5. Схемы камер смешения и картина течения в них

Камеры смешения отличаются большим разнообразием схем. Две типичные из них показаны на рис.10.1.

а)б)

Рис. 10.1. Схемы камер смешения: а) – с цилиндрическим

разделителем потоков; б) – с гофрированным разделителем

Наиболее простой является схема с цилиндрическим разделителем потоков (рис. 10.1, а). В такой камере перемешивание потоков за счет турбулентного обмена происходит первоначально только на цилиндрической поверхности с диаметром, близким к диаметру разделителя потоков, и только на значительном расстоянии от него в процесс смешения вовлекаются слоит газа и воздуха, далекие от неё. Поэтому для достаточно полного перемешивания потоков такая камера должна иметь довольно большую длину.

В схеме рис. 10.1, бдля ускорения перемешивания потоков воздуха и газа на вход в камеру смешения установлено устройство(смеситель),ускоряющее проникновение струй воздуха в область пространства, занятую газом, и наоборот. Наибольшее распространение получили смесители так называемого лепесткового типа, в которых поверхность разделителя потоков на входе в камеру искусственно увеличивается, например, путем её гофрирования и при этом поток воздуха из наружного контура скашивается в направлении оси камеры смешения, а поток газа за турбиной – в сторону ее внешней поверхности. Такие схемы обеспечивают более быстрое перемешивание потоков в сравнительно коротких камерах смешения, хотя имеют несколько более высокие гидравлические потеривследствие увеличения площадей поверхности контакта двух смешиваемых потоков.

Картина течения в камере смешения

Рассмотрим теперь более подробно промессы, протекающие в камере смешения. Возьмем простейшую цилиндрическую камеру смешения, схема которой приведена на рис. 10.2. Сечения на входе обозначимI-IиII-II, а на выходесм-см.

10.2. Картина течения в цилиндрической камере смешения

показана на рис. 10.2. Сечения на входе в камеру обозначены здесь II и IIII , а на выходе смсм. Сразу при входе потоков в камеру вследствие явлений диффузии и турбулентности начинается перемешивание потоков и возникает слой смешения. В некотором граничном для этого процесса сечении гргр слой смешения охватывает все поперечное сечение камеры, но параметры потока по сечению еще неравномерны. Полное перемешивание потоков и выравнивание их параметров достигается в сечении смсм.

Отметим, что в камерах смешения реальных двигателей полное смешение потоков не реализуется, так как для полного выравнивания потоков потребовалось бы иметь камеру смешения с длиной, в несколько раз большей её диаметра. В реально выполненных конструкциях длина камер смешения обычно не превосходит одного её диаметра из-за необходимости снижения массы и габаритов двигателей.

6. Расчет параметров потока за камерой смешения

Рассмотрим задачу определения параметров потока на выходе из цилиндрической камеры смешения при условии полного выравнивания потока на выходе из неё (в сечении «см-см») и отсутствия передачи теплоты через стенку камеры. Пусть известны площади контрольных сеченийF_I,F_IIи соответственноF_cм =F_I+F_II, полные параметры потоков на входе в камеру, а также скорость или числоодного из потоков на входе, например,. Пусть, кроме того, известно, что скорости потоков воздуха на входе в камеру – дозвуковые. В этом случае, как установлено экспериментально,статические давления обеих потоков на входе в камеру одинаковы, т.е..

Для расчета параметров в сечении «см-см» в этом случае могут использоваться три уравнения:

1) уравнение неразрывности

G_cм =G_I +G_II; (10.10)

2) уравнение сохранения энергии

G_cм i_см^*=G_Ii_I^*+G_IIi_II^*; (10.11)

3) уравнение, выражающее теорему Эйлера о количестве движения

G_cм c_см– (G_Ic_I+G_IIc_II) =p_IF_I+p_IIF_II -p_cм F_см– X_тр , (10.12)

где X_тр- это равнодействующая сил трения воздуха о стенки камеры.

При этом, если известно значение, то известны и значения

, а следовательно и. Но тогда известны и скоростии, где, а также значенияи,

Уравнение (10.11) может быть записало в виде:

,

откуда, пренебрегая различием теплоемкостей и с учетом уравнения (9.10) и того, что , получим

. (10.13)

Основным параметром, оценивающим газодинамическое совершенство камеры смешения, является коэффициент восстановления полного давления _см, который определяется как отношение осредненных величин полных давлений на выходе из камеры смешения и входе в нее, т.е. _см = р^*_вых.ср /р^*_вх.ср. При полном перемешивании потоков величина р^*_вых.ср = р^*_см и тогда

_см  = , (10.14)

где давление р^*_вх.ср определяется путем осреднения величин давлений р^*_I и р^*_II . Если осреднение осуществляется по площадям, то

. (10.15)

Значение можно найти из уравнения (10.12). Это двольно сложно. Поэтому не будем тратить время на детали, а отметим главное.

Расчеты, проведенные таким путем, показывают, что при использовании в общем сопле, расположенном за камерой смешения, газа с полученными при полном смешении параметрами ии при малой величинеможно получить более высокую тягу, чем при раздельно истечении газа и воздуха из разных сопел без смешения потоков.

При этом расчеты показывают также, что возможный выигрыш от применения камер смешения существенно зависит от степени двухконтурности и степени завершенности процесса смешения потоков. В идеальном случае (при полним смешении и отсутствии потерь на трение) можно при степени двухконтурности получить выигрыш до 4…5%. Но полное смешение потоков достигается на довольно большом удаленном сечения «см-см» от сечения «гр-гр». В камерах смешения реальных двигателей полного выравнивания параметров не происходит, т.к. для этого пришлось бы иметь камеру смешения недопустимо большой длины. Поэтому расчеты параметров потока на выходе из камеры смещения (т.е. значенияи соответственно эффективности смешения) проводятся приближенным путем с использованием экспериментальных данных.

При полном смешении без потерь на трение газа о стенки камеры смешения, как показывают расчеты, мало отличается от единицы. В коротких камерах смешения влияние трения газа о стенки камеры пренебрежимо мало. Но влияние неполного перемешивания обычно значительно и, соответственно,, что существенно снижает возможный выигрыш в тяге ТРДД.

Но эффективность применения камер смешения связана еще и с другими обстоятельствами, которые будут рассмотрены в следующем семестре.