньше дальнобойности струи, то реализуется вторая схема Здесь, набегая на противоположную от входного отверстия стенку, горячий газ движется по ней в виде полуограниченной пристеночной струи, и струйное движение сохраняется практически вдоль всей внутренней поверхности замкнутой полости.

Распространение турбулентной струи газа в функциональной полости ВТС имеет следующие особенности: втекающая струя является "несвободной", в общем случае она испытывает как "поперечное", так и "продольное" стеснение; струя является нестационарной, нестационарность обусловлена непрерывным изменением давления и плотности газовой среды, в которой распространяется эта струя, при натекании на противоположную от входного отверстия стенку участок свободного расширения струи трансформируется в пристеночное струйное течение

Известно, что струя, попадая в пространство, ограниченное жесткими непроницаемыми стенками, не всегда ведет себя так как свободная, поэтому применение хорошо разработанной теории свободных струй в этом случае может привести к ошибочным результатам.

При определении средней по поперечному сечению скорости газовой струи, в работе использовано общеизвестное выражение для свободной струи с введением поправочного коэффициента т

JSL = — m где т = (;74,23х)~' expfas.lx -45,5х2 j х = -, -, el + о,145 М

^ - площадь поперечного сечения замкнутого пространства, а- коэффициент турбулентной структуры струи; х - расстояние от полюса струи до заданного сечения

Расчеты коэффициента т при а = 0,05 - 0,07 показали, что при хй0,15 струю можно рассматривать как свободную и т = 1 При х >0,15 струю следует рассматривать как стесненную и определять её параметры с учетом коэффициента т Результаты расчетов позволили оценить размеры полостей, при которых параметры струи, распространяющейся в ограниченном пространстве, можно рассматривать как параметры свободной струи Для цилиндрической полости при

— <[ 4-7,1—] - струю можно рассматривать как свободную, при — >\ 4-7,1— Я \ Я) . Я ^ Я)

струю следует считать стесненной и параметры этой струи в сечениях, для которых х > 0,15, необходимо определять с учетом коэффициента т

Исследования нестационарного струйного течения сравнительно мало освещены в литературе В известных работах рассматриваются лишь некоторые закономерности распространения нестационарных струй Из этих работ следует, что при нестационарном истечении жидкости происходит более быстрое затухание скорости по оси струи. При разгоне струя сужается (в соответствии с ростом импульса), а при снижении потока импульса соответственно расширяется

Нестационарность струи принято характеризовать критерием Струхаля Бк.

0,8

0,6

0,4

0,2

0,2 0,4 0,6 0,8 ?

Рис 1 Изменение безразмерной осевой скорости нестационарной струи в зависимости от критерия Струхаля

Характер изменения безразмерной осевой скорости нестационарной струи в зависимости от критерия Струхаля показан на рис. 1 Распределение скорости и температуры в поперечных сечениях нестационарной струи не зависит от критерия 5Л

Для струйного течения в функциональных полостях ВТС критерий Стру-халя будет иметь следующий вид = , где N. -(к- Для оценки

Р0>

степени нестационарности струи, распространяющейся в замкнутой полости, были проведены исследования, которые показали, что в широком диапазоне изменения относительного секундного притока массы газа 5 число Струхаля не превышает величины порядка (0,6-0,8) Это дает основание полагать, что процесс распространения струи в замкнутой полости в широком диапазоне изменения ё приближенно можно считать квазистационарным и для определения параметров струйного течения использовать теорию стационарных струй Эти особенности струйного течения позволили получить аналитические зависимости для расчета параметров на участке свободного расширения струи, которая распространяется в среде с непрерывно изменяющейся плотностью

Выражение для относительного расхода газа имеет вид

<1,\кх

при —> Р,

101

кр >

О,

= 0,32

О/ V Р/ Р01 .

Количество движения секундной массы газа в рассматриваемом сечении струи, определяемое из уравнения количества движения, имеет следующий вид

К„„ =

к + 1 2к

Кт

1—

Х.к

Р,

р-оМк)

•*1аЧ> 1,6

1,2

0,8

0,4

£=1/ 2лА = 0,7 Ро, 'к

? =

8

10

К

Рис 2 Изменение относительного количества движения секундной массы струи с течением времени при различных значениях степени расширения сопла

Изменение относительного количества движения секундной массы газа в рассматриваемом сечении струи, обусловленное изменением плотности окру-

жающей среды, при постоянном секундном расходе С, и различной степени расширения сопла показано на рис 2 Видно, что чем больше степень расширения сопла, тем интенсивнее уменьшается количество движения секундной массы струи

Горячий газ, набегая на противоположную от входного отверстия стенку, движется по ней в виде полуограниченной пристеночной струи, и струйное движение сохраняется практически вдоль всей внутренней поверхности замкнутой полости

Многочисленные экспериментальные данные позволяют при расчете параметров струи, растекающейся по перпендикулярно расположенной преграде, принять приближенную схему течения. Основные предположения заключаются в том, что после разворота струи течение реализуется в такой форме, которая имела бы место при истечении из цилиндрического кругового источника постоянной высоты в'. Разворот потока происходит в тонком пристеночном слое (зона разворота), который условно отождествляется с кольцевым источником.

Количество движения секундной массы газа в струе вниз по течению от кольцевого источника (г>г*) должно сохраняться постоянным и равным по модулю секундному количеству движения потока на выходе из кольцевого источ-

Пр~ 7

ника К* Отсюда при автомодельном профиле получим V = 9,5—~

V р г

Изменение расхода в пристеночной струе

<

в = 2пг \pvdy = 0,9лгврут = 0,715^К'тур г о

Если предположить, что разворот потока внутри цилиндрического слоя происходит по законам идеальной жидкости, то количество движения секундной массы газа в выходном сечении кольцевого источника должно быть равно количеству движения струи перед зоной разворота, т е К'т, - В случае дозвукового истечения из соплового насадка секундное количество движения струи перед зоной разворота равно его начальному значению

к« - а V - 1 1

При растекании сверхзвуковой струи по плоской безграничной преграде количество движения секундной массы газа будем определять из выражения К** ~ ^«тде к"у - количество движения секундной массы струи перед скачком уплотнения, г]п- коэффициент, учитывающий потери количества движения в скачке уплотнения

Третья глава посвящена математическому и физическому моделированию нестационарного локального теплообмена в функциональных полостях ВТС Глава включает три раздела

В первом разделе исследуется нестационарный теплообмен при струйном течение газа в замкнутой полости постоянного объема Дается аналитическое решение задачи теплообмена между круглой струей и нормально расположенной к оси струи преградой с учетом нестационарности, обусловленной изменением плотности и давления окружающей среды.

