"Коалиция-СВ": накапайте, пожалуйста..."

Расчетно-экспериментальное определение спектра капель и плотности орошения на стенках каморы при работе системы принудительного охлаждения ствола 152-мм орудия повышенной скорострельности

Сборник трудов четвертой Всероссийской научно-технической конференции

«Фундаментальные основы баллистического проектирования – 2014», 2014.

Лямкин Георгий Леонидович – начальник группы АО «ЦНИИ «БУРЕВЕСТНИК»

Чернов Вадим Валентинович - начальник отдела АО «ЦНИИ «БУРЕВЕСТНИК»

При разработке систем принудительного охлаждения впрыском ствола артиллерийских орудий актуальной задачей является построение адекватных моделей гидродинамики и теплообмена, абстрактных относительно конкретного образца вооружения. Результаты других исследований [1, 2, 3] показывают, что одними из наиболее значимых параметров для определения интенсивности теплообмена при орошении каморы газожидкостными струями являются: спектр капель в факеле гидропневматической форсунки вблизи орошаемой стенки; плотность орошения поверхности каморы, то есть значение секундного массового расхода жидкой фазы хладагента, приходящегося на единицу площади орошаемой поверхности.

Для экспериментального определения спектра капель и плотности орошения была построена экспериментальная установка с применением прозрачной трубы. Схема установки приведена на рис. 1. Подача газожидкостной среды осуществлялась шестью форсунками, выполненными единым форсуночным узлом. Видеокамера смонтирована так, чтобы ее фокус находился на внутренней поверхности трубы. С внутренней стороны трубы в фокусе видеокамеры укреплена измерительная линейка с делениями 1 мм для контроля самого фокуса, а также для измерения размера капель в поле зрения. Разрешение видеосъемки составляло около 0,05 мм. Впрыск осуществлялся в течение от 0,2 до 0,4 с. Для расчета спектра брался начальный момент подлета и осаждения капель на стенку (вследствие отсутствия выкипания капель). Видеосъемка осуществлялась со скоростью 2004 кадр/сек. Результаты съемки приведены на рис. 2 и 3 (взяты моменты соответственно 58 и 40 мсек от осаждения первой капли на стенку в рассматриваемом сечении). Подсчет количества капель и оценка их размеров производились вручную по раскадровке полученных при видеосъемке файлов (прямоугольниками обведены области подсчета). Результаты расчетов спектра капель для обоих измерений приведены на рис. 4 и 5. На графиках отложены суммарные объемные доли капель каждого диаметра из поддающихся измерению на данной установке.

Из анализа рис. 2–5 следует, что, несмотря на значительный (6 мм) размер поперечного сечения камеры смешения (и, соответственно, выходного отверстия форсунки), преобладающий размер капель в среднем, если учитывать их дробление при ударе о стенки, составляет 0,2–0,3 мм. Также визуальный и расчетный анализы показывают, что плотность орошения относительно невелика (0,905 кг/(м2·сек) для 0,5 м и 2,4 кг/(м2·сек) для 1,5 м) и испарение капель при высокой температуре стенок не будет встречать затруднений при условии, что скорость испарения будет близка к скорости осаждения. Можно также сделать вывод о том, что на большем удалении от форсунок спектр капель до столкновения со стенками сдвинут в сторону более крупных капель, что обусловлено, возможно, сталкиванием струй отдельных форсунок и, соответственно, слипанием мелких капель в крупные. Полученный преобладающий размер капель в спектре не является предельно достижимым для данных форсунок, но несовершенство модельной установки не позволяет провести анализ спектра более мелкой дисперсности. Данное исследование не учитывает возможное изменение спектра капель в течение времени впрыска.

Спектр капель и плотность орошения по отдельности неоднозначно характеризуют мощность теплосъема. Существует их взаимное влияние друг на друга. При орошении крупными каплями плотность орошения высока, но теплосъем может быть относительно малоинтенсивен, так как стенки каморы будут охлаждаться ниже температуры кипения и часть воды будет выливаться из каморы, практически не производя охлаждения. При орошении относительно мелкими каплями при меньшей плотности орошения можно получить более интенсивный теплосъем. Таким образом, существует оптимальное соотношение между плотностью орошения и спектром капель.

Оба вышеописанных параметра не описывают полностью закономерности данного вида теплосъема, но в данной работе остальные параметры не рассматриваются.

Результаты данного исследования будут использоваться при подборе параметров форсунок (расхода и дисперсности потока жидкостно-воздушной среды). Сильное отличие в плотности орошения и спектре для различных сечений каморы и его влияние на равномерность теплосъема должно стать предметом отдельного анализа.

Список использованных источников

1. Ю. Ф. Дитякин, Л. А. Клячко и др. Распыливание жидкостей. Москва, «Машиностроение», 1977.

2. С. С. Кутателадзе, В. Е. Накоряков. Тепломассообмен и волны в газожидкостных системах. Новосибирск, «Наука», 1984.

3. Б. Е. Гельфанд, М. В. Сильников, К. Такаяма. Разрушение капель жидкости. Санкт-Петербург, 2008.