Реактивном пространстве

Вибрационные возбуждения, с которыми приходится иметь дело на многих современных технических объектах, обычно являются полигармоническими, что вызвано существованием большого числа независимых источников вибрации и нерегулярностью некоторых физических процессов (например, процессы горения в реактивном двигателе, обтекание тел турбулентным потоком, взрывные и ударные процессы).

Кратковременные испытания не характеризуют в полной мере свойство металлов и сплавов при высоких температурах, а дают лишь приближенные представления о их жаропрочности. На основании кратковременных испытаний на растяжение можно получить лишь представление о способности исследуемого материала к горячей обработке давлением (ковке, штамповке, прокатке), а также о поведении материала деталей в начальный период их работы, например, в реактивном двигателе при старте самолета или космического корабля.

Вибрационные возбуждения, с которыми приходится иметь дело на многих современных технических объектах, обычно являются полигармоническими, что вызвано существованием большого числа независимых источников вибрации и нерегулярностью некоторых физических процессов (например, процессы горения в реактивном двигателе, обтекание тел турбулентным потоком, взрывные и ударные процессы).

В бескомпрессорном пульсирующем воздушно-реактивном двигателе воздух сжимается в диффузоре адиабатно 12 (см. рис. 1.31, б), сгорание рабочей смеси осуществляется в изолированном объеме (изохорный процесс 24). Продукты сгорания при движении в конфу:юре и выпускной трубе расширяются адиабатно до давления внешней среды (процесс 45), затем происходит изобарный процесс охлаждения - отдача теплоты

ИЗОХОРЙЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, изохорный процес с,— термодинамический процесс, протекающий при пост. уд. объёме системы. Близки к И. п., напр., процессы сгорания топлива в карбюраторном двигателе и в пульсирующем воздушно-реактивном двигателе.

РЕАКТИВНОЕ СОПЛО — профилированный насадок (например, лопаточный канал соплового аппарата) для преобразования потенциальной энергии протекающего рабочего тела в кинетическую. В реактивном двигателе суживающиеся Р. с. используют для создания дозвуковых скоростей истечения, а Р. с. с расширяющейся выходной частью (Лаваля сопло) — для получения сверхзвуковых скоростей. Р. с. применяют в турбинах, реактивных двигателях, в измерит, технике. Р. с. двигателей сверхзвуковых самолётов выполняют регулируемыми, причём у сопла может регулироваться площадь как критического минимального сечения, так и выходного сечения. Регулирование критического сечения даёт возможность изменять режим работы двигателя. Регулирование выходного сечения сопла обеспечивает оптим. расширение газа на всех режимах полёта и работы двигателя; наиболее рационально применение т. н. эжекторных сопел. В самолётах Р. с. выполняют также задачу отвода газа за пределы самолёта и защиты его частей от нагрева. См. также Сопло.

В связи с влиянием примесей на совместимость упрочнителя с металлической матрицей следует рассмотреть еще один важный фактор — газовую среду. Роль этого фактора была показана выше на примере углеродных волокон, которые легко разрушаются выше 873 К уже при небольшом парциальном давлении кислорода. Усы сапфира также разрушаются при высоких температурах в восстановительной атмосфере. Следовательно, важна совместимость композита с газовой средой как в процессе изготовления, так и при его использовании. Обычно в каждом отдельном случае этот вопрос требует своего решения. Так, например, стабильный композит углеродное волокно — никель получается в вакууме 10~6 мм рт. ст., но для применения этого композита в реактивном двигателе требуется создать вокруг волокна дополнительный про-тивокислородный барьерный слой (например, из тугоплавкого металла). В этом разделе рассматривается влияние газовой среды на покрытые никелем усы нитрида кремния и показано, что небольшие изменения парциального давления кислорода и азота могут существенно повлиять на высокотемпературную стабильность этой системы [2].

Воздух в этом реактивном двигателе не встречает на пути никаких механизмов. И двигатель поэтому называют прямоточным воздушно-реактивным двигателем, или, короче, ПВРД.

Изоляция от воздействия внешней среды (потоков энергии) предусматривается при конструировании. Например, в реактивном двигателе камера сгорания обычно отделяется одним или несколькими слоями изоляции для предохранения остальных деталей от перегрева. Барьеры выполняются в виде слоя краски, гальванических покрытий, герметизации, масляной ванны, пассивирования, анодирования и других покрытий. Во всех случаях защищаемое изделие окружается барьером из другого материала, который имеет либо высокую энергию активации, либо малую константу скорости.

59. Ф. Мок. Процесс горения в реактивном двигателе.— В сб. «Физика и химия реактивного движения», т. 1. М., Оборонгиз, 1947.

В этом случае ри>-диаграмма удлинится вверх (см. рис. 9.6, а) и цикл турбореактивного двигателя осуществится по контуру А -» -» Q -> Z] -» ?-» A. TS-диаграмма также удлинится в направлении оси Т (см. AC\Z\EA на рис. 9.6, б). Из сравнения ЛУ-диаграмм бескомпрессорного и турбореактивного двигателей следует вывод, что теплота, израсходованная на работу в турбореактивном двигателе, больше на величину, пропорциональную площади CC^Zna рис. 9.6, б. Таким образом, его эксплуатация более эффективна, т. е. двигатель имеет больший термический КПД г,. Значение этого КПД может быть определено по методу, использованному для бескомпрессорного двигателя.

