WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1997, том 67, № 8 01;03 Двигательная электризация как явление, отображающее развитие зарядовой неустойчивости в среде продуктов сгорания при истечении © В.А. Пинчук Балтийский государственный технический университет, 198005 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 12 января 1996 г. В окончательной редакции 12 апреля 1996 г.) Выдвигается и исследованиями обосновывается предположение о вкладе в механизм двигательной электризации тепловых реактивных двигателей зарядовых неустойчивостей, развивающихся в среде продуктов сгорания при истечении из камер.

Введение протекания в связи с наличием или, напротив, отсутствием углеродсодержащих компонент в составе топлива [4].

Как явление двигательная электризация (ДЭ) тепло- Иными словами, совокупное обоснование фиксируевых реактивных двигателей (ТРД) до настоящего време- мых наблюдениями характеристик ДЭ в настоящее время не сформулировано. При этом общие результаты пони не получила необходимого физического осмысления.

пыток формирования портрета ДЭ указывают на принциНаиболее часто развиваемые представления о ДЭ как процессе, обусловленном по существу выносом элек- пиальную недостаточность разрешающих возможностей традиционно используемых в этих целях моделей характричества из камер в составе граничащих со стенками теристикам ДЭ как объекта физического исследования.

электрически заряженных объемов газа при истечении слабоионизированных продуктов сгорания (ПС) в окру- Отмеченная в целом ситуация позволяет, по-видиможающее пространство [1,2], не отвечают (если не проти- му, предполагать, что при ограничении состава учитыворечат) ряду ее общих экспериментально обнаружива- ваемых факторов лишь процессами в граничащих со стенками камеры объемах продуктов сгорания и выемых характеристик.

носа электричества из камер в составе малоподвижОтмеченная модель не подтверждается, в частности, ных углеродсодержащих частиц несгоревшего топлива, исследованиями распределения выносимого из камеры сформулировать научно обоснованные представления о РД заряда по потоку: наблюдаемые распределения токов ДЭ представляется затруднительным (если не невозможвыноса не обнаруживают преимущественной конценным).

трации заряда в периферийных слоях и соответствуют Не отицая вклада традиционно учитываемых факторов распределениям электричества по сечениям в струях с в механизм ДЭ, в настоящей работе выдвигается и униполярным ионным зарядом [3].

исследованиями подтверждается предположение о возС позиций отмеченных представлений затруднительно можности построения (формирования) представлений о обосновать и общие особенности фиксируемых зависидвигательной электризации, в том числе и как о явлении, мостей знака выносимого из камер заряда от режимов отображающем развитие зарядовых неустойчивостей в работы двигателей. Так, экспериментальными исследослабоионизированной среде продуктов сгорания при исваниями ДЭ убедительно показывается, что высокотемтечении из камер двигателей [5].

пературные режимы работы двигателей приводят, как правило, к выносу из камер положительного электричества. В то же время для низкотемпературных режимов Модель механизма (генераторных), напротив, наиболее характерен вынос из камер отрицательного заряда [2–4].

При формировании исходных представлений в рамИзвестен подход, когда явление ДЭ обосновывают ках сформулированной задачи обратим внимание, что ”вмороженностью” заряженных частиц в среду продук- известные экспериментальные материалы исследований тов сгорания, т. е. их малой подвижностью, предполагая ДЭ указывают по существу на существование некоего при этом, что носителями электрического заряда в ка- механизма, который не только обусловливает вклад в мере являются в основном мелкие углеродсодержащие развитие двигательной электризации всего потока истечастицы несгоревшего топлива [3]. Однако ДЭ как кающих из камер продуктов сгорания (а не только его явление свойственно в целом классу тепловых реак- периферийных, граничащих со стенками камеры слоев), тивных двигателей, в том числе и не использующих в но и определяет выходящие за рамки общепринятых составе топлива углеродсодержащих веществ (например, представлений фиксируемые наблюдениями зависимости использующих в качестве горючего водород). Болеетого, ДЭ от характеристик режима.

экспериментальные наблюдения ДЭ не обнаруживают Примем во внимание в связи с этим, что продукты каких-либо принципиальных изменений в характере ее сгорания в условиях камер ТРД представляют собой 22 В.А. Пинчук прежде всего слабоионизированную газовую среду, под- уравнением Пуассона для электрической составляющей вергаемую при истечении в окружающее пространство, поля E e - p интенсивным акустическим возмущениям. С учетом [5] - = 0. (8) x 0 1 + kT естественно ожидать, что процесс истечения продуктов сгорания из камер в окружающее пространство может С учетом связей между параметрами, а также вырасопровождаться развитием в их среде зарядовых не- жений для подвижностей компонент µe, µi, плотностей устойчивостей. Характеристики ожидаемых проявлений избыточного заряда q и конвективного тока jk [5] система зарядовых неустойчивостей в виде формируемых в пото- приводится к восьми линейно независимым уравнениям ке токов выноса в рамках поставленной задачи могли бы относительно одиннадцати неизвестных Ue, Ui, Ua,, представлять в связи с этим особый интерес. U,,, E, p, T, F.

