Гідродинамічна картина інерційного потоку нестисливої рідини у торовому резервуарі

Впливання рідкого палива і окислювача, що є в баках космічного літального апарату на борту на траєкторію і характер його руху. Резонансні сплескування від коливань баків приводять до необхідності періодичної корекції стабілізації траєкторії руху апарату.

Рубрика Астрономия и космонавтика
Вид статья
Язык украинский
Дата добавления 25.10.2010
Размер файла 5,5 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

ГІДРОДИНАМІЧНА КАРТИНА ІНЕРЦІЙНОГО ПОТОКУ НЕСТИСЛИВОЇ РІДИНИ У ТОРОВОМУ РЕЗЕРВУАРІ

В.А. Ковальов, канд. техн. наук, доц.

НТУУ «КПІ»

Вступ

При польоті космічного літального апарата (КЛА) на навколоземній орбіті рідке паливо і окислювач, що є в баках на його борту, здатні суттєво впливати на траєкторію та характер руху КЛА. За відсутності на орбіті будь-якої опори неконтрольовані рухи рідини, резонансні сплескування від коливань баків тощо приводять до необхідності періодичної корекції і стабілізації траєкторії руху КЛА.

Компенсація кутових відхилень КЛА від штатної програми польоту реалізується за допомогою бортових реактивних систем орієнтації і стабілізації. Періодичне застосування таких засобів пов'язане з додатковим використанням пального, запаси якого на борту обмежені, що знижує тривалість польоту та його надійність. Ефективне і раціональне керування інерційними рухами рідини на борту КЛА може скоротити витрати пального, знизити вірогідність значних відхилень об'єкта від контрольних осей орієнтації, а також підвищити безпеку його польоту.

Для підвищення ефективності використання пального на борту КЛА, як правило, встановлюються не тільки баки рідкого пального циліндричної або сферичної форми, які складають більший об'єм, а також баки для рідкого окислювача. З метою оптимального компонування на борту КЛА такі баки виготовляють у формі тора (рис.1). Розміщення торового бака залежить від загального компонування двигунної установки, тому вісь його симетрії часто збігається з поздовжньою віссю об'єкта (рис.1а). У більш рідких випадках бокового розміщення баків, наприклад, у периферійних відсіках орбітального комплексу, може бути перпендикулярне розміщення торгових баків (рис.1б).

Для збільшення загальної жорсткості корпуса КЛА торова конструкція бака окислювача, крім функції збереження запасу палива, має певне навантаження з міцності. Кільцеподібна структура тора дозволяє значно зменшити повздовжні коливання пружного корпуса КЛА. Як один з варіантів компонування двигунної установки торговий бак може бути розміщення усередині циліндричного бака пального [1], що також збільшує жорсткість корпуса КЛА.

Аналіз існуючих результатів і постановлення завдання

На кафедрі гідропневмоавтоматики і гідравліки Національного технічного університету України “КПІ” проведено комплекс експериментальних досліджень щодо поведінки в'язкої нестисливої рідини у модельних ємностях різної форми, зокрема у торі [2]. За допомогою експериментального стенда “центрифуга”, який було модернізовано для моделювання інерційних потоків у торговій моделі бака, досліджувалися перехідні гідродинамічні процеси при раптовому старті і зупиненні обертання бака навколо його вертикальної осі симетрії.

За допомогою спеціально розроблених перетворювачів швидкості на базі термоанемометричних датчиків МТ-54 і вторинної вимірювальної і реєструючої апаратури КІА-3М [3] було проведено комплекс вимірювань полів швидкості у торі. Досліджено розвиток компонент швидкості з плином реального часу і побудовано тривимірне нестаціонарне поле швидкостей.

Така картина розподілу кінематичних параметрів допоможе зрозуміти характер розвитку гідродинамічних параметрів і їх впливу на конструкцію КЛА. Одержані дані щодо дії рідини на конструкції апарата вводяться до бортового комп'ютера і враховуються під час роботи системи орієнтації і стабілізації.

Рисунок 1 - Конструктивні параметри модельної ємності і розміщення осей обертання

Фізичні особливості інерційних замкнених осесиметричних течій детально було обговорено у багатьох роботах, зокрема Х. Грінспеном [3], який показав нелінійність і неодиничність виникнення вторинних когерентних циркуляційних течій, наприклад, у циліндричному або сферичному резервуарах, що впливають на формування основного потоку. Природа їх виникнення відрізняється від специфіки одновимірних або двовимірних течій завдяки ефекту прилипання рідини до стінок ємності, неоднаковості лінійних швидкостей сусідніх шарів рідини від осі обертання і створенню так званих пограничних шарів Екмана, які слугують своєрідними насосами для пристінних частинок рідини, напрямляючи їх від осі обертання ємності до її периферії. Явно виражена тривимірність замкнених осесиметричних потоків викликає певні труднощі при математичному моделюванні, тому експериментальні дослідження є не тільки основою для вивчення подібних процесів, але часто є чи не єдиним засобом їх пізнання.

Аналіз результатів експериментальних досліджень

У поданій роботі обговорюються особливості розподілу складових вектора швидкості за поперечним перетином моделі торгового бака, менший діаметр якого складав 100 мм, а більший - 300 мм. Діаметр самого рукава (“бублика”) дорівнював 100 мм (рис.1а). За рідину була взята фільтрована кип'ячена вода, кінематичний коефіцієнт в'язкості якої дорівнював 1*10-6 м2/с.

Оцінку параметрів замкнених осесиметричних інерційних течій, як правило, зручно проводити за допомогою деяких безрозмірних комплексів, наприклад, початкового відцентрового числа Рейнольдса, що формується з початкової кутової швидкості ємності , зовнішнього радіуса ємності , а також кінематичного коефіцієнта в'язкості :

або поточного числа Рейнольдса, що складається з миттєвої швидкості основного потоку , радіуса, на якому проводиться вимірювання швидкості , і коефіцієнта в'язкості :

.

Нестаціонарність перехідного процесу затухання швидкості потоку може характеризувати інерційний безрозмірний час або в'язкісний безрозмірний час , де - розмірний час від моменту зупинення обертання ємності, а - радіус ємності.

Для зручності оцінки складових вектора швидкості побудовано графічні залежності відносної швидкості (рис.2), де - початкова лінійна швидкість рідини поблизу стінки ємності ( - кутова швидкість ємності, - радіус ємності). За своