CC BY
13Двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования космическиХ.аппаратов
УДК 621.651-181.4-629.786
М. Г. Мелкозеров, А. В. Делков, Д. А. Жуйков
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАСЧЕТА ДВУХФАЗНЫХ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ В КАМЕРЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ФАЗОРАЗДЕЛИТЕЛЯ
Рассматриваются основные проблемы расчета двухфазного закрученного потока в камере центробежного фазоразделителя. Приводится методика расчета гидродинамических и энергетических параметров потока. Оцениваются перспективные направления исследований двухфазных закрученных потоков.
Требования к оборудованию современных космических аппаратов вызывают необходимость создания более гибких, мощных и надежных систем терморегулирования (СТР). Использование в СТР теплоносителя без фазового перехода достигло разумных ограничений по массовым и габаритным характеристикам системы в целом [1]. Использование теплоносителя с переходом жидкой фазы в парообразную улучшает характеристики СТР, однако требует решения возникающих при этом научно-технических проблем, связанных с функционированием гидравлических систем с двухфазной средой.
Надежное и эффективное разделение фаз возможно для такой системы в поле центробежных сил, с использованием пассивного фазораздели-теля.
Существующие в настоящее время методики расчета двухфазных сред, используемые в промышленности, недостаточно полно учитывают особенности взаимодействия фаз между собой и со стенками канала, а также процессы разделения газожидкостных сред в условиях космического пространства, а полученные в настоящее время количественные зависимости, характеризующие процесс фазоразделения в тепло- и массообмен-ных аппаратах на конкретных конструкциях, не могут быть использованы в условиях автономной работы космического аппарата.
Недостаток информации о действительно происходящих при разделении двухфазных смесей процессах, сдерживающий развитие теории и инженерных разработок, можно компенсировать корректным анализом уравнений гидродинамики закрученных потоков и разработкой на этой основе математической модели процесса фазоразделе-ния смесей [2].
Поток в камере фазоразделителя условно разделяется на двухфазное ядро и пограничный слой. Для получения математической модели движение жидкости в ядре считается осесимметричным, движение происходит по гидравлически гладким поверхностям.
Свободная поверхность раздела фаз является поверхностью равного давления. Эта поверхность
в закрученном газожидкостном потоке определяется характером распределения давления в жидкостном кольце по радиусу и по длине, а также распределением давления в газовом вихре. При небольших окружных скоростях распределением давления в газовом вихре можно пренебречь, считая давление постоянной величиной.
Задача взаимодействия фаз в закрученном потоке в общем случае определяется семью уравнениями: для газа - уравнениями состояния, энергий, неразрывности; для жидкости - уравнениями Бернулли, энергии, неразрывности и уравнениями силового баланса. Система этих уравнений замкнута и определяет параметры газожидкостного потока в любом сечении при известном динамическом давлении.
При интегрировании переход от рассматриваемого сечения к последующему можно осуществить, учитывая падение динамического давления на трение. Для этого рассматривается пограничный слой потока.
Основной характеристикой пограничного слоя является толщина потери импульса, которая зависит от полной скорости. Для сложного трехмерного течения в торцевой полости необходимо определить суммарную толщину потери импульса оЕ из условия, что сумма количества движения окружного и расходного равна количеству суммарного движения. Величина 8Е определяет напряжения трения, а значит и потерю динамического давления на шаге интегрирования.
Система уравнений состояния, энергий, неразрывности, силового баланса, дополненная толщинами вытеснения импульса, позволяет построить математическую модель двухфазного закрученного течения.
Теоретически интегрирование параметров газового вихря можно вывести до бесконечной длины. В действительности длина камеры ограничена. Снижение закрутки по длине силами вязкости приводит к уменьшению проходного сечения газового вихря и, как следствие, к увеличению скорости и снижению давления. Если давление газового вихря на длине меньшей, чем длина
Решетневские чтения
камеры, опустится ниже давления на выходе, газовый вихрь, обжимаемый жидкостным кольцом, разрушается.
Результаты расчетов по полученной математической модели хорошо согласуются с экспериментальными данными. В частности, и экспериментальные, и расчетные исследования показывают, что длина существования закрученного двухфазного потока в круглой трубе однозначно зависит от закрутки потока в начальном сечении, а уменьшение закрутки уменьшает эту длину.
Такая модель позволяет не только рассчитать номинальный режим работы фазоразделителя, но и спрогнозировать возможные случаи отказов и заранее принять меры по устранению выявленных недостатков при его проектировании.
Из перспективных направлений исследований двухфазного закрученного потока следует назвать учет теплообмена потоков со стенкой камеры и окружающей средой, так как от интенсивности
теплообмена напрямую зависят энергетические параметры.
Дальнейшее изучение закономерностей течения, тепло- и массообмена закрученных потоков в осесимметричных каналах, систематизация этих данных и разработка универсальных методов расчета таких течений являются актуальной научной и прикладной проблемой. Результаты этих исследований найдут широкое использование в различных областях техники.
Библиографический список
1. Александров, О. Г. Системы терморегулирования автоматических космических аппаратов : в 2 ч. Ч. 1 / О. Г. Александров ; КИКТ. Красноярск, 1990.
2. Кутателадзе, С. С. Гидродинамика газожидкостных систем / С. С. Кутателадзе, М. А. Стыри-кович. М. : Энергия, 1976.
M. G. Melkozerov, A. V. Delcov, D. A. Zhujkov Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia , Krasnoyarsk
CALCULATION PROBLEMS AND PROSPECTS OF THE DIPHASE TWIRLED STREAMS IN THE CHAMBER OF CENTRIFUGAL PHASE SEPARATOR
The basic problems of calculation of the diphase twirled stream in the chamber of centrifugal phase separator are dealt with. The design procedure of hydrodynamic and power parametres of a stream is given. Perspective directions for research of the diphasic twirled streams are estimated.
© Мелкозеров М. Г., Делков А. В., Жуйков Д. А., 2009
УДК 62-1/-9
В. А. Спесивых, В. В. Терентьев
Московский авиационный институт (Государственный технический университет), Россия, Москва
ВЫБОР КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ ПЕРСПЕКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Рассмотрены вопросы проектирования двигателя для беспилотного летательного аппарата массой до 1 т. Показаны проблемы и их решения.
В последние годы повышенным интересом пользуются беспилотные летательные аппараты (БПЛА) гражданского и военного назначения. Направлением использования БПЛА являются мониторинг окружающей среды и разведывательная деятельность. Лучшее всего для данных задач зарекомендовали себя БПЛА массой до 1 т. Ключевым фактором в использовании БПЛА является продолжительность полета, а она неразрывно связана с экономичностью двигателя. В работе рас-
смотрены бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) с различными системами подачи топлива.
Данные двигатели делятся на несколько групп: карбюраторные, с распределенным впрыском, распределенным впрыском с электронным управлением, распределенным впрыском с электронным управлением с системой изменения фаз газораспределительного механизма, непосредственным впрыском с применением пьезоэлектриче-