Сконструируем систему, описывающую процесс исте- Дополним далее (1)–(8) уравнением связей между чения продуктов сгорания. Описание проведем в предста- давлением и температурой среды при изоэнтропическом влениях трехжидкостной модели [5]. Отметим, что среди течении n-n прочих преимуществ последняя снимает необходимость p T = T0, (9) детально оценивать состав среды: как индивидуальные Pособенности состава, так и возможности их существена также соотношением для уширения сопла как функции ных различий допустимо учитывать в этом случае конотносительного давления в потоке и показателя процесса кретным определением либо, напротив, варьированием 0.в широких диапазонах одной из важных характеристик n-2 n-ионизированных сред — эффективного значения потен- n+1 n+ F =. (10) 0.n+циала ионизации.

2/n n p p В обозначениях [5] с учетом стационарности задачи и P0 Pв одномерном представлении состав системы определим уравнениями движения электронной Замыкание системы и в целом возможность использования разработанного в [5] аппарата для получения Ue ene pe количественных оценок в рамках поставленной задачи meneUe + (Ue - Ua) + -eneE = 0 (1) x µe x обеспечим принятием зависимости, устанавливающей характерное для ТРД распределение давления по длине и ионной компонент сверхзвуковой части сопла Ui eni pi x miniUi + (Ui - Ua) + -eniE = 0; (2) pa ( La ) x µi x p = p. (11) p условием ионизационного равновесия в форме Саха Здесь x [0, La] — линейная координата;

условного состава трехжидкостной среды, представляеn мом в виде n-p = P T5/2 eV n + - 6.66679810-2 exp - = 0;

(1 - )(1 + ) p kT — давление в критическом сечении сопла. Системой (3) (1)-(11), таким образом, проведено электрогазодинамивыражениями для среднемассовых плотности ческое описание процесса истечения продуктов сгорания из камеры ТРД. Электрическая связь между потоком и me + mi + ma(1 - ) p - = 0 (4) стенками сопла при этом не учитывается.

1 + kT и скорости Характер исследований. Результаты mi ma mi U + + (1 -) - Ue - Ui Система (1)–(11) использовалась для исследований me me me характеристик сверхзвукового участка потока при исma течении ПС из камер. При этом предполагалось, что - Ua(1 -) =0 (5) me электрофизические параметры потока ПС в критическом сечении сопла являются невозмущенными, т. е. отвечают трехжидкостной среды; уравнением неразрывности потообщим условиям квазинейтральности и характеризуются ка отсутствием внутренних электрических полей.

U F F + U + UF = 0; (6) С учетом отмеченных физических представлений форx x x мировались разностная схема, а также начальные услозаконом сохранения электрического заряда вия интегрирования q F jk UF + jk + F = 0; (7) x=0 : Ue =Ui =Ua =U =[nRT0/(n + 1)]0.5 =W =a, x x x Журнал технической физики, 1997, том 67, № Двигательная электризация как явление, отображающее развитие зарядовой неустойчивости... = = f (T, p, V ), E = 0, =, p = p, n — показателя процесса истечения, V — потенциала ионизации условной трехжидкостной среды, La — T = T, F = 1.

длины сопла. Входные параметры при расчетах широко Задача исследований, таким образом, сводилась к чиварьировались: P0 (0.3, 5) МПа; pa (0.05, 0.5) МПа;

сленному интегрированию системы (1)–(11) в области T0 (1500, 3500) K; n (1.1, 1.4); La (0.5, 1.5) м;

x [0, La], La — длина сверхзвуковой части сопла.

V (6, 16) В. При выборе P0 и pa, однако, обеспечиВ процессе интегрирования на каждом шаге проверявалось условие P0/pa 10. Общепринятое мнение о лось выполнимость условия mod E < Ebd, где Ebd — степени соответствия условиям ионизационного равнопробойная напряженность электрического поля (условно весия, согласно (3), состава среды ПС при истечении из принималась равной 107 В/м). При нарушении этого камер реальных ТРД в настоящее время окончательно не условия интегрирование прекращалось.

сформировано. Поэтому расчеты по описанной методике Аналогично [5] оценивались и комплексные харакдублировались расчетами, в которых степень ионизации теристики, такие как jk — плотность тока выноса, по длине сопла рассматривалась ”замороженной” (уравq — обусловленная зарядовой неустойчивостью локальнение Саха при прочих равных условиях использовалось ная плотность электрического заряда, — степень в этих случаях лишь на стадии формирования начальных нарушения квазинейтральности среды и т. д. Конкретусловий для численного эксперимента; в дальнейшем ные условия варианта расчета определялись заданием же, при интегрировании системы, оно исключалось из P0 — давления в камере, pa — давления ПС в серассмотрения).

