№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 629.78.085
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПАССИВНЫХ УЛОВИТЕЛЕЙ КАПЕЛЬНОЙ ПЕЛЕНЫ В ОТКРЫТЫХ КОСМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
© 2014 г. КОРОТЕЕВ А.А.1, ПОПУШИНА Е.С.2, САМСОНОВ А.Б.1
1Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет), МАИ 2Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, НИИ Механики МГУ E-mail: mai@mai.ru
Составной частью бескаркасных устройств для отвода низкопотенциального тепла в циклах космических энергетических установок нового поколения является уловитель диспергированной капельной пелены. В предлагаемой работе проводится исследование закономерностей функционирования пассивных уловителей, отличающихся отсутствием движущихся элементов. Разработаны теоретические основы и методы программно-математической реализации применительно к задачам исследования движения в космосе пленок жидких сверхвысоковакуумных рабочих тел по плоским поверхностям в условиях локализованного массоподвода. Выявлены физические закономерности, характеризующие развитие течения, формы наружной поверхности пленки, зависимости ее толщины от начальной скорости движения, температуры теплоносителя, геометрии улавливающего устройства. Установлены зависимости формы и размеров поверхности уловителя капель, а также параметры вспомогательной пленки теплоносителя, использование которых может обеспечить перекрытие пленкой горловины устройства и достижение минимально допустимого значения давления рециркулирующего теплоносителя.
Ключевые слова: капельная пелена, пассивный уловитель капель, капельный холодильник-излучатель, сверхвысоковакуумный теплоноситель, вспомогательная пленка
REGULARITY RESEARCH OF DROPLET SHEET PASSIVE COLLECTORS FUNCTIONING IN RADIATOR SYSTEMS UNDER THE OPEN SPACE CONDITIONS
Koroteev A.A.1, PopushinA E.S.2, SamsonoV A.B.1
Moscow Aviation Institute (National Research University), MAI 2Institute of Mechanics Lomonosoy Moscow State University E-mail: mai@mai.ru
Part of the frameless device for removing low-grade heat in cycles of cosmic power plants of new generation is dispersed droplet collector shroud. In the present work we conducted a study of regularities of functioning of passive traps characterized by the absence of moving parts. We developed theoretical fundamentals and mathematical methods of software implementation for the problems of study of motion of the shrouds of liquid extremely high vacuum actuating media in space at plane surfaces at conditions of local mass injection.
Рис. 1. Схема капельного холодильника-излучателя: 1 — генератор капель; 2 — заборник капель; 3 — капельная пелена; 4, 5 — трубопроводы
We revealed physical regularities characterizing development of a flow and a shape of an external shroud's surface. We studied a dependance of shroud's thickness on initial flow rates, shape of the external surface of the shroud and geometry of the collector. We defined a dependance of shape on size of the collector's surface together with parameters of associating film which might provide closure of collector's throat at minimally possible pressure of circulating heat carrier.
Key words: droplet shroud, passive droplet collector, droplet heat radiator, extra high vacuum heat carrier, supporting film.
Введение
Объектом исследования является пассивный уловитель капельной пелены устройства для отвода низкопотенциального тепла в циклах космических энергетических установок нового поколения. Как показано в [1, 2], основными элементами устройства являются (рис. 1) генератор и уловитель диспергированной пелены, а также образующая пелену система упорядоченно движущихся в условиях микрогравитации и глубокого вакуума монодисперсных капель жидкого сверхвысоковакуумного теплоносителя космической энергетической установки.
Важной задачей, решение которой определяет возможность эффективного улавливания диспергированной пелены с последующим замыканием контура циркуляции теплоносителя, является установление геометрии пассивного уловителя капель и закономерностей движения вспомогательной несущей пленки с целью обеспечения устойчивого перекрытия отверстия отводящего канала уловителя и требуемого давления во входном сечении электронасосного агрегата (ЭНА).
В работе использована следующая терминология, касающаяся описания характеристик капельного холодильника-излучателя.
Капельная пелена — объединение всех капель диспергированного теплоносителя, находящихся в фиксированный момент времени на участке свободного пролета от всех генераторов (устройств, создающих упорядоченную систему капель заданного размера) к уловителю капель (устройству для улавливания рабочего тела в условиях космического пространства).
Условная приемная плоскость пассивного уловителя капель — элемент геометрической плоскости, перпендикулярной оси симметрии уловителя и ограниченный внутренним контуром геометрической фигуры, являющейся проекцией обращенного к генератору капель основания уловителя на эту плоскость.
Исследование движения жидких пленок по плоским поверхностям в условиях локализованного массоподвода
На рис. 2 приведена схема пассивного уловителя капель с плоскими рабочими поверхностями.
