автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Развитие методов расчета термодинамических и теплофизических свойств реагирующих продуктов сгорания ракетных топлив

СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Введение.

ГЛАВА 1.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1 .Обоснование выбора модели рабочего тела.

1.2. Теплопроводность диссоциированных газовых смесей.

1.3. Теплоемкость реагирующих продуктов сгорания.

1.4. Постановка задачи.

ГЛАВА 2.

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА И ПРОГРАММЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ И СВОЙСТВ

ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ.

2.1. Принятые допущения к расчету равновесного состава и свойств газовой смеси.

2.1.1. Рассчитываемые параметры.

2.1.2. Исходные данные и базы данных.

2.2. Состав равновесной газовой смеси.

2.3. Метод расчета, реализуемый в программе.

2.4. Параметры межмолекулярного взаимодействия.

2.4.1. Параметры потенциалов.

2.5. Некоторые сведения о схеме решения задачи.

2.6.Вычисление частных производных состава по температуре.

2.7.Определение условий, при которых [дх /дТ) не зависит от метода расчета.

2.8.Альтернативный метод вычисления составляющей коэффициента теплопроводности реагирующей смеси, учитывающий теплоту химических реакций.

ГЛАВА 3.

АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ И ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕНОСА ГАЗОВОЙ СМЕСИ.

3.1. Алгоритм расчета коэффициентов диффузии.

3.2. Алгоритм расчета коэффициента вязкости смеси.

3.3. Алгоритмы расчета эффективного коэффициента теплопроводности смеси.

3.4. Алгоритм расчета теплоемкости смеси.

3.5. Алгоритм расчета скорости звука.

3.6. Алгоритм расчета термических коэффициентов.

ГЛАВА 4.

ТЕСТИРОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

4.1.Система уравнений для частного случая разложения тетраоксида ди азота.

4.1.1 .Определение равновесного состава.

4.1.2.Частные производные равновесного состава по температуре.

4.2. Диффузия веществ.

4.3.Теплопроводность системы N204~?2N02~?2N0 + 02.

ГЛАВА 5.

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ.

5.1.Обоснование выбора исследуемых топлив и параметров состояния.

5.1.1.Продукты сгорания выбранных топлив.

5.2.Частные производные состава продуктов сгорания ракетных топлив.

5.3.Диффузия и диффузионные потоки массы индивидуальных веществ в реагирующей смеси газов.

5.4.Коэффициенты теплопроводности продуктов сгорания (нагрева) ракетных топлив, обусловленные переносом тепла химических реакций.

5.5.Теплоемкость и теплопроводность продуктов сгорания (нагрева) ракетных топлив.

5.6.Влияние межмолекулярного взаимодействия на теплопроводность.

5.7. Влияние рассматриваемых методов на критерии подобия.

5.8. Использование альтернативного подхода, разработанного для расчета коэффициента теплопроводности, с учетом теплоты химических превращений.

При внедрении в технику новых технологических процессов, разработке новых современных тепловых двигателей различных типов и назначения необходимо прогнозировать поведение материалов, рабочих веществ в условиях высоких температур, давлений и скоростей, при которых необходим учет физико-химических процессов, приводящих, в частности, к изменению состава рабочего тела. Наиболее высокий уровень названных параметров реализуется в настоящее время в ракетных двигателях, использующих высокоэнергетичные химические топлива.

Образующиеся при горении химических топлив продукты сгорания сильно диссоциированы. При этом температура продуктов сгорания у стенок камеры и сопла ракетного двигателя значительно меньше температуры в области ядра потока. Вследствие чего диссоциация продуктов сгорания у стенок конструкции практически отсутствует, а характерным процессом в газовой среде пристеночного слоя является рекомбинация радикалов и атомов, образовавшихся в ядре потока.

В связи с градиентами концентраций индивидуальных веществ возникают, обусловленные диффузией веществ, соответствующие им массовые потоки, оказывают существенное влияние на теплофизические свойства газовой смеси и процессы тепло- и массообмена.

Диффузионные потоки индивидуальных веществ, приводят к изменению состояния химического равновесия реакции диссоциации и рекомбинации, вызывая заметное отличие коэффициентов переноса смеси в различных областях камеры ракетного двигателя.

Влияние потоков на теплофизические свойства продуктов сгорания, обусловлено тем, что с диффузией происходит перенос тепла химических реакций из высокотемпературной области в область низких температур. Значимость процесса термической диссоциации газов в тепловых потоках от газа к элементам конструкций огромно в камерах и соплах ракетных двигателей, в камерах сгорания энергоустановок.