Сложная картина газового течения в замкнутых полостях и отличная от классической форма внутренней поверхности сильно усложняют решение задачи при использовании строгих аналитических методов Полученные решения выражаются сложными и громоздкими функциональными зависимостями, а в отдельных случаях точное решение получить вообще невозможно. В работе для решения задачи нестационарного конвективного теплообмена использован приближенный метод теории пограничного слоя Исходным для решения поставленной задач являлось интегральное уравнения пограничного слоя следующего вида

Чтобы решить это уравнение, необходимо было найти распределение скорости и температуры в пограничном слое, для чего использовался метод Кармана-Польгаузена, согласно которому распределение температуры и скорости задается в виде полиномов третьей степени. После интегрирования уравнения (4) было получено дифференциальное уравнение для толщины теплового пограничного слоя

О, которое реша-

лось методом характеристик. Решения этого уравнения.

при

(5)

Уе^жкт2 при р;>к

(6)

Так как согласно закону Фурье —Д-

числа Нуссельт будет иметь следующий вид

д2г 3

—, то выражение для местного

Сложность нестационарного гидродинамического течения в области падения струи чрезвычайно затрудняет аналитическое решение задачи по определению локальных коэффициентов теплообмена в окрестности критической точки Для того чтобы выяснить особенности теплообмена в критической точке, воспользуемся результатами исследования стационарного струйного обтекания плоской преграды, расположенной нормально к потоку Анализ интенсивности теплообмена при стационарном струйном обтекании преграды дает основание полагать, что коэффициент теплообмена а в критической точке замкнутой полости подчиняется следующей зависимости

где Ыик =—Н =—, С, и С2 коэффициенты, подлежащие опытному опреде-

Во втором разделе приводится математическое описание процесса тепло-массопереноса в полости, относительная длина которой превышает дальнобойность струи

Применение традиционных методов теории пограничного слоя для расчета конвективного теплообмена в функциональных полостях, когда отсутствует направленное движение рабочего тела, но имеет место интенсивное вихривое течение, затруднено Использование для этой цели обычной схемы, т е замыкание системы дифференциальных уравнений с помощью критериальной зависимости коэффициента трения от числа Рейнольдса, не возможно, так как отсутствует подобная зависимость для течений, наблюдаемых в рабочих полостях ВТС В связи с этим при разработке математической модели конвективного теплообмена, обусловленного интенсивным вихревым движением теплоносителя в функциональных полостях тепломеханических устройств, использовались основы теории «обновления» вязкого подслоя турбулентного пограничного слоя. Согласно работам Эйнштейна и Ли, Ханрети, Томаса и др перенос количества движения и энергии происходит в процессе замещения текучей среды у стенки Этот процесс разбивается на три элементарных проникновение элемента жидкости с большим количеством движения и энергии к стенке, контакт со стенкой и выброс его.

Задача решается в два этапа, а именно: сначала определяется время контакта гс, а затем коэффициент теплообмена. Для решения уравнения нестационарного процесса замещения газа в вязком подслое и уравнения сохранения энергии для отдельной частицы «элемента» газа использовался операционный метод. Мера осредненной скорости вихревого движения газа в полости определялась из решения системы уравнений, в основу которых были положены принципы обобщенной неравновесной термодинамики. В результате решения задачи была получена система обобщенных уравнений, характеризующих интенсивность теплообмена в полости, относительная длина которой превышает дальнобойность струи.

(8)

лению

¿Ро

# = -9)-*,(»-0»-и?„А> 51!«-е..)»0.5

йЛа йо

St = 0'?I [&°5 + 108,9кпМРг~05] В этой системе приняты следующие обозначения-

^кйт: т; р„ о; вр т„

срРл[Ш: с: х

индекс н соответствует мо-

менту времен г = 0; индекс п - параметрам поступающего в полость газа; индекс р - параметрам истекающего из полости газа

Из анализа системы уравнений следует, что безразмерное значение коэффициента теплообмена & представляет собой функцию следующих обобщенных определяющих комплексов 5/ = /(Ра,Рг,Пн) (10)

Конкретный вид зависимости (10) определялся следующим образом Задаваясь рядом значений независимых величин Ро, Рг, Пн я численно решая систему обобщенных уравнений (9), определялись соответствующие этим независимым величинам значения числа Стантона Зависимость (10) представляли в виде степенной функции

где с,тп,п являются постоянными безразмерными числами, определяемые при проведении численного эксперимента По результатам проведенного численного эксперимента установлено, что функциональная зависимость числа Стантона от определяющих обобщенных комплексов может быть представлена следующим критериальным уравнением

& = 0,95 • Рд 932П°н7 Рг04 (11)

Третий раздел включает результаты экспериментального исследования интенсивности теплообмена в функциональных полостях высокотемпературных тепломеханических систем. Экспериментальное исследование интенсивности теплообмена в функциональных полостях высокотемпературных тепломеханических систем проводилось на установке, разработанной на кафедре ракетостроения ТулГУ

Было проведено физическое моделирование процесса тепломассопереноса

при наполнении и опорожнении рабочей полости нагретым до температуры 95° С воздухом, подаваемого из теплообменника под давлением 0,8МПа

Рассчитывались значения критерия Нуссельта в функции от обобщенного критерия Фурье и безразмерного расстояния от области падения струи до рассматриваемой точки поверхности. В расчетах за определяющую температуру при определении теплофизических параметров была принята температура газовой среды Результаты опытов представлены на рис 3

При относительной длине полостей меньше 2 изменение температуры внутренней поверхности стенок в направлении пристеночного струйного течения показано на рис 4

Рис 3 Экспериментальная зависимость Ш = Ии^) для емкости, относительная длина рабочей полости которойравна 0,34

Для обобщения опытных данных по коэффициенту теплообмена была использована зависимость (7) В области параметров, охваченных опытом, эта зависимость с точностью до 0,5-1% может быть заменена приближенным выражением следующего вида

, 10,2КеРг<р{р;Уо Х Ни2

Учитывая последнее равенство, результаты обобщений приведены на рис 5 Линейной характер обобщенной зависимости удобен для практического пользования при прогнозировании тепловых нагрузок в конкретном тепломеханическом устройстве

Полученные обобщенные зависимости использовались для расчета коэффициента теплообмена в замкнутых полостях при различных значениях давления в генераторе и размера отверстия диафрагмы Сравнительный анализ расчета и

эксперимента указывает на удовлетворительную сходимость теоретических и опытных результатов Максимальное расхождение опытных и теоретических величин не превышает 10-15%

Ост"!

