Шрифт:
Дальнейшие опыты с применением каплеобразователя показали, что и мелкие капли тоже дробятся — явление критической деформации было универсальным. Вычислить критерий дробления, однако, оказалось трудным делом: мелкие капли увлекались струей воздуха, и точно замерить их скорость в момент дробления не удавалось.
Впоследствии совместно с дипломником Сашей Липатовым мы решили задачу математически и написали статью о движении и деформации капли в поле скоростей свободной струи. По данным опытов мы вычислили критерий дробления, он оказался равным примерно 20. Это согласовывалось (по порядку величины) с результатами других исследователей, которые нашли критерий, фотографируя капли внутри прозрачного сопла.
Почему возникло расхождение с прежними результатами? Дело в том, что в первой серии наших опытов с довольно крупными частицами капля подвергалась внезапному воздействию аэродинамических сил, сразу попадая в поток (точнее, в ядро потока) большой скорости — происходила быстрая, ударная деформация. Во второй серии опытов капля постепенно наращивала относительную скорость в убыстряющемся газе, падая в пограничном слое свободной струи; происходила медленная, равновесная деформация, когда для дробления требуются большие силы, чем при динамическом ударном воздействии. Это характерный пример, когда результаты эксперимента правильно и полно осмысливаются много позже.
Проблема дробления капель пережила второе рождение в связи с конструированием ракет на твердом топливе, в которых вместе с газом движутся капли расплавленного металла. Более тяжелые частицы конденсата «всю дорогу» отстают, а поток стремится их увлечь, расходуя энергию (затрачивается впустую и часть тепла, уносимого вместе с нагретыми частицами). Относительная скорость частиц растет, достигая максимума в горловине сопла. Числа Вебера для некоторых капель становятся критическими, и капли дробятся при We = 20, что происходит, как мы знаем, когда постепенно возрастает относительная скорость.
В полете мелкие капли догоняют более инерционные крупные и все время происходят многочисленные соударения, в результате чего одни капли поглощают другие. Одновременное протекание противоположно направленных процессов (дробления и слияния) и определяет распределение размеров капель в спектре конденсата.
Все эти пертурбации ученым удалось учесть и описать в сложных уравнениях газодинамики двухфазных течений. Современные ЭВМ решают их, позволяя оценить потери реактивной тяги еще за столом конструктора до создания двигателя. Инженерные расчеты должны, как положено, подкрепляться измерениями. И снова встала задача определения спектра частиц конденсата в тракте РДТТ. Она оказалась еще головоломней прежней: ведь капли окислов были на порядок меньше форсуночных, от долей до десятка микрон, и ловить их надо было на срезе сопла в сверхзвуковом потоке при высоких температурах. Но в науке уже сменилась целая эпоха, век назывался теперь атомным, космическим, электронным. Измерительная техника шагнула далеко вперед. Что касается обработки уловленных частиц в пробе, то теперь имеется специальная аппаратура для автоматического измерения и расчета состава конгломерата различных мелких объектов.
* * *
Основным источником капель в наших опытах, помимо генератора однородных частиц, оставалась центробежная форсунка. Она стояла во всех камерах сгорания, с которыми мы работали, хотя изредка и делались попытки применять прямоструйную подачу. Однажды кто-то сказал: «Все центробежная да центробежная, свет что ли на ней сошелся клином! Давайте поищем другие распылители, может, они окажутся эффективней».
Мы обратились к литературе, опыту других исследователей. Выбор оказался довольно обширным; многочисленное семейство распылителей, применяемых в разных отраслях техники, можно было разделить на три основные группы по принципу взаимодействия жидкости со средой: механические, газовые, или пневматические, электрические. Простейшей форсункой является струйная: круглая струя жидкости вытекает из цилиндрического сопла, образуя при распаде факел распыливания с малым углом. Требуется много распылителей, чтобы равномерно напитать топливом объем камеры. Факел можно расширить, если струю подать под углом к воздушному потоку. Он расплющивает струю, и возникает жидкий лепесток, как бы элемент круговой пелены центробежной форсунки.
Один из вариантов прямоструйной форсунки представляет собой устройство со струями, соударяющимися под углом, или со струей, бьющей в дисковый экран, с которого она стекает в виде цилиндрической пелены — жидкого «стаканчика», переходящего в бахрому струек и капель.
Наиболее древний из вращающихся распылителей — известное Сегнерово колесо. В нем жидкость вытекает из загнутых радикальных трубочек касательно к окружности вращения. Это одно из проявлений реактивной силы. Такой принцип вращения с помощью жидкой или газовой струи был знаком еще Герону Александрийскому, античному механику и математику.
В технике используется также подача струи на внутреннюю поверхность вращающегося барабана или диска, где жидкость растекается тонкой пеленой, распадающейся после удара о диск. Мы уже упоминали разновидность такого распылителя: при «головокружительно» высоких оборотах (и очень малых расходах жидкости) он дает одинаковые капли для специальных опытов.
Сорвавшись с кромки диска или барабана, жидкая частица имеет две составляющие скорости: высокую вращательную — самого распылителя и меньшую радиальную — начального течения жидкости от центра к периферии. Результирующая скорость посылает каплю по наклонным прямым. Снижая обороты (что укрупняет капли), можно с помощью скоростной фотографии увидеть своеобразный механизм процесса распыливания.
В случае небольших расходов жидкости (первый режим распыливания) по границе диска нарастает жидкое кольцо с развивающимися волнами колебаний. Каждая волна вытягивается набухающим отростком под действием центробежных сил и отделяется в виде капли. При увеличении расхода наступает второй режим распыливания — отростки на жидком кольце превращаются в длинные нити, распадающиеся на капли. Если расход будет расти дальше, нити не смогут пропустить всю жидкость, и наступает третий режим распыливания: периферийное кольцо целиком отделяется от кромки, вытягивая за собой жидкую пелену с диска. Ее распад дает уже совсем неоднородные частицы, подобно пелене центробежной форсунки. Соответствующее устройство требует затрат дополнительной энергии, но это позволяет получать большие расходы и регулировать угол распыливания изменением числа оборотов.