Влияние процессов диссоциации и рекомбинации в большей степени сказывается на таких важнейших термодинамических и теплофизических параметрах реагирующих газов, как теплоемкость и теплопроводность.

Поскольку при высоких температурах скорости химических реакций велики, целесообразным является рассмотрение смеси, находящейся в состоянии химического равновесия, что, в свою очередь, дает возможность анализа эффективности реальных процессов, протекающих в камерах сгорания энергоустановок.

Расчет теплофизических параметров высокотемпературных газовых смесей: коэффициентов диффузии, вязкости и теплопроводности на основе достижений молекулярно-кинетической теории газов является пока основным способом получения данных. Это обусловлено сложностью, а иногда и невозможностью непосредственных экспериментальных исследований при высоких (более 1500.2000°К) температурах, а также чрезвычайным разнообразием химического состава газовых смесей, используемых в ракетной технике.

В российской и зарубежной литературе достаточно информации о теплопроводности газовых смесей, однако, его составляющая -коэффициент теплопроводности реагирующей смеси, учитывающий теплоту химических реакций, равно как и коэффициенты обобщенной диффузии и диффузионные потоки такой смеси на данный момент остаются малоизученными.

Достоверные данные по теплофизическим величинам необходимы для правильного объяснения физических и физико-химических явлений, сопровождающих горение и течение в камерах ракетных двигателей, а также при решении вопросов тепловой защиты элементов конструкций.

Для расчета коэффициентов теплопроводности, теплоемкости необходимо учитывать изменение состава по температуре, которое описывается соответствующими частными производными. Существуют различные приемы их вычисления. В качестве базовых уравнений можно использовать уравнения для определения состава реагирующей смеси, включающие уравнения сохранения количества химических элементов в продуктах реакции и в топливе. С другой стороны, можно записать аналогичную систему уравнений, но где вместо уравнений сохранения вещества используются физически более обоснованные при наличии потоков уравнения равенства нулю общего потока любого химического элемента, как в свободном состоянии, так и в составе молекул. Используемые оба подхода для определения частных производных состава по температуре (или давлению), в общем случае могут давать разные результаты, что сказывается и на теплофизических параметрах.

Вопросам исследования причин возникновения расхождения в результатах определения частных производных состава разными методами, определения границ применимости этих методов, а также влияния применяемого метода на конечный результат и посвящена данная работа.

Заключение

1 .В настоящей работе разработаны методы, алгоритмы и программы для расчета частных производных состава по температуре химического равновесного состава реагирующих газовых смесей для различных вариантов состояния диссоциированных газов: с учетом диффузионных потоков и без них. На основе указанных методов определения частных производных разработаны алгоритмы и программы расчета теплопроводности и теплоемкости реагирующих газовых смесей продуктов сгорания ракетных топлив.

2.Проведено тестирование разработанных программ с использованием имеющихся в литературе расчетных и экспериментальных данных.

3.Представлены численные значения коэффициентов обобщенной диффузии преобладающих компонентов смеси по отношении друг к другу в смеси; качественно показано распределение диффузионных потоков индивидуальных веществ. Проведено сравнение частных производных, полученных с использованием различных методов, для равновесных составов различных современных топливных композиций. Показано, что расхождение результатов расчетов частных производных равновесного состава для преобладающих компонентов может составлять десятки и сотни процентов, а для веществ, находящихся в малых количествах (менее

Ю-7) в несколько раз превышающие сотни процентов. В совокупности это различие дает расхождение в значениях коэффициентов теплопроводности и удельной теплоемкости при р = const до 20. .30%.

Применение рассматриваемых различных методов расчета частных производных химического состава по температуре при вычислении cpR и

Ar дает расхождение в значениях числа Прандтля до 30%. .70%.

4.Проведенные исследования показали, что при вычислениях AR с использованием частных производных равновесного состава, последние необходимо определять из совместного решения уравнений, выражающих равенство нулю общего потока химических элементов, как в свободном, так и в связанном состояниях и продифференцированных по температуре уравнений диссоциации.

Значения составляющей удельной теплоемкости с R, следует определять с использованием частных производных равновесного состава, определяемых, из продифференцированных по температуре уравнений химического равновесия.

5.Применен альтернативный подход к определению составляющей коэффициента теплопроводности, учитывающей теплоту химических реакций Ак равновесной газовой смеси. Получена формула, объединившая в себе составляющие коэффициентов теплопроводности и теплоемкости реагирующей смеси.

6.Результаты выполненных исследований следует учитывать в практике работ и НИИ ОКБ при проектировании агрегатов и устройств с реагирующими рабочими телами.