90

70

50

30 10

2 4 6 8 10 12 х.102м Рис 4 Распределение температуры внутренней поверхности рабочей полости емкостей в направлении пристеночного струйного течения

о .— = 0,34, А - — = 1,0 а-—= 1,4

П £> £>

Л2-1

80

60

40

20

\ Р01=70Ю м

1 г01=22Ю^ / кг /

у^1

10 20 30 40 ЮЯе,Рг<р{р;У;

Ш2

Рис 5 Результаты обобщения опытных данных о-^=2, «- Ро'=4 Ро'=8, к-Ро' =10

Четверная глава. В литературе по неуправляемым летательным аппаратам часто встречаются конструкции, использующие газодинамические временные устройства (ГВУ) Эти механизмы используются для создания задержки включения дополнительных двигателей раскрутки, тормозных устройств, раскрытия стабилизаторов, в системе отсечки тяги двигателя

Рис 6 Схема устройства получения различной дальности полета неуправляемого летательного аппарата посредством использования ГВУ

В ГВУ в качестве исполнительного органа широко применяются прорывные мембраны. Определяющим фактором работы мембран является их нагрев. Степень нагрева мембраны, величина давления разрушения зависят от режима работы ГВУ, геометрических параметров рабочей полости, положения запального отверстия мембраны в рабочей полости ГВУ. С целью оценки влияния этих факторов в работе на примере наиболее общих и простых в конструктивном отношении газодинамических временных устройств рассмотрен тепловой режим и особенности работы исполнительных органов в условиях их интенсивного нагрева.

Математическая модель теплового состояния стенки рабочей полости ГВУ включает дифференциальные уравнения теплопроводности граничные и начальные условия

Проведенные в диссертационной работе исследования позволили получить следующую развернутую формулировку граничных условий для задачи нестационарной теплопроводности на поверхности корпуса ГВУ

где п - внутренняя нормаль к поверхности теплообмена

Особенности тепломассопереноса в функциональных полостях ГВУ обусловливают значительные трудности, с которыми сопряжены тепловые расчеты такого рода конструкций При теоретическом исследовании нестационарного те-

Огневой импульс на вскры- Сопла отсечки тяги тие сг

Запальное отвер- мембрана стие

Двигатель твердого топлива

плового режима конструкции ГВУ в работе использован численный метод конечных элементов (МКЭ) Результаты численного расчета нагрева стенок ГВУ с различной относительной длиной рабочей полости показан на рис. 7

Проведенные исследования позволяют сделать важный практический вывод Так как степень нагрева мембраны в рабочей полости неодинаковая, то при настройке ГВУ в системе регулирования импульса тяги при полете на промежуточные дальности достаточно изменить лишь положение запального отверстия относительно области падения струи в функциональной полости такого тепломеханического устройства перед стартом летательного аппарата.

Рис 7 Нагрев стенок ГВУ с различной относительной длиной рабочей полости 1-г = 0,15с; 2-г = 0,40с, 1-^ = 0,3, 2-% = !,О, 3-Н/П = 1,4

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации решена научно-техническая задача, заключающаяся в разработке подхода к моделированию интенсивности локального теплообмена в функциональных полостях высокотемпературных тепломеханических устройств, позволяющего на этапе проектирования проводить комплексный анализ и прогнозировать уровень механических и тепловых нагрузок на исполнительные органы широкого круга устройств современной ракетно-артиллерийской техники Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем 1 Разработана концепция математического моделирования тепломассопере-

носа, основанная на учете струйного и вихревого движения газа в условиях интенсивного изменения плотности рабочего тела в функциональных полостях высокотемпературных тепломеханических систем

2 Получены аналитические обобщенные критериальные зависимости для параметров локального теплообмена при струйном течении газа и параметров теплообмена в функциональных полостях ВТС, относительная длина которых превышает дальнобойность струи

3 Адекватность математических моделей подтверждена результатами проведенных экспериментальных исследований. Максимальное расхождение опытных и теоретических величин не превышает 10-15% Результаты теоретических и экспериментальных исследований удалось обобщить линейной зависимостью, удобной для практического пользования при прогнозировании тепловых нагрузок в конкретном тепломеханическом устройстве

4 Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлены следующие характерные особенности теплообмена в функциональных полостях ВТС

- непрерывное увеличение плотности газа и связанное с ним уменьшение скорости струйного течения газа у поверхности приводит к тому, что на начальной стадии наполнения полости наблюдается увеличение коэффициента теплообмена, в некоторый момент времени коэффициент теплообмена а достигает максимального значения и в последующие моменты времени уменьшается;

- интенсивность теплообмена неодинакова в различных точках внутренней поверхности стенок емкости, в наиболее удаленных точках поверхности коэффициент теплообмена в 4-6 раз меньше, чем в точках, непосредственно прилегающих к области падения струи,

- с увеличением относительной рабочей длины емкостей, для которых Ш1 Я ,

д < — <3 , интенсивность теплообмена уменьшается, экспериментально установлено, что для емкости, относительная длина которой превышает 3,2, характерны примерно одинаковые значения температур внутренней поверхности в различных ее точках;

- интенсивность теплообмена при различной степени расширения сопла диафрагмы в различные моменты времени неодинакова; с течением времени наибольшим становится а при степени расширения сопла'диафрагмы равной 1;

- с изменением давления в генераторе при постоянном секундном притоке энергии интенсивность теплообмена практически не меняется; варьирование же энтальпии газа изменяет не только величину коэффициента теплообмена, но и деформирует кривую Ыи =

5 Проведена оценка возможности использования газодинамического временного устройства (ГВУ) в системе отсечки тяги двигателя с целью получения заданной дальности полета неуправляемого летательного аппарата Проведенные исследования позволили сделать важный практический вывод. Так как степень нагрева мембраны в рабочей полости неодинаковая, то при настройке ГВУ

в системе регулирования импульса тяги при полете на промежуточные дальности достаточно изменить лишь положение запального отверстия относительно области падения струи в функциональной полости такого тепломеханического устройства перед стартом летательного аппарата

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях

1. Ким Дык Лонг, Поляков Е.П. Физическое моделирование процесса тепломассопереноса при запуске двигателя твердого топлива посредством потока горячего газа // Известия ТулГУ. Сер. «Проблемы специального машиностроения», выпуск 8, ч. 1.- Тула : ТулГУ, 2005.- с.82 - 84.

