5.2.4. Конвективный теплообмен на утопленной части сопла

Эксперименты по изучению теплообмена на утопленной части выпол­нены на моделях с пористыми стенками (рис. 5.6). Рабочее тело — холод­ный очищенный сухой воздух. Значения коэффициента конвективного теплообмена определены методом обращения теплового потока. При малых профиль скорости косинусоидальный (см. подразд. 3.3).Экспериментальное распределение давления на внешней поверхности утопленной части сопла газодинамической модели РДТТ удовлетвори­тельно совпадает с рассчитанным по уравнению Бернулли.

Распределение значений коэффициентов теплробмена по внешней поверхности утопленной части сопла не зависит от продольной координаты s, только для сопла с наибольшим значением приs= начинается рост уровня теплообмена. Подобный характер теплообмена наблюдается при обтекании критической точки — течение градиентное и постоянные значения коэффициентов теплообмена, несмотря на разгон потока.

Рис. 5.6. Схема утопленной части сопла РДТТ:

1 – сеточный имитатор заряда.

Для оценки характера теплообмена на внешней поверхности утопленной части сопла экспериментальные данные для всех значений иисследованных моделей можно представить как функцию параметров шагающего на сопло потока из центрального канала заряда:

,

где ;;- средняя скорость потока в канале заряда перед вершиной сопла.

Значения чисел Стантона для разных точек измерения во всех соплах группируются по кривым, соответствующим значениям т.e. положению свода макета заряда. Зависимости постоянных по внешней поверхности утопленной части сопла чисел Стантона от числа Рейнольдса

; ;

; ;

; .

При =0,45 конвективный теплообмен имеет характер, близкий к ламинарному (St~Re). С ростом значения происходит перестройка режима течения, и при>0,57 теплообмен принимает турбулентный характер (St~Re), причем значение показателя степени в зависимости St=ARe^m соответствует значению т, полученному в многочисленных экспериментах по теплообмену в отрывных течениях, например для случая обтекания прямоугольной каверны.

Эксперименты, выполненные при отсутствии подвода газа с поверх­ности имитатора заряда на утопленной части сопла при /R_o=0,57 и l=0,1 и 0,2 м, показали неизменность уровня теплообмена по сравне­нию с опытными при наличии вдува. Исключение составляет сечение s=0,885, близкое к вершине сопла, в котором уровень теплообмена вы­ше на 70 %. Возможно, что при отсутствии вдува с поверхности заряда над глубоко утопленным соплом (=11,4) сечениеs=0,885 попа­дает в область присоединения потока к соплу.

Экспериментальные данные по теплообмену на внешней поверхнос­ти утопленной части позволяют сделать следующие качественные выво­ды. В начальные моменты времени работы двигателя (/R_Q=0,091...0,146) теплообмен имеет ламинарный характер, практически постоянен по длине внешней поверхности, и его уровень существенно превышает уровень теплообмена, рассчитанного по теории ламинарного погранично­го слоя вследствие влияния турбулентности ядра потока.

При Re**>3•10³ (Re6,7*10⁵) в области вершины сопла реализуется турбулентный режим в пограничном слое, и рассчитанные значения чисел Стантона по интегральным теориям для градиентного течения на пластине хорошо подтверждаются экспериментальными дан­ными. В процессе выгорания заряда происходит перестройка режима об­текания утопленной части сопла, течение и теплообмен могут стать ана­логичными отрывному течению и теплообмену в кавернах. При значе­ниях показатель степени в эмпирическом соотношенииSt= совпадает с значением т=0,25, полученным в экспери­ментах по теплообмену в отрывных течениях на стенках каверн. Несмот­ря на нестационарность режима обтекания утопленной части сопла уро­вень теплообмена несущественно (в пределах 25 %) изменяется с ростом диаметра канала заряда.

Для вершины утопленной части сопла РДТТ и вниз по потоку от нее характерен турбулентный режим в пограничном слое. Результаты экспе­риментов по распределению давления и теплообмену на входной части утопленного сопла газодинамической модели РДТТ приведены на рис. 5.7. Вершина сопла (точка А) имеет координату х=1,7, а в мини­мальном сечении х=0. Полученные в экспериментах значения коэф­фициентов конвективного теплообмена сопоставлены с вычисленными по зависимости (5.1) по значениям скорости U_e, рассчитанными с по­мощью двухмерной модели течения_газа. В окрестности вершины сопла и вниз по потоку от нее до сечениях х=1,0 существует удовлетворитель­ное совпадение расчетных и экспериментальных величин.

Рис. 5.7, Теплообмен на входной части утопленного сопла РДТТ:

1 — расчет по модели одномерного течения идеального газа; 2 — расчет по модели двухмерного течения; 3 - расчеты по зависимости (5.1); о - экспериментальные данные