1. Алексеев Б.В. Математическая кинетика реагирующих газов. М.: 1982.

2. Кинетические процессы в газах и плазме. Сб. статей под ред. А.Хохштима. Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1972.

3. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Черенков А.С. Основы теории физико-химических процессов в тепловых двигателях и энергетических установках. М.: Химия, 2000, 520с.

4. Kwang-Sik Yun, Stanley Weissman, and Mason E.A. High- Temperature Transport Properties of Dissociating Nitrogen and Dissociating Oxigen. The Physic of Fluids, v.5, №6, 672-678, 1962.

5. Vanderslise J.T., Stanley Weissman, Mason E.A., and Fallon RJ. High-Temperature Transport Properties of Dissociating Hydrogen. The Physic of Fluids, v.5, №2, 155-164, 1962

6. Варгафтик Н.Б., Василевская Ю.Д. Коэффициенты переноса диссоциированного водорода при давлении до 1000 бар и температуре до 10000К. ИФЖ, т.27, №6, с. 1003-1010.

7. Белов В.А. Вязкость частично ионизованного водорода. Теплофизика ВТ, 1967, т.5, №1.

8. Devoto R.S. Transport Coefficients of Partially Ionized Hydrogen. J. Plasma Phys., 1968, v.2, № 4.

9. Варгафтик Н.Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов A.A., Юрчак Р.П. Теплопроводность газов и жидкостей /Справочник М.: Изд-во комитетов и стандартов, мер и измерительных приборов при совете министров СССР, 1970, 156с.

10. Ю.Шашков А.Г., Абраменко Т.Н. Теплопроводность газовых смесей. Москва, Энергия, 1970, 288с.

11. П.Герасимов Г.Я. Явления переноса в частично ионизованном газе с учетом реакции ионизации. Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа, №3, 1974, с.178-182.

12. Елецкий А.В., Палкина Л.А., Смирнов Б.М. Явления переноса в слабоионизованной плазме. Москва, Атомиздат, 1975, 336с.

13. Brokaw R.S., Svela R.A. J. Heat Capacity and Lewis Number of a Reacting Gas. Chem. Phys., 1966, v.44, p.4643

14. Butler N.Y., Brokaw R.S. J. Thermal Conductivity of Gas Mixtures in Chemical Equilibrium. Chem. Phys., 26, 1957, p. 1636-1643.

15. Brokaw R.S. The Lewis Number. Progress in International Recearch on Thermodynamic and Transport Properties, New York, 1962, p.271-278.

16. Fan, S.S.T. and Mason D.M., Effects of Chemical Reaction on Gas Properties and the Lewis Number, ARS J. v.32, p.899-906, 1962.

17. Hirschfelder J.O. Heat Transfer in Chemically Reacting Mixtures. J.Chem. Phys., 26, №2, 1957, p. 274-281.

18. Hirschfelder J.O. Heat Conductivity in Polyatomic Electronically Exited, or Chemically Reacting Mixtures, III. Sixth Symposium on Combustion (Reinhold Publishing Corp., New York, 1957), p.351-366.

19. Monchick L., Kwang-Sik Yun, and Mason E.A. Formal Kinetic Theory of Transport Phenomena in Poliatomic Gas Mixtures. J. Chem. Phys., 1963, v. 39, №3.

20. Noddings C.R., Mullet G.M. Handbook of Compositions at Thermodynamic Equilibrium, New York, Wiley J. And Sons, 1965.

21. Rothman AJ. Thermal conductivity of gases at high temperatures. United states Atomic-Commission, January, 1954.

22. Алемасов B.E., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. /Под ред. В.П. Глушко. М., 1980.

23. Термодинамические и геплофизические свойства продуктов сгорания. /Справочник. В 10 т., т.1. /Под ред. В.П.Глушко. М.: АН СССР-ВИНИТИ, 1971,266с.

24. Термодинамические и геплофизические свойства продуктов сгорания. /Справочник. В 10 т., т.2. /Под ред. В.П.Глушко. М.: АН СССР-ВИНИТИ, 1972, 490с.

25. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. /Справочник. В 10 т., т.З. /Под ред. В.П.Глушко. М.: АН СССР-ВИНИТИ, 1972,623с.

26. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. /Справочник. В 10 т., т.4. /Под ред. В.П.Глушко. М.: АН СССР-ВИНИТИ, 1972, 527с.

27. Гиршфельдер Дж. Сборник статей. Проблемы движения головной части ракет дальнего действия. М.: ИЛ, 1962, 217с.