2. Ким Дык Лоиг Локальный теплообмен при струйном течении теплоносителя в рабочей полости газодинамического тепломеханического устройства И Известия ТулГУ. Сер. «Проблемы специального машиностроения», выпуск 9, ч. 1.- Тула : ТулГУ, 2006.- с.162 - 167.

3 Ким Дык Лонг Математическая модель нестационарного течения реального газа по соплу и каналу заряда при форкамериом воспламенении топлива РДТТ // Сб. статей. «Пути совершенствования РАК» - Тула. ТАИИ -2005, с. 342 -345.

4. Ким Дык Лонг, Поляков Е П, Экспериментальное исследование теплообмена в функциональных полостях высокотемпературных тепломеханических систем //Сб статей «Пути совершенствования РАК» - Тула-ТАИИ-2007, с 316 -319.

5. Кондратьев A.C., Ким Дык Лонг Оценка потерь тяги малогабаритного корректирующего газодинамического устройства из-за теплообмена в рабочих полостях // Известия ТулГУ. Сер. «Проблемы специального машиностроения», выпуск 9, ч. 1,- Тула: ТулГУ, 2006.- с.167 -172.

6. Поляков Е П, Ким Дык Лонг Газодинамика струйного течения при больших перепадах давления // Сб статей «Пути совершенствования РАК».- Тула ТАИИ.-2006, с. 452 - 454

Изд Лиц ЛР№ 020300 от 12 02.97 Подписано в печать Формат бумаги 60x84 ух&. Бумага офсетная

Усл. печ л./, / Уч -изд л. /, (О Тираж 100 экз. Заказ

Тульский государственный университет 300600, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в редакционно-издательском центре Тульского государственного университета. 300600, г. Тула, ул. Болдина, 151

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ.

1.1 Особенность рабочих процессов при струйном течении теплоносителя в функциональных полостях высокотемпературных тепломеханических систем.

1.2 Обзор работ по исследованию теплопереноса в рабочих полостях тепломеханических устройств.

1.3 Цель и задачи исследования.

Выводы по главе.

Глава 2 ТЕРМОГАЗОДИНАМИКА РАБОЧЕГО ТЕЛА В ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОЛОСТЯХ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ.

2.1 Термодинамические характеристики газовой среды в функциональных полостях тепломеханических устройств.

2.2 Газовая динамика струйного течения в функциональных полостях тепломеханических устройств.

2.2.1 Газодинамические параметры струи на участке свободного расширения.

2.2.2. Газодинамические параметры пристеночного струйного течения.

Выводы по главе.

Глава 3 НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОЛОСТЯХ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ.

3.1 Нестационарный теплообмен при струйном течение газа в замкнутой полости постоянного объема.

3.1.1 Уравнение нестационарного теплового потока для пограничного слоя.

3.1.2 Аналитическое решение задачи теплообмена между круглой струей и нормально расположенной к оси струи плоской преградой с учетом нестационарности, обусловленной изменением плотности и давления окружающей среды.

3.2 Математическое описание процесса тепломассопереноса в полости, относительная длина которой превышает дальнобойность струи.

3.3 Экспериментальное исследование интенсивности теплообмена в функциональных полостях высокотемпературных тепломеханических систем.

3.3.1 Температурные измерения и их предварительная обработка.

3.3.2. Получение тепловых граничных условий на нагреваемой поверхности стенки конструкции.

3.3.3. Экспериментальная установка для исследования процессов переноса тепла.

3.3.4. Результаты физического моделирования.

Выводы по главе.

Глава 4 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ВРЕМЕННОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСА ТЯГИ ДВИГАТЕЛЯ.

4.1 Принцип действия газодинамического временного устройства.

4.2 Особенности работы исполнительного органа ГВУ.

4.3 Тепловой режим исполнительного устройства мембранного типа.

Выводы по главе.

Развитие энергетики сопровождается непрерывным, прогрессивно возрастающим увеличением мощности различного рода машин и установок. В связи с этим происходит, с одной стороны, повышение параметров рабочих тел, а с другой - рост скоростей отдельных звеньев механизмов.

С ростом мощности машин механизмы, состоящие из жестких неизменных звеньев, все более вытесняются механизмами с использованием в качестве звеньев разного рода жидкостей и газов. Специфические свойства жидкостей и газов способствуют не только улучшению динамических условий работы механизма, но и обеспечивают возможность его работы при больших энергиях. Особенно это относится к механизмам, работающим на горячем газе. Преимуществом таких систем являются небольшие габариты и вес, низкая стоимость и высокая надежность. Они могут работать в условиях радиации без охлаждения и теплозащиты при температуре окружающей среды от -130 до +500 700°С, аккумулируют больше энергии, чем электрические, механические и гидравлические аккумуляторы энергии. Подобные механизмы обладают большими потенциальными возможностями упрощения конструкции и снижения веса, обусловленными комплексированием и объединением различных узлов и агрегатов с общим источником энергии.

Широкий круг устройств современной ракетно-артиллерийской техники может быть отнесен к разряду высокотемпературных тепломеханических систем (ВТС), то есть систем емкостей и каналов, снабженных подвижными элементами, энергия для функционирования которых получается в результате горения пороха. Сюда относятся системы ствольной и ракетной техники, бортовые и наземные силовые газовые приводы и системы управления, пи-ромеханизмы метательных установок и разделяющихся контейнеров, пнев-мои пирогидравлические системы различного назначения и многое другое.