Рис. 2. Принципиальная схема пассивного уловителя капельной пелены модуля капельного холодильника-излучателя: 1 — фильера генератора капель с рядным расположением системы отверстий; 2 — фильера генератора капель с многорядным расположением системы отверстий; 3 — плоские рабочие поверхности забор-ника; 4, 5 — щели для выдавливания вспомогательной несущей пленки; 6 — вспомогательная несущая пленка; 7 — отверстие отводного канала; 8 — дополнительные направляющие плоскости; 9 — щели для выдавливания вспомогательной несущей пленки на дополнительные направляющие плоскости
Фильеры 1 и 2, установлены в генераторах капель ГК1 и ГК2 (на рис. 2 не показаны). Фильера 1 имеет семь капиллярных отверстий диаметром 0,2 мм, расположенных в ряд. Фильера 2 имеет 45 капиллярных отверстий такого же диаметра. В окрестности условной приемной плоскости на рабочих поверхностях уловителя капель расположены коллекторы вспомогательной несущей пленки 6, имеющие щели 4, 5 для выхода теплоносителя на внутреннюю рабочую поверхность уловителя. Характерная ширина щели 80; профиль щели выполняется таким образом, чтобы в окрестности выходного сечения выполнялось условие одномерного движения рабочего тела вдоль плоской рабочей поверхности с требуемой начальной скоростью и. Расходы рабочего тела, истекающего из щелей 4 и 5, в общем случае различны и определяются балансом расходов теплоносителя, поступающего на формирование вспомогательной несущей пленки, оседающего на ее поверхность в виде улавливаемых капель и перекачиваемого с помощью электронасосного агрегата. Центр входного отверстия отводного канала 7 расположен на оси уловителя.
Геометрические характеристики пассивного уловителя капель модели капельного холодильника-излучателя определяются в результате решения комплексной задачи обеспечения высокоэффективного сбора мелкодисперсного капельного потока, генерируемого генераторами ГК1 и ГК2, при одновременном обеспечении поддержания величины минимально допустимого значения статического давления во входном сечении горловины отводящего канала (электронасосного агрегата). В условиях микрогравитации и глубокого вакуума, основной составляющей полного давления в отводной горловине является скоростной напор. Таким образом, существует минимально
Рис. 3. Схема течения и система координат
допустимое значение скоростного напора, с которым собираемый поток должен быть "доставлен" ко входу в ЭНА.
Построение модели пленочного течения сверхвысоковакуумной жидкости в плоском пассивном уловителе капельного потока в космосе
Математические модели течения пленок используются для решения широкого класса задач, связанных с движением жидкости в различных устройствах [3], где в рамках модифицированной модели [4] построено решение задачи, о течении в конической воронке каплеуловителя. В данной работе считается, что уловитель состоит из двух плоских рабочих поверхностей 3, двух дополнительных направляющих плоскостей 8 и цилиндрического отводного канала (рис. 2). Глубина рабочей области предполагается равной Ь. Величина угла 9 между плоскостью рабочей поверхности уловителя и осью отводного канала может принимать значения в пределах от 10 до 80° (от п/18 до 2п/45). На поверхность одной или обеих плоских пластин подается рабочее тело, которое при движении образует тонкую пленку с начальной толщиной 50.
Рассматривается нестационарное изотермическое пленочное течение вязкой сверх-высоковакуумной жидкости (пентафенилтриметилтрисилоксана) вдоль горизонтальной твердой плоской поверхности в космосе. Начало декартовой системы координат связано с сечением массоподвода (щелью, из которой подается вспомогательная пленка), ось х направлена вдоль поверхности (рис. 3).
Из геометрии следует, что Ь = (Б — ¿)/(2соз9). Полная система уравнений Навье— Стокса, записанная для стационарного изотермического течения вязкой жидкости в пленке, имеет вид:
ди* + 5и* = 0, (1
дх* ду*
*ди* , *ди* др* дV , д2 и* р и*--+ ри*— = —— + ц--+ ц-, (2)
дх* ду* дх* ду *2 дх
2
Ри*^ + ри*^ = -др* ^^ ^т, (3)
дх* ду* ду* ду *2 дх *2
где и*, и*— продольная и поперечная компоненты вектора скорости жидкости в пленке; р — плотность жидкости, р* — давление в жидкости; ц — коэффициент динамической вязкости; * — переменные, записанные в размерном виде.
Для задания граничных условий использованы следующие предположения. На поверхности уловителя должны выполняться условия прилипания:
у* = 0: и*(х*, 0) = и*(х*, 0) = 0. (4)
На свободной поверхности пленки требуется выполнение условий непрерывности потоков массы и импульса:
и • п\у*=к*(х*) = 0.
(5)
Здесь и = (и*, и*) — вектор скорости капель, у* = к*(х*) — функция задающая форму поверхности пленки; п = (—йк*/йх*, 1) — вектор нормали к поверхности пленки. Таким образом, (5) можно записать в виде
у* = к*(х*): и*(х*, к*(х*))йк*(х*) - и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.