28. Алемасов В.Е., Тишин А.П. , Дрегалин А.Ф. Расчет химического равновесия и процессов при высокой температуре. М.: ГОНТИ, 1966.

29. Дресвянников Ф.Н. Исследование теплопроводности химически реагирующих газов. Канд. диссертация. Казань, 1966, 146с.+23с. прил.(КАИ)

30. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Крюков В.Г., Наумов В.И. Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергосиловых установках. М.: Наука, 1989, 256с.

31. Дрегалин А.Ф., Черенков А.С. Общие методы теории высокотемпературных процессов в тепловых двигателях М.: Янус-К, 1997, 328с.

32. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Расчет состава, свойств и процессов при высокой температуре. Учебное пособие. Казань, 1965, 204с.

33. Дрегалин А.Ф., Зенуков И.А., Крюков В.Г., Наумов В.И. Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергосиловых установках. Казань. Изд-во Казан, ун-та, 1985, 264с.

34. Гиршфельдер Дж., Кертис Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: ИЛ, 1961, 930с.

35. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей М.: Изд-во физико-математической литературы, 1963

36. Ривкин С.Л. Термодинамические свойства газов. М.-Л.: Энергия, 1964.

37. Рид Р., Праусниц Дж., Шервут Т. Свойства газов и жидкостей. Справочное пособие. Пер.с англ. 3-е изд. Л.: Химия, 1982, 542с.

38. Цедерберг Н.В. Теплопроводность газов и жидкостей М.: Энергоиздат, 1963.

39. Брейтшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1966

40. Теплофизические свойства газов. Москва, Изд-во «Наука», 1973, 208с.

41. Теплофизические характеристики веществ. М.: Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при Сов. Мин. СССР, 1968.

42. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.

43. Цой П.В. Методы расчета отдельных задач тепломассопереноса М.: Энергия, 1971.

44. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии. В 2-х ч., ч.1. Пер. с англ. М.: Мир, 1989, 304с.

45. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии. В 2-х ч., ч.2. Пер. с англ. М.: Мир, 1989, 360с.

46. Карапетьянц М.Х. Методы сравнительного расчета физико-химических свойств. Изд-во «Наука», 1965.

47. Киреев В.А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций. М.: Химия, 1975.

48. Оран Э., Борис Дж. Численное моделирование реагирующих потоков. Пер.с англ. М.: Мир, 1990, 660с.

49. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. /Под ред. В.М.Кудрявцева. М.: Высшая школа, 1983, 703с.

50. Калашников Я.А. Физическая химия веществ при высоких давлениях. Уч. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1987, 241с.51 .Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика.М.: Химия, 1975, 583с.

51. Курлапов Л.И. О соотношении между коэффициентами явлений переноса. Кн. «Прикладная и теоретическая физика»,, вып.9, Алма-Ата, МВССО КазССР, 1976, 61с.

52. Курлапов Л.И. Высшие приближения для коэффициентов диффузии и длины свободного пробега молекул газа. ЖТФ, 1978, 48, №4, с.864.

53. Колесников Л.И. Энергоперенос в неоднородных средах. Минск: Наука и техника, 1974

54. Копански Ю. Транспорт зарядов, тепла и излучения в дуговой плазме. Теплофизика ВТ, т.11, №3,1973, с.644-652.

55. Кулик П.П. Упругие взаимодействия и явления переноса. В сб. «Очерки физики и химии низкотемпературной плазмы». М.: «Наука», 1971.

56. Смирнов Б.М. Атомные столкновения и элементарные процессы в плазме. М.: Атомиздат, 1968.

57. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Новосибирск: Наука, 1970, 659с.

58. Лыков А.В. Тепломассообмен /Справочник. М.: Энергия, 1972, 487с.

59. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд. 2-ое. М.: Энергия, 1977, 343с.

60. Юдаев Б.С. Теплопередача. М.: Высшая школа, 1981, 320с.

61. Физическая газодинамика, теплообмен и термодинамика газов высоких температур. /Под ред. А.С. Предводителева. М.: Изд-во АН СССР, 1962

62. Газодинамика и теплообмен при наличии химических реакций. /Под ред. В.П.Мотулевича, В.П.Ионова. М.: ИЛ, 1962.

63. Виноградов Б.С. Прикладная газовая динамика. М.: ун-т Дружбы народов им. Патриса Лумумбы (каф. телл. двигателей), 1965, 348с.

64. Коровин Н.В., Масленникова Г.Н., Мингуллина Э.И., Филиппов Э.Л. Курс общей химии. М.: Высшая школа, 1990, 448с.