Определяющими факторами интенсификации процессов тепло-и массообмена в аппаратах являются высокая относительная скорость газа и жидкости; развитая поверхность контакта; высокая дисперсность и масса сред в реактивном пространстве; равномерность распределения скоростей, дисперсности и массы газа и жидкости в объеме реактивного пространства; достаточное время контакта сред; противоточный характер взаимного движения контактирующих сред.

В реактивном пространстве пенных аппаратов во взвешенном состоянии находятся значительные массы жидкости, поэтому они имеют повышенное гидродинамическое • сопротивление (более 1600—2000 Па).

другие оросители. От их конструктивных характеристик и расположения зависит дисперсность, равномерность распределения, время пребывания капель жидкости в реактивном пространстве и, в конечном счете, интенсивность процессов тепло- и массообмена.

Рассмотренные контактные аппараты — пенные, с орошаемой насадкой, камеры орошения — объединяет одно общее свойство. Относительная скорость газа и жидкости в реактивном пространстве определяется, в основном, естественным полем сил тяжести. Исключение составляют отдельные локальные зоны, в том числе зоны выхода струи из форсунки, отверстий газонаправляющей решетки, входных патрубков и др. В этих зонах скорость газа (жидкости) превышает среднюю относительную скорость, что создает условия для локальной интенсификации процессов тепло- и массообмена. Полному использованию объема реактивного пространства при повышенной относительной скорости препятствует малая напряженность поля сил тяжести. Таким образом, в рассмотренных контактных аппаратах интенсификация процессов тепло- и массообмена в реактивном пространстве имеет определенный предел, увеличить который можно, применяя искусственные поля тяготения, например поля центробежных сил, которые дают возможность резко увеличить относительную скорость газа и жидкости равномерно во всем объеме реактивного пространства аппарата или слоя взаимодействующих сред.

По своему конструктивному исполнению центробежные контактные аппараты непременно содержат один или несколько круговых теплообменных элементов, в реактивном пространстве которых происходит непосредственный контакт газа с жидкостью. Тешюобменные элементы могут иметь вращающийся ротор, но это усложняет конструкцию аппарата. Аппараты с неподвижным контактным элементом чаще бывает выполненными в виде циклона или спиральной камеры [15, 16]. Они являются перекрестно-прямоточными, причем перекрестное движение сред ограничено начальным, весьма непродолжительным участком пути, что делает эти аппараты по существу прямоточными, в которых частицы жидкости транспортируются газом.

Рис. 1-5. Схема движения потоков сред в реактивном пространстве теп-

В числа подобия входит характерный линейный размер /. Ввиду высокой полидисперсности и неопределенности формы частиц жидкости и образований газа в реактивном пространстве контактных аппаратов непосредственное оперирование величиной / практически не представляется возможным. Поэтому образуем комбинированное число Рейнольдса — Фруда, в котором характерный линейный размер отсутствует:

Входящая в ReK величина g-n (напряженность поля тяготения) представляет собой ускорение в поле тех сил в реактивном пространстве контактного аппарата, которые действуют на частицы жидкости в направлении относительной (или расчетной) скорости газа. Например, в поле сил тяжести напряженность поля равна ускорению свободного падения (gn = g) , а в поле центробежных сил — квадрату тангенциальной скорости газа, деленному на соответствующий радиус окружности: gn — U2tlR.

2. Значения движущих сил тепло- и массообмена зависят от площади поверхности контакта F в реактивном пространстве аппарата. Чем больше F, тем меньше средние разности температур и концентраций (см. рис. 2-4 и 2-5). В то же время в процессах гидродинамики, например при равномерном прямолинейном изотермическом течении в канале постоянного сечения с постоянным массовым расходом газа или жидкости, скорость

Форсуночные камеры с точки зрения гидродинамической обстановки в реактивном пространстве являются наиболее сложными. Особую сложность представляет определение относительной скорости движения капель жидкости и газа. При распыле жидкости форсунками в неподвижной газовой среде эта скорость может меняться от скорости истечения жидкости из соплового отверстия форсунки до скорости витания капли в воздухе. Учесть эти изменения можно путем дифференцирования капель по размерам и вычисления траектории и скорости полета каждой капли в отдельности. Но это существенно усложняет методику расчета [20]. Поэтому идут на упрощение, вводят безраз-

В целом изложенный приближенный аналитический метод дает возможность без применения эмпирических критериальных уравнений для коэффициентов тепло- и массообмена определить поля температур и концентраций в стационарных процессах взаимосвязанного тепло- и массообмена при непосредственном взаимодействии газа и жидкости в некоторых типах контактных аппаратов, проследить изменение параметров в реактивном пространстве, произвести оптимизацию конструкции и режимов работы аппаратов. Метод может быть трансформирован для решения пространственных задач, так как последние в ряде случаев могут быть приведены к плоским.