ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ГАЗОДИСПЕРСНЫХ ПОТОКОВ В УСТРОЙСТВЕ ДЛЯ НАРАБОТКИ “АКТИВИРОВАННОГО ПОРИСТОГО ТОПЛИВА”

Великодный В.Ю., Воротилин В.П., Еремеев А.В., Яновский Ю.Г.

Институт прикладной механики РАН

Тимофеев И.Б.

Московский Государственный Университет, Россия

Д.Ван Ви

Университет им.Дж.Хопкинса, США

Для разработки новых перспективных образцов гиперзвуковой авиационной техники со скоростями полета, эквивалентными числам Маха М≥5, необходимы и новые движущие устройства, так как эффективность обычных воздушно-реактивных двигателей в этом случае резко падает. В указанном диапазоне скоростей предполагается использовать детонационные и прямоточные двигатели. Одним из основных требований при разработке, испытании и эксплуатации подобных двигателей является наличие дешевого технологичного, удовлетворяющего экологическим показателям топлива, обеспечивающего стабильную работу прямоточного двигателя при числах Маха М=3.5÷14 и детонационного двигателя при М=0÷9. Важнейшим направлением исследований является создание такого топлива на базе авиационного керосина. Фактически ставится задача создания нового вида топлива с регулируемыми физико-химическими свойствами в зависимости от условий полета. Известно [1,2], что предварительное барботирование жидкого топлива (например, авиационного керосина) окислителем (воздухом, воздухом, насыщенным кислородом) или горючими газами (СН₄ , Н₂, С₂Н₂) существенно улучшает характеристики его распыла, перемешивание, дальнобойность струи, снижает время задержки воспламенения, а наработка первичных радикалов, продуктов неполного сгорания СО, Н₂, Н₂О, конверсии и крекинга åС_хН_у может существенно уменьшить время индукции цепных реакций (см. [2-4]) при более низкой начальной температуре топливно-воздушной смеси. Все эти факторы в совокупности благоприятно влияют на развитие процессов горения и детонации. В работе рассматриваются способы и представлены результаты испытания новых устройств, обеспечивающих производство “активированного пористого топлива” на базе жидких углеводородов и сочетающих вышеуказанные преимущества в комплексе. Процесс получения активированного пористого топлива состоит из следующих последовательно осуществляемых стадий: 1) предварительное барботирование газами под давлением исходного топлива (например, авиационного керосина, солярки, мазута) с использованием диспергатора; 2) последующее пропускание его через кавитатор, в котором происходит дальнейшее дробление пузырьков; 3) ударноволновая обработка газодисперсной смеси; 4) распыл этой смеси в поток воздуха. Ключевым физическим явлением, используемым при работе данного устройства, является тот известный факт, что скорость звука в газодисперсной среде может быть на два порядка ниже, чем в чистой жидкости и на порядок ниже, чем в газе. Величина скорости звука в среде с пузырьками, диаметр которых d ≥ 0.01 мм, может быть рассчитана на основе следующего выражения (см.[2])

(1)

где a – скорость звука, k – показатель политропы, p – давление, r₂ – плотность жидкости, j₁ – объемное газосодержание. Формула (1) справедлива при 0,1 < j₁ <0.9. При j ®1 скорость звука a стремится к скорости звука в газе a_g, а при a ® 0 к скорости звука в жидкости a_liq. Представляется интересным использовать эффекты, происходящие при ударноволновом воздействии на микропористую жидкость (топливо), для проведения его предварительной обработки, с целью реализации процессов конверсии, крекинга, наработки радикалов, частичного окисления перед распылением в сверхзвуковой поток или детонационную камеру. Были проведены предварительные оценки и расчеты процессов, происходящих в отдельных узлах установки. Разработана теория описания структуры фронта ударной волны в газодисперсном потоке с высоким объемным газосодержанием

  j_I  @ 0.1 ё 0.95

и получено приближенное аналитическое решение задачи. Показано, что в зависимости от объемного газосодержания возможна реализация двух режимов: 1) режим адиабатического скачка, при котором значения температуры в пузырьках и жидкости резко различаются; 2) изотермический режим с одинаковыми температурами в обеих средах. Разработана теория смешения турбулентных струй пористой жидкости с поперечным потоком газа (окислителя). Проведенные на её основе расчеты параметров пористой струи продемонстрировали эффект существенного сокращения длины пути установления стехиометрического состава топлива и окислителя с ростом начального газосодержания. Полученные результаты открывают возможность использования указанных свойств пористой струи для решения проблемы сокращения размеров камеры сгорания прямоточного двигателя.