3.3. Тепловые процессы при старте

Наибольшему тепловому воздействию струй двигательной установки подвергаются газоотражатели и газоотводные устройства, воспринимающие на себя силовое и тепловое воздействие отводимой от ракеты газовой струи.

Тепловое воздействие на газоотражатели характеризуется следующими данными:

• плотность теплового потока составляет, в среднем, ;

• суммарное тепловое воздействие ;

• время теплового воздействия составляет от до .

Плотность теплового потока на отражателях распределяется аналогично давлению на поверхности. Это может быть проиллюстрировано приближенной эмпирической формулой (Я.И. Колтунов)

,

где – давление на отражателе ; – разность температур газа и стенки; – характеристика топлива, зависящая от его теплотворной способности .

При ;

Для определения суммарного теплового воздействия необходимо интегрирование произведения переменных величин по времени действия сверхзвукового участка струи (до окончания теплового воздействия при ):

;

,

где – длина сверхзвукового участка струи; – начальное расстояние сопла от преграды; – перегрузка ракеты при старте.

Тепловое воздействие на газоотводные трубы характеризуется:

• плотностью теплового потока ;

• суммарными тепловыми нагрузками за время действия от до .

Параметры теплового воздействия на поверхности газоотводных труб и газоходов были получены в ходе отработки экспериментальных шахтных пусковых установок. При натурных измерениях определялся весь комплекс параметров, возникающих при взаимодействии струй двигательной установки с элементами пускового устройства (газодинамических, тепловых, акустических, вибрационных). Это позволило выявить специфику тепловых процессов при старте и связать зависимости, полученные при старте, с ранее установленными для изученных течений.

Одной из особенностей в условиях теплообмена является запыленность потока частицами бетона, наличие больших объемов газа с температурой, близкой к температуре торможения, то есть то, что делает заметным вклад в суммарный тепловой поток лучистой составляющей (до ). Однако тепловое воздействие определяет, в основном, конвективный теплообмен, который при условиях старта имеет свою специфику и некоторые новые свойства. Эти свойства, в первую очередь, появляются в силу действия такого фактора, как акустическая энергия газовой струи, а также больших градиентов давления на поверхности действия газовых струй и пульсаций давления, вызываемых этим действием.

3.3.1. Схема процесса теплопередачи от газового потока к конструкциям

Приведенная выше формула для оценки теплового потока далеко не отражает существа процесса теплоотдачи от газа к стенке, а также влияния на него параметров газа и масштабного фактора. Поэтому рассмотрим "классическую" схему механизма теплопередачи от газа к стенке. На рис.3.27 представлена схема течения струи у стенки и распределение параметров в пограничном слое.

Теплопередача происходит в пограничном слое и ее интенсивность зависит как от уровня параметров потока, так и от градиента изменения параметров в пограничном слое на толщине .

Рис.3.27. Схема течения струи у стенки и распределение параметров в пограничном слое

Частицы газа тормозятся на стенке (). По толщине пограничного слоя режим течения определяется числом Рейнольдса , то есть отношением сил инерции к силам вязкости. Если , то течение в пограничном слое слоистое, с устойчивыми траекториями частиц – ламинарное. При числах Рейнольдса течение неустойчивое (переходный режим); при – течение в пограничном слое турбулентное.

Температура газа в пограничном слое из-за торможения возрастает от термодинамической до температуры восстановления , близкой к температуре торможения . Однако для теплопроводной стенки в ее непосредственной близости в ламинарном подслое температура газа падает, вследствие теплопередачи в стенку, от значения до значения непосредственно на стенке (см. эпюру на рис.3.27).

Плотность теплового потока определяется формулой

.

При всей простоте формулы, определяющей теплоотдачу от газа к стенке при температурном перепаде , следует, однако, обратить внимание на то, что вся сложность механизма теплопередачи состоит в сложности определения коэффициента . Этим коэффициентом должно определяться влияние на теплообмен газодинамических параметров обтекания, теплофизических свойств газа переменных по толщине погранслоя и др. Поэтому определение значения является сложной экспериментальной задачей с воспроизведением критериев моделирования.

Коэффициент определяется из критериального уравнения для числа Нуссельта , характеризующего повышение интенсивности передачи тепла конвекцией по сравнению с теплопроводностью газа:

,

где – число Прандтля.

Каждый критерий определяет те или иные свойства потока, от которых зависит теплообмен:

• число определяет по параметрам потока режим течения в пограничном слое и интенсивность теплопередачи конвекцией;

• число является отношением толщин динамического и теплового пограничных слоев и зависит от теплофизических характеристик (факторов): теплопроводности , теплоемкости , вязкости газа пограничного слоя;

• температурный фактор характеризует влияние изменения температуры газа в пограничном слое на теплофизические параметры газа.

Здесь следует отметить, что влияние температурного фактора в условиях старта существенно в силу значительной разницы температуры газа и температуры металлических конструкций , как в начале нагревания, так и даже при плавлении металлических стенок или низкотемпературных теплозащитных покрытий.

В критериальном уравнении влияние фактора выражается либо непосредственно в виде зависимости , либо через теплофизические параметры в погранслое, которые определяются с учетом падения температуры газа от до . Это падение температуры может быть учтено одним из следующих способов:

,

где .

По температуре определяются параметры: , , , и, соответственно: , . Это является учетом влияния температурного фактора .