чении среза сопла, T0 — температуры ПС в камере, Рис. 1. Распределение плотности тока по длине сопла в Рис. 2. Распределение плотности тока по длине сопла в зависимости от состава среды. P0 = 0.4МПа; T0 = 3000 K;

зависимости от температуры в камере. P0 = 0.4МПа; V = 9В;

pa = 0.1МПа; La = 1.0м; n = 1.3. V, В для а: 1 —8.5, pa = 0.1МПа; La = 1.0м; n = 1.3. T, K для а: 1 — 2800, 2 — 10.5, 3 — 10.0, 4 —9.5, 5—9; дляб: 1— 13.00, 2 — 12.75, 2 — 3000, 3 — 2500, 4 — 3200, 5 — 3300, 6 — 3400, 7 — 3500;

3 — 14.00, 4 — 14.50, 5 — 15.00, 6 — 15.50, 7 — 16.00, для б: 1 — 1700, 2 — 1800, 3 — 1900, 4 — 2000, 5 — 2100.

8 — 17.00.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 24 В.А. Пинчук Рис. 3. Распределения Ue -Ui = f (x); Ue -Ua = f (x); Ui -Ua = f (x); jk = f (x) по длине сопла (соответственно). P0 = 0.4МПа, pa = 0.1МПа, T0 = 3000 K, V = 12.1В, La = 1.0м, n = 1.3.

Общими результатами численного эксперимента об- результатов при этом сохраняется вне зависимости от основывается правомочность формулирования предста- варианта расчета (равновесное или ”замороженное” по влений о двигательной электризации как явлении, ото- степени ионизации истечение).

бражающем развитие в слабоионизированной среде про- На рис. 1 представлены конкретные, полученные решедуктов сгорания неустойчивостей в распределении элек- ниями распределения по длине сопла плотности токов трического заряда по объему в связи с истечением из выноса, отражающие в том числе и отмеченный выше камер. характер зависимости знака выносимого из камеры с поДействительно, решениями обнаруживается, что во током ПС электричества от состава истекающей среды.

всем диапазоне варьирования входных параметров в Зависимость плотности токов выноса от температуры потоках продуктов сгорания при истечении из сопла не- продуктов сгорания при прочих равных условиях иллюобходимо формируются отличные от нуля токи выноса, стрируется рис. 2.

возникают в связи с этим макроскопического характе- Представленные зависимости хотя и отвечают варианра образования с избыточным электрическим зарядом ту ”ионизационно равновесного” истечения, однако явля(аквазинейтральные), внутренние электрические поля. ются типичными и в целом отражают общие особенности Результаты в общем указывают, что в связи с развити- полученных результатов. В диапазоне охватываемых исем зарядовых неустойчивостей в потоках ПС при истече- следованиями уровней T0 и V среды ими, в частности, нии возможен вынос из камер как положительного, так и выявляется существование трех характерных режимов отрицательного электричества. При этом устанавливает- истечения ПС из камер ТРД. Прежде всего это — режим, ся, что вероятность выноса положительного заряда с по- отличающийся устойчивым по длине сопла выносом из нижением потенциала ионизации или повышением тем- камер положительного электрического заряда. Отмеченпературы среды при прочих равных условиях возрастает. ный режим реализуется при истечении ”высокотемпераНапротив, в связи с увеличением потенциала ионизации турных” (или ”легкоионизируемых”) сред ПС и условно среды или понижением ее температуры при прочих рав- может быть отнесен к группе ”камерных” (рис. 1, а; 2, а).

ных условиях повышается вероятность выноса из камер с Вторая характерная группа режимов обнаруживается потоком отрицательного электричества. Общий характер устойчивым по длине сопла выносом из камеры отрицаЖурнал технической физики, 1997, том 67, № Двигательная электризация как явление, отображающее развитие зарядовой неустойчивости... сгорания при истечении зарядовых неустойчивостей, обосновывают, таким образом, их вклад в механизм ДЭ в целом (по крайней мере в числе прочих, традиционно учитываемых развиваемыми известными моделями).

Значимость вклада формируемых в среде ПС при истечении зарядовых неустойчивостей в механизм двигательной (т. е. обусловленной непосредственно функционированием двигателя) электризации подтверждается в том числе и сопоставлением общих особенностей обнаруживаемых экспериментальными наблюдениями проявлений ДЭ и ожидаемых с учетом результатов настоящей работы.

Отметив, что в целом известные экспериментальные исследования ДЭ весьма немногочисленны, следует всетаки признать, что наиболее обширные, комплексные по охвату учитываемых факторов и весьма надежные результаты в этой области получены к настоящему Рис. 4. Зависимость jk = f (V ) в сечении среза сопла.

времени специалистами Казанской научной школы (шкоP0 = 0.4МПа, pa = 0.1МПа, T0 = 3000 K, La = 1.0м, ла В.Е. Алемасова и А.Ф. Дрегалина), частично предстаn = 1.3.

вленных, например, работами [2,4,6]. Отметим их общие особенности.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.