Отличительной особенностью моделирования работы таких систем является необходимость учета взаимозависимости внутрикамерных, гидрогазодинамических, тепломассообменных и динамических процессов в различных областях и подсистемах конструкции. Разработка программных средств для моделирования функционирования конкретных типов таких систем оказывается достаточно трудоемкой задачей. В то же время, процессы функционирования широкого класса таких систем могут быть достаточно адекватно описаны с помощью одних и тех же типовых математических моделей, что делает возможным разработку единой методологии расчета их функционирования в процессе проектирования. Рассчитываемая система представляется в виде совокупности типовых тупиковых и проточных полостей, каналов и прогреваемых стенок. Система может содержать типовые подвижные элементы, динамика которых рассчитывается в процессе функционирования в предположении инерционности систем отсчета, связанных с несущим корпусом.

С точки зрения процесса тепломассопереноса тепломеханическая система в общем случае включает полости, для которых характерен различный уровень процессов течения и теплообмена. Сложная форма проточных полостей, неравновесность течения продуктов сгорания пороха в них обуславливают необходимость разработки таких термогазодинамических моделей, которые, с одной стороны, должны быть высокоинформационными, а с другой стороны, доступными для инженерного использования при проектировании.

Существенной особенностью высокотемпературных тепломеханических устройств с твердотопливным источником, является высокотемпературный разогрев элементов конструкции за счет теплообмена. Наличие теплообмена значительно влияет на энергетические возможности устройства, которые меняются по мере прогрева конструкции. Последнее обстоятельство приводит к нестабильности характеристик системы, а чрезмерный разогрев конструкции может вызвать потерю работоспособности системы.

Возможность появления некоторых связанных с разогревом нарушений работоспособности системы может быть выявлена в процессе математического моделирования функционирования системы с использованием специально построенных моделей. Разработка таких моделей для выявления отказов при разогреве конструкции более сложная задача, чем разработка моделей, предназначенных для воспроизведения динамических характеристик системы. Эта сложность обусловлена, прежде всего, сложностью процессов теплообмена в функциональных полостях тепломеханических систем, отличием характера их протекания от хорошо изученных традиционных форм теплообмена. Вот почему отсутствует единый апробированный методологический подход при моделировании теплообмена в функциональных полостях высокотемпературных газодинамических тепломеханических устройствах.

До недавнего времени при разработках ВТС процессу теплообмена уделялось недостаточное внимание. В известной литературе теплообмен в функциональных полостях ВТС либо не учитывался, либо изучался с целью определения общих тепловых потерь. В большинстве случаев в этих источниках не дается подробного анализа процессов тепломассопереноса в рабочих полостях ВТС. Авторы ограничиваются описанием конструкции, некоторыми практическими данными по работе механизма и выбору его' рабочих параметров. Например, имеется ряд работ, в которых приводятся экспериментальные данные о моменте срабатывания механизма и на их оснсше даются эмпирические зависимости, либо данные прикидочного расчета на основе общих положений термодинамики без учета теплообмена. В работах Орлова Б.В. сделан вывод о необходимости тщательного анализа начальных условий при расчете ВТС и даны зависимости для определения параметров газа. В работе Скобелева М.С. приводятся результаты исследования ВТС, в которых в качестве исполнительных органов используются пороха и взрывчатые вещества. Влияние теплообмена на рабочие характеристики исполнительного органа автор учитывает косвенно с помощью эмпирической зависимости для времени замедления процесса. В работе Быжко М.П. указывается на существенное влияние теплообмена в рабочей полости замедлителя на характер нарастания давления в ней. Но ввиду сложности расчета нестационарного процесса теплообмена автор учитывает влияние его на рабочие характеристики механизма с помощью общего коэффициента теплообмена, который для практических расчетов определяется опытным путем.

В некоторых работах процесс теплообмена рассматривается с учетом характера течения газа в рабочей полости. Однако, также как и в выше рассмотренных работах, исследование теплообмена сводится к определению ос-редненных параметров процесса. Авторами предложены полуэмпирические зависимости для коэффициента тепловых потерь, позволяющие учесть влияние теплообмена на термодинамические параметры газа в ВТС.

Разработка новых схем, развитие и совершенствование высокотемпературных тепломеханических устройств требует более глубокого изучения процесса теплообмена. В настоящее время необходима методика расчета локальных параметров теплообмена в рабочих полостях ВТС.

Из выше изложенного, очевидна актуальность разработки научно-обоснованной методики анализа тепломеханического состояния конструкций высокотемпературных тепломеханических устройств. Такая методика должi на позволить прогнозировать уровень механических и тепловых параметров рабочего тела непосредственно в местах расположения исполнительных элементов ВТС. В основе такой методики должно лежать математическое моделирование локальных параметров тепломассопереноса в сложных тепломеханических устройствах. Решению этой научно-технической задачи и посвящена диссертационная работа.

Целью настоящей работы является разработка математических моделей комплексного анализа интенсивности локального теплообмена в функциональных полостях высокотемпературных тепломеханических устройств, позволяющего на этапе проектирования прогнозировать уровень механических и тепловых нагрузок на исполнительные органы высокотемпературных тепломеханических устройств.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы

Выводы по главе

1. В двигательных установках беспилотных летательных аппаратов применяются газодинамические временные устройства. Такие устройства имеют следующие особенности:

- расход газа в ГВУ практически не оказывает влияния на процесс в двигателе;

- исполнительные органы ГВУ испытывают интенсивный нагрев.

2. Тепловой режим рабочей полости ГВУ в первую очередь определяется режимом работы временного устройства и конструктивными параметрами полости. Степень нагрева стенок полости при заданном времени замедления или давлении срабатывания исполнительного органа тем выше, чем больше относительный приток массы газа в ГВУ. Увеличение относительной длины рабочей полости приводит к значительному уменьшению температуры внутренней поверхности стенки в лобовой точке области падения струи.

Вне области падения струи степень нагрева стенок ГВУ с различной относительной длиной полости практически одинакова.

3. На характеристики исполнительного органа мембранного типа кроме основных факторов оказывают влияние конструкция узлов установки;мембран, температурное состояние мембран, скорость нарастания давления в рабочей полости.

Во фланцевом соединении мембран, жестко защемленных по контуру прорывного отверстия, решающим фактором является усилие затяжки узла. В соединениях с центральным зажимом усилие затяжки оказывает значительно меньшее влияние на давление разрушения мембраны. Давление разрушения свободно опертой мембраны практически не зависит от усилия затяжки.

