3.3.4. Особенности конвективного теплообмена при воздействии двухфазного потока

Воздействие двухфазного потока на конструкцию пускового устройства имеет место при запыленности потока твердыми частицами или при старте ракет на ракетных двигателях твердого топлива, продукты сгорания которых имеют металлизированные частицы или в жидкой фазе (К-фаза).

В первом случае, как правило, имеет место упругое соударение частиц со стенками, а влияние частиц на теплообмен выражается в повышении турбулизации течения в пограничном слое. Увеличение коэффициента теплопередачи будет зависеть от концентрации частиц в потоке весовой и объемной . Эти коэффициенты можно оценить по формуле Гоблица:

,

где – теплоемкость.

Плотность теплового потока может быть определена по следующей формуле:

.

Следует отметить, что значение разности энтальпий газа будет меньше, чем без частиц, вследствие отбора тепла от газа на нагрев частиц.

Оценки показывают, что величина теплового потока с твердыми частицами может быть выше, чем в газовом потоке, на .

При ударе твердых частиц о стенку возможно усиление уноса материала стенки в результате механического воздействия частиц. Если стенка имеет теплозащиту, то будет иметь место аккомодация частиц на стенке (прилипание) и увеличение теплового потока.

При воздействии потока с К-фазой, помимо механизма турбулентного потока и усиления теплопередачи конвекцией, существенное влияние оказывает процесс конденсации жидких частиц на более холодной стенке. Этот новый, характерный для условий старта, эффект был исследован под руководством Ю.А. Акопяна. В этом случае тепловой поток может возрастать в несколько () раз. Конденсация частиц на более холодной, чем поток, стенке, приводит к образованию твердой пленки, которая играет роль теплозащиты для металлической стенки, снижая тепловой поток за счет роста и соответствующего уменьшения температурного или энтальпийного напора или . Характер изменения теплового потока представлен на рис.3.32.

Рис.3.32. Сравнение тепловых потоков от действия струй с К-фазой и без К-фазы

При этом интегральное количество тепла в процессе старта может быть одинаково в потоке с К-фазой или без К-фазы.

Малая теплопроводность конденсированной твердой пленки приводит к росту температуры поверхности пленки и ее плавлению для при температуре . В этом случае тепловой поток в стенку стабилизируется, а тепло газа идет на плавление верхнего слоя твердой пленки.

3.3.5. Лучистый теплообмен от газов двигательной установки при старте

Конвективный обмен, как было указано ранее, играет основную роль при старте. Однако, вследствие больших объемов газов, находящихся в состоянии, близком к торможению, запыленности потока, тепловой поток за счет излучения может достигать от конвективного.

Газовые струи продуктов сгорания топлив ракетных двигателей излучают тепловую энергию, в основном, за счет присутствия в них водяного пара , углекислого газа и других трехатомных компонент. Излучательная способность двухатомных газов , и ничтожна, то есть эти газы для тепловых лучей диатермичны. Газы излучают и поглощают тепловую энергию лишь в определенных интервалах длин волн – в полосах . Тепловая энергия в газе, в отличие от твердых тел, испускается и поглощается в объеме пропорционально длине прохождения луча и давлению .

Таким образом, излучательная способность газов для какой-либо полосы длин волн является функцией произведения , а также температуры газов: .

Общая лучеиспускательная способность газа равна сумме энергии лучеиспускания на всех полосах частот:

,

где .

В основу практических расчетов лучеиспускания газа к стенкам может быть положен закон Стефана – Больцмана:

,

где – эффективная степень черноты оболочки; – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; – степень черноты газа; – поглощающая способность газа при температуре оболочки.

– берется по ; .

Можно принять для приближенных расчетов .

Если , то стенка не поглощает, а излучает энергию газу.

Закон Стефана – Больцмана справедлив для теплообмена между лучистой полусферой и плоскостью. Излучение объемов газов другого вида можно свести к излучению полусферы через эквивалентный радиус:

,

где – объем газового тела; – площадь оболочки.

Суммарный тепловой поток будет:

,

где .

Для лучистого теплообмена в каналах шахт можно приближенно считать

;

;

;

, .

Для плоских потоков .