4.1.4. Течение газа с частицами

Металлосодержащие топлива широко применяются в РДГТ различ­ного назначения. Для решения задач о движении газа со взвешенными в нем мельчайшими жидкими или твердыми частицами необходимо:

определить изменение дисперсности и состава частиц при их движе­нии по каналу заряда твердого топлива и соплу;

установить законы трения и теплообмена частиц и многофазного потока в газовом тракте, в частности особенности взаимодействия этого потока с материалом стенки;

рассчитать процесс движения многофазных продуктов сгорания в канале заряда, предсопловом объеме и сопловом блоке.

В смесевые твердые ракетные топлива вводится алюминий. Воспла­менение и горение металлов (табл. 4.3) происходят уже в потоке газов, оттекающих от поверхности твердого топлива.

Движение, сначала физико-химические, затем физические превраще­ния частиц конденсированной фазы, их взаимодействие с газовой фазой и со стенками соплового блока оказывают большое влияние на тяговые характе­ристики сопла (расходный комплекс, коэффициент тя­ги, потери удельного им­пульса) и на работоспособ­ность конструкции соплово­го блока. Для оценки этого необходимо учесть конечное время горения частиц алю­миния, процессов образования, охлаждения и отверждения частиц окислов, их отставание по ско­рости и температуре. При этом используются различные модели ста­ционарных многофазных течений в РДТТ, которые по мере их усложне­ния можно расположить следующим образом: одномерное монодисперс­ное; одномерное полидисперсное; двухмерное полидисперсное; трех­мерное моно- и полидисперсное [31].

Таблица 4.3

Свойства некоторых металлов и их окислов

Металл, окисел	Температура плавления, К	Плотность в твердом виде, г/см
Al AlO Mg MgO B BO	932 2313 923 3075 2300 723	2,70 3,96 1,74 3,58 2,30 1,82

Модель одномерного течения многофазной смеси широко исполь­зуется для оценки интегральных характеристик - потерь импульса и изменений расхода комплекса из-за скоростного и температурного отставания конденсированной фазы; при этом конденсат можно счи­тать моно дисперсным.

Цель расчетов по двухмерной модели течения многофазной смеси состоит в следующем:

1. оценить место и количество выпадения частиц конденсирован­ ной фазы; при выпадении возможна интенсивная эрозия сопла (вплоть до нарушения работоспособности), дополнительные потери удельного импульса как непосредственно из-за встречи частиц со стенкой, так и из-за появляющейся при этом дополнительной шероховатости (при сохранении работоспособности);

2. уточнить оценку потерь удельного импульса из-за скоростного запаздывания конденсированной фазы в двухмерном потоке в до-, транс- и сверхзвуковой частях сопла и потерь из-за рассеяния двухмер­ного многофазного потока;

3. получить рекомендации для профилирования ракетного сопла.

Основная особенность неравновесных двухмерных многофазных те­чений в сопле заключается в существенной неоднородности параметров в поперечном сечении сопла. В плохо спроектированном сопле частицы налетают на стенку, при этом из-за высокоскоростного соударения воз­никают существенная эрозия материала и дополнительные потери удель­ного импульса.

При профилировании сопел для многофазных полидисперсных по­токов можно допустить выпадение частиц наиболее мелких фракций (их относительно мало). Из анализа расчетов полидисперсных потоков и экспериментальных данных выбирается размер частиц, начиная с кото­рого необходимо исключить их столкновение с контуром. Кроме того, остается основное условие — получение максимального удельного им­пульса в условиях массовых и габаритных ограничений.

Выпадение частиц на дозвуковом участке происходит всегда, но обычно доля частиц пренебрежимо мала (здесь не учитывается возмож­ное осаждение шлаков в двигателях с утопленными соплами под дейст­вием осевых ускорений).

При многофазном течении вблизи стенки сопла начиная с транс­звуковой части возникает зона чистого газа (если не учитывать наиболее мелкие фракции частиц конденсированной фазы). Эта зона со стороны потока ограничена предельной траекторией частиц выбранного размера, опасного с точки зрения уноса материала. Точный расчет точки пересе­чения этой траектории со стенкой труден из-за малости угла встречи частиц со стенкой.

Таблица 4.4

Расстояние предельной траектории частиц для двух контуров сопла

Контур	при
	1,5	3,5	4,5	5	5,2
С отгибом на концевом участке Оптимальный	0,06 0,06	0 0,045	0 0,025	0 0,025	0 0,035

Рис. 4.4. Осесимметричное течение многофазной смеси в сверхзвуковой части сопла:

—— - предельные траектории частиц различных диаметров (1-1,7 мкм; 2-3 мкм; 3-4,7 мкм; 5-11 мкм); - - - - изолинии чисел Маха (6-1,7; 7-2,0; 8-2,3; 9-3,0); — • — — безразмерный поток частиц на стенку p_sv_sn/.

Рис. 4.5. Оптимальный контур (1) и контур с отогнутой под углом 22° 30' концевой частью (2).

На выпадение частиц влияют профили до-, транс- и особенно сверх­звуковой частей сопла. В утопленном сопле предельная траектория на­чинается раньше и отстоит дальше от стенки, чем в сопле с конической входной частью; поэтому во втором случае выпадение более вероятно, чем в первом. Скругление угловой точки в области критического сече­ния также помогает избежать выпадения частиц на стенку сопла.

Наиболее существенное влияние на выпадение частиц оказывает геометрия сверхзвуковой части сопла. Не происходит выпадения частиц на сверхзвуковые части конических и.коротких (d_а/d2,5) сопел.

В соплах, спрофилированных для равновесного течения, происходит выпадение частиц на концевых участках (рис. 4.4). Чтобы избежать этого, конечный участок раструба сопла может быть отогнут так, чтобы стенка на этом участке была параллельна предельной траектории (при­мерно 22,5^о к оси сопла).

При оптимизации профиля сопла для неравновесного многофазно­го течения исходят из условия, чтобы образующая сопла находилась на заданном минимально допустимом расстоянии h от предельной траек­тории. Изменение, угла-наклона оптимального контура имеет немоно­тонный характер (табл. 4.4), такой контур имеет внутренние точки излома [5]. Выигрыш удельного импульса оптимального контура по сравнению с контуром, построенным для равновесного течения и отог­нутым в концевой части, составил 15 м/с (рис. 4.5).

Турбулентный перенос частиц несколько подвигает предельную траекторию частиц ближе к стенке.