При скоростях нарастания давления, которые имеют место в ГВУ двигательных установок, давление разрушения мембран, изготовленных из материала Ml и Л62, практически не зависит от скорости нарастания давления в рабочей полости. Давление разрушения мембран, изготовленных из материала АД1М, при скоростях нарастания давления в полости более

150.105 н/ 2 зависит от величины скорости изменения давления в полости. мм

Определяющим фактором работы мембран является их нагрев. Степень нагрева мембраны, а следовательно, и величина давления разрушения зависят от режима работы ГВУ, геометрических параметров рабочей полости, положения мембраны в устройстве. Давление разрушения свободно опертой мембраны зависит еще и от положения запального отверстия относительно самой мембраны.

4. Проведенные исследования позволяют сделать важный практический вывод. Так как степень нагрева мембраны в рабочей полости неодинаковая, то при настройке ГВУ в системе регулирования импульса тяги при полете на промежуточные дальности достаточно изменить лишь положение запального отверстия относительно области падения струи в функциональной полости такого тепломеханического устройства перед стартом летательного аппарата.

140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Широкий круг устройств современной ракетно-артиллерийской техники может быть отнесен к разряду высокотемпературных тепломеханических систем (ВТС), то есть систем емкостей и каналов, снабженных подвижными элементами, энергия для функционирования которых получается в результате горения пороха. Особенность рабочих процессов в ВТС является значительное влияние теплообмена на процессы, связанные с перетеканием газа из генератора в рабочую полость.

2. Из обзора работ по исследованию теплообмена в рабочей полости механизмов можно заключить, что условия теплообмена в сильной степени зависят от организации процесса газоввода, от характера течения газа в рабочей полости, от геометрии и формы этой полости, от режима наполнения и влияния дополнительных процессов. Большинство полученных зависимостей дают возможность определить удельный тепловой поток, осреднекяый по внутренней поверхности рабочей полости. Предлагаемые методики не позволяют оценить неравномерность нагрева конструкции. Разработка новых схем," развитие и совершенствование высокотемпературных тепломеханических устройств требует более глубокого изучения процесса теплообмена. Необходима методика расчета локальных параметров тепло'с^ека в рабочих полостях ВТС.

3. Возможны два принципиально отличных процесса поступление высокотемпературного газа в функциональную полость тепломеханического устройства.

В одном случае высокотемпературный газ может поступать в полость в результате сгорания твердого топлива, непосредственно заполняющего ра-бочз'ю камеру ВТС. При относительно высокой плотности заполнения полости топливом струйки газа от горящих зерен натекают к а стенхп конструкции и тем самым интенсифицируют процесс теплоперено.:?. "

В другом случае горячий газ из газогенератора (камеры двигателя, специальной предкамеры, форкамеры и др.) поступает в рабочую полость газодинамического тепломеханического устройства через калиброванное отверстие в диафрагме в виде струи большой скорости. В зависимости от относительной длины рабочей полости движение несвободной струи можно представить двумя схемами.

Для первой схемы характерным является конечная дальнобойность струи, отсутствие направленного движения теплоносителя вдоль внутренней поверхности полости, но наличие интенсивного турбулентного вихревого перемешивания слоев газообразного рабочего тела. Такая картина течения имеет место в том случае, если длина полости превышает дальнобойность ограниченной струи.

Если длина полости меньше дальнобойности струи, то реализуется вторая схема. Здесь, набегая на противоположную от входного отверстия стенку, горячий газ движется по ней в виде полуограниченной пристеночной струи, и струйное движение сохраняется практически вдоль всей внутренней поверхности замкнутой полости. у

4. Анализ известных экспериментальных данных позволил принять для рас-, чета параметров газового течения в функциональных полостях ВТС следующую концептуальную модель. Согласно принятой модели в замкнутой полости можно выделить две характерные области: область направленного течения высокотемпературного газа (струйного, вихревого) и газовую среду с параметрами, близкими к равновесному термодинамическому состоянию.

5. При исследовании характеристик струйного течения, параметров теплообмена в замкнутых полостях желательны более простые зависимости для определения давления и температуры газовой среды. С этой целью исследовались различные варианты приближенного расчета этих параметров. Приближенная закономерность изменения параметров газовой среды была положена в основу при расчете характеристик струйного течения и теплообмена в функциональных полостях ВТС.

6. При разработке аналитических решений для параметров, характеризующих струйное течения в рабочих полостях ВТС, были учтены следующие особенности газодинамического процесса: втекающая струя является "несвободной"; в общем случае она испытывает как "поперечное", так и "продольное" стеснение; струя является нестационарной; нестационарность обусловлена непрерывным изменением параметров газовой среды, в которой распространяется эта струя; при натекании на противоположную от входного отверстия стенку участок свободного расширения струи трансформируется в пристеночное струйное течение; поверхность, по которой распространяется струя, отлична от плоской.

7. Сложная картина газового течения в замкнутых полостях и отличная от классической форма внутренней поверхности сильно усложняют решение задачи по определению локальных параметров теплообмена. Аналитическое решение задачи позволило свести систему дифференциальных уравнений к интегральному уравнению энергии. Результатом решения этого уравнения явились критериальное соотношение, характеризующее распределение нестационарных тепловых потоков в направлении пристеночного струйного течения в замкнутой полости.

8. Применение традиционных методов теории пограничного слоя для расчета конвективного теплообмена в функциональных полостях, когда отсутствует направленное движение рабочего тела, но имеет место интенсивное вихревое течение, затруднено. Использование для этой цели обычной схемы, т.е. замыкание системы дифференциальных уравнений с помощью критериальной зависимости коэффициента трения от числа Рейнольдса, не возможно, так как отсутствует подобная зависимость для течений, наблюдаемых в рабочих полостях ВТС. В связи с этим при разработке математической модели конвективного теплообмена, обусловленного интенсивным вихревым движением теплоносителя в функциональных полостях тепломеханических устройств, были использованы основы теории «обновления» вязкого подслоя турбулентного пограничного слоя.

9. С целью идентификации коэффициентов обобщенных критериальных зависимостей, полученных при теоретическом исследовании, проведено физическое моделирование тепломассопереноса. Обобщение опытных данных с помощью полученных критериальных зависимостей дает удовлетворительную сходимость теоретических и экспериментальных результатов. Максимальное расхождение опытных и теоретических величин не превышает (10 +15)%.

10. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлены следующие характерные особенности теплообмена в функциональных полостях ВТС:

- анализ результатов исследований указывает на правильность выбора в качестве определяющих параметров давления и энтальпии втекающего газа, относительной длины полости, степени расширения сопла диафрагмы и законов изменения секундного притока газа в полость;

- экспериментально установленная закономерность изменения локального коэффициента теплообмена в замкнутых полостях подтверждает выводы о влиянии газодинамических характеристик пристеночного струйного течения на величину и характер изменения коэффициента теплообмена а в различных точках внутренней поверхности полости; непрерывное увеличение плотности газа и связанное с ним уменьшение скорости струйного течения газа у поверхности приводит к тому, что на начальной стадии наполнения полости наблюдается увеличение коэффициента теплообмена; в некоторый момент времени а достигает максимального значения и в последующие моменты времени уменьшается;

- интенсивность теплообмена неодинакова в различных точках внутренней поверхности стенок емкости; в наиболее удаленных точках поверхности коэффициент теплообмена в (4 + б) раз меньше, чем в точках, непосредственно прилегающих к области падения струи;

- на интенсивность теплообмена в различных точках внутренней поверхности оказывают влияние конструктивные параметры емкостей; с увеличением относительной рабочей длины емкостей, для которых 20— < — < 3, интенсивность теплообмена уменьшается; характер изменения параметров теплообмена в направлении пристеночного струйного течения для емкостей с различной относительной длиной, но не превышающей 3, приближенно можно считать одинаковым; экспериментально установлено, что для емкости, относительная длина которой превышает 3,2, характерны примерно одинаковые значения температур внутренней поверхности в различных её точках; объясняется это тем, что при такой относительной длине струйное течение вдоль внутренней поверхности емкости практически отсутствует;

- интенсивность теплообмена при различной степени расширения сопла диафрагмы в различные моменты времени неодинакова; чем больше степень расширения сопла, тем выше коэффициент теплообмена в начальный момент наполнения емкости; с течением времени наибольшим становится а при степени расширения сопла диафрагмы равной 1;

- влияние параметров втекающего газа (давления и энтальпии) на интенсивность теплообмена различно; с изменением давления в генераторе при постоянном секундном притоке энергии интенсивность теплообмена практически не меняется; варьирование же энтальпии газа изменяет не только величину коэффициента теплообмена, но и деформирует кривую Nu = Nu(Fq)?'

11. Проведена оценка возможности использования газодинамического временного устройства (ГВУ) в системе отсечки тяги двигателя с целью получения заданной дальности полета неуправляемого летательного аппарата. Одним из основных типов исполнительных органов ГВУ является мембрана из-за своей простоты надежной герметизации рабочей полости, высокой стабильность характеристик.

Проведенные исследования позволили сделать важный практический вывод. Так как степень нагрева мембраны в рабочей полости неодинаковая, то при настройке ГВУ в системе регулирования импульса тяги при полете на промежуточные дальности достаточно изменить лишь положение запального отверстия относительно области падения струи в функциональной полости такого тепломеханического устройства перед стартом летательного аппарата.

145

1. Абрамович Т.Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. 4.1 // Учебное пособие для втузов.- М.: Физматгиз, 1991.

2. Бахарев В.А., Траяновский В.Н. Основы проектирования и расчета отопления и вентиляции с сосредоточенным выпуском воздуха.- М.:, Про-физдат, 1958.

3. Белов А.Н. Нестационарная задача о размыве струи.// Вестник Ленинградского университета, Серия математики, механики и астрономии, вып. 3, 1964.

4. Бердлик П. и др. Теплообмен между осесимметричной струей и пластиной, расположенной нормально к потоку.- ИФЖ, том 8, № 4, 1966.

5. Буланов З.А., Сущих М.В. Растекание турбулентной струи по плоской перпендикулярно расположенной преграде. Изв. высш. учебн. заведений, Авиационная техника, № 1, 1969.

6. Вонди A.M. Прорывные мембраны. // Производственно-технический бюллетень, № 4, 1955.

7. Вулис Л.А., Геннин А.Л., Мурахвер Н.П., Ярин Л.П. О нестационарном струйном движении вязкой жидкости. Изв. высш. учеб. заведений, Механика жидкости и газа, № 2, 1969.

8. Вулис Л.А., Кашкаров В.П. Теория струй вязкой жидкости. М.: Наука, 1965.

9. Гинзвург И.П., Собколов Б.Н. О расчете сверхзвуковой нерасчетной струи.// Сб. «Тепло- и массоперенос», т.1, 1968.

10. Дрейцер Г.А., Кузьминов В.А. Расчет разогрева и охлаждения трубопроводов.- М.: Машиностроение, 1977.-128 с.

11. Дыбан Е.П., Мазур А.И. Теплообмен при натекании плоской воздушной струи на вогнутую поверхность.- ИФЖ, №5, 1979.

12. Ерохин Б.Т. Теория внутрикамерных процессов и проектирование РДТТ: Учебник для ВУЗ-ов.- М.: Машиностроение, 1991.

13. Einstein H.A., Li H. Shear transmission from a turbulent flow to its viscous boundary sub layer, Reprints of Papers for 1955 Heat Transfer and Fluid Mech, Jnst., Stanford Press, 1955.

14. Ильюшин А.А. Механика сплошных сред.- M.: Изд-во МГУ, 1990.

15. Карлсон М., Сидер Р. Теплообмен при зажигании твердого топлива горяч

16. Ким Дык Лонг Локальный теплообмен при струйном течении теплоносителя в рабочей полости газодинамического тепломеханического устройства // Известия ТулГУ. Сер. «Проблемы специального машиностроения», выпуск 9, ч. 1.- Тула: ТулГУ, 2006.- с. 162 1167.

17. Ким Дык Лонг Математическая модель нестационарного течения реального газа по соплу и каналу заряда при форкамерном воспламенении топлива РДТТ // Сб. статей. «Пути совершенствования РАК».- Тула: ТАИИ.-2005, с. 342-345.

18. Ким Дык Лонг, Поляков Е.П. Экспериментальное исследование теплообмена в функциональных полостях высокотемпературных тепломеханических систем // Сб. статей. «Пути совершенствования РАК». Тула: ТАИИ. -2007, с 316-319.

19. Кондратьев Г.Н. Регулярный тепловой режим.- М.: Гостехиздат,1953.

20. Кудрявцев Е.В., Чекалев К.И., Шумаков Н.В. Нестационарный теплообмен.- М.: Изд. АН СССР, 1961.

21. Кузьмин М.П. Исследование процесса теплопередачи в оружии // Дис. к.т.н.- Тула, ТМИ, 1961.

22. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче.- М.: Госэнергоиздат, 1959.

23. Кэрт Б.Э., Козлов В.И., Князева И.В. Внутренняя баллистика газожидкостных вытеснительных систем // В кн. «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем».- С.-Петербург, БГТУ, 1995.-с.4-6.

24. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред.- М.: Наука,1954.

25. Лыков А.В. Теория теплопроводности.- М.: Наука, 1952.

26. Мамонтов М.А. Некоторые случаи течения газа. М.: Оборонгиз,1951.

27. Means J.D., Ulrich R.D. Неустановившейся конвективный теплообмен при вдуве газа в емкости.- Теплопередача, №2, 1957.

28. Носовицкий А.Я. Полуограниченная плоская струя в замкнутом пространстве.- Изв. высш. учебн. заведений, Строительство и архитектура, № 6, 1969.

29. Орлов Б.В, Кузнецов А.Ф. Особенности изменения температуры и внутренней энергии газа на начальных участках наполнения резервуара конечных размеров.// Труды МВТУ им. Баумана.- М.: МВТУ , 1960.

30. Орлов Б.В., Мазинг Г.Ю. Термодинамические и баллистические основы проектирования ракетных двигателей на твердом топливе.- М.: Машиностроение, 1968.

31. Панов Б.Ф., Старшинов А.И., Угрюмов Е.А. Экспериментальные исследования воздействия нестационарной струи на плоскую преграду. // Сб. "Газодинамика и теплообмен", Л., 1968.

32. Петухов B.C. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах.- М.: Энергия, 1967.

33. Поляков Е.П. Исследование локального теплообмена в механизмах типа газодинамических замедлительных устройств: Дис. . канд.техн.наук // ТулПИ. Тула, 1971.

34. Поляков Е.П., Ким Дык Лонг Газодинамика струйного течения при больших перепадах давления // Сб. статей. «Пути совершенствования РАК».-Тула:. ТАИИ.-2006, с. 452 454.

35. Подчуфаров Б.М. Некоторые вопросы теории пневматических сервомеханизмов при учете теплообмена в рабочих полостях привода и трубопроводах // Известия вузов, Машиностроение.- 1964, № 6.- с. 134-136.

36. Присняков В.Ф. Расчёт процесса наполнения газовой емкости. // ИФЖ.- 1977. Т.8 — №3, 1977.

37. Протопопов В.А. К вопросу о теплообмене между пороховым газом и стенкой ствола. Издание Т.К. НИИ ВВС ВС СССР, 1948.

38. Рахматулин Х.А., Сагомонян А.Я., Бунимович А.И., Зверев И.Н. Газовая динамика. М.: Машиностроение, 1965.

39. Ровинский С.В. К вопросу о теплообмене между струей газа, вытекающей из круглого отверстия, и пластиной с углом атаки 90°.// Изв. высш. учебн. заведений, Технология текстильной промышленности, № 2, 1969.

40. Роуч П. Вычислительная гидродинамика.- М.: Мир, 1980.

41. Седов Л.И. Механика сплошных сред.- Т. 1,2.- М.: Наука, 1973.

42. Седов Ст.Хр. Опытни исследования въерху плоско ограничена въздушна струя с оглед нейното приложение във вентиляцияти.- Годншник машинно-електротехническия институт, София, т. У1, 1959.

43. Серябряков М.Е. Физический закон горения во внутренней баллистике.- М.: Гос. издат. оборон, пром., 1940.

44. Серябряков М.Е. Внутренняя баллистика ствольных систем и пороховых ракет,- М.: Оборонгиз, 1962.

45. Сычев А.Г. Средняя по площади скорость струй, распространяющихся в замкнутом пространстве.// Изв. высш. учеб. заведений, Строительство и архитектура, №10, 1966.

46. Сычев А.Т. Результаты исследования затопленной турбулентной струи, набегающей перпендикулярно на плоскость гладкого потолка.- ИФЖ, № 3, 1964.

47. Храмов Н.Е., Шманенков В.Н. Теплообмен в области взаимодействия осесимметричной сверхзвуковой струи с преградой.// Изв. высш. учебн. заведений, Механика жидкости и газа, № 4, 1969.

48. Чекмазов В.И. Теоретические основы построения математических моделей тепломеханических систем и разработка моделей для проектирования газовых силовых систем управления.- Дисс. докт. техн. наук.-Тула, 1993.

49. Шепелев И.А., Тарнопольский М.Д. Распространение турбулентных струй в ограниченном пространстве. // Сб. "Исследования тепломассопере-носа в технологических процессах и аппаратах", 1966.

50. Шипунов А.Г., Шорников Е.Е., Никитин В.А. и др. Оценка надежности функционирования газового привода в условиях реального полета управляемой ракеты // ВОТ, сер. IX. 1973, вып. 33.- с.21-28.

51. ШлихтингГ. Теория пограничного слоя. И.Л., 1956.

52. Шнеллер И.И. Тепло- и массоперенос. Изд. АН СССР, №1 2, 1962.

53. Шорников Е.Е. Некоторые вопросы динамики газового сервомеханизма при учете теплообмена // Известия вузов, Машиностроение.-1970, №2.-с.34-42.

54. Яковлевский О.В. Гипотеза об универсальности эжекционннх свойств турбулентных струй газа и её приложения.- Изв. АН СССР, Механика и машиностроение, № 3, 1961.

55. Яковлевский О.В., Секундов А.Н. Исследования взаимодействия струи с близко расположенными экранами. Изв. АН СССР, «Механика и машиностроение», № 1, 1964.

56. Яковлевский О.В., Крашенинников С.Ю. Распространение турбулентной струи, соударяющейся с плоской поверхностью.- Изв. АН СССР, «Механика жидкости и газа», № 4, 1966.

57. Ярин Л.П. О некоторых закономерностях распространения нестационарных струй.- Сб. "Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики", вып. 4, Алма-Ата, "Наука", 1967.