65. Глинка Н.Л. Общая химия. Л.гХимия, Ленинградское отделение, 1982.

66. Слейбо У., Персонс Т. Общая химия. М.: Мир, 1979.

67. Ландау Л.Д., Лифщиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука, 1964.

68. Смирнова Н.А. Методы статистической термодинамики в физической химии. Уч. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1982, 455с.

69. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. Под. ред. В.К.Кошкина М.: Машиностроение, 1975, 623с.

70. Тепло- и массоперенос в одно- и двухфазных средах. Сб. статей под ред. И.Т.Аладьева. М.: Наука, 1971, 163с.

71. Протодьяконов И.О., Марцулевич Н.А., Марков А.В. Явления переноса в процессах химической технологии. Л.: Химия, 1981, 264с.

72. Смольский Б.М., Сергеев Г.Т., Тарасевич Л.И. Сб. «Тепло- и массоперенос» т.2. Минск, «Наука и техника», 1968, с.42-47, 114-125

73. Термодинамические свойства и свойства переноса газов, жидкостей и тведых тел. М.-Л.: Энергия, 1964

74. Ферцигер Д., Капер Г. Математическая теория процессов переноса в газах. М.: Мир, 1976.

75. Толубинский Е.В. Теория процессов переноса. Киев, «Наукова думка», 1969.

76. Эккерт Э.Р., Дрейна P.M. Теория тепло- и массообмена. М.: Госэнерогоиздат, 1961.

77. Жданов В.М. Явления переноса в многокомпонентной плазме. Энергоиздат, 1982, 177с.

78. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. Пер. с англ. М.: Мир, 1987, 224с.

79. БО.Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. Москва, «Наука», 1967, 491с.81 .Физико-химические и теплофизические свойства химически реагирующей системы N 202N02^ 2NO + 02 J Под ред.

80. В.Б.Нестеренко. Минск: «Наука и техника», 1976, 344с.

81. Инф. Сообщение 4-3-77. Теплофизические свойства N204. Директор Б.В.Гидаспов, зам.дир.по научной части И.И.Трофимов, нач.лаб.№3 Г.Л.Антоненко. Ленинград, ГИПХ, 1977.

82. Термодинамические и переносные свойства химически реагирующих газовых систем /под ред. А.К.Красина, В.Б. Нестеренко. Минск: «Наука и техника», 1967, ч .1. -206с.

83. Теплофизические свойства четырехокиси азота. Под ред. чл.- корр. АН БССР В.Б.Нестеренко. Минск, «Наука и техника», 1982, 200с.

84. Hopper Jack R. Physical and Thermodynamic Properties Oxides of Nitrogen N2Oa,NO, N02. Chem. Eng., 1974, v.81, №16, p. 99-106.

85. Химия горения. Пер. с англ. Под ред. У.Гардоперд. / М.: Мир, 1988, 464с.

86. Авиация. Энциклопедия. М.: ЦАГИ, 1994.

87. Суорц Кл. Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Пер. с англ. В 2-х т., т. 1, 1986.1987.

88. Энциклопедия. Космонавтика. М.: Советская энциклопедия, 1986.

89. Jackson I. Ito, Second International Symposium on Liquid Rocket Propultion -ONERA, France-June 19-21, 1-1 1-11,1995.

90. Гухман A.A. Введение в теорию подобия М.: Высшая школа, 1963.

91. Аленицын А.Г., Бутиков Е.И., Кондратьев А.С. Краткий физико-математический справочник М.: Наука, 1990, 368с.

92. Химия. Справочные материалы. /Под ред. Ю.Д. Третьякова, 2-е изд. перераб. М.: Просвещение, 1989.

93. Чемпен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. ИЛ, 1960.

94. Рождественский И.Б., Олевинский К.К., Шевелев В.И. Состав и термодинамические функции реагирующей газовой или гетерогенной системы. М.: АН СССР, Теплофизика высоких температур, т.7, №1, 1960, с.42-48.

95. Латышев Л.А. Введение в авиационную и космическую технику. М.: Машиностроение, 1979.

96. Тимнат И. Ракетные двигатели на химическом топливе. Пер. с англ. М.: Мир, 1990, 294с.

97. Пригожин И., Дефей Р. Химическая термодинамика. Новосибирск, Наука, 1966, 419с.

98. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергия, 1968,496с.

99. ЮО.Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. М.: Химия, 1971, 684с.101 .Шпильрайн Э.Э., П.М.Кессельман. Основы теории теплофизических свойств веществ. М.: Энергия, 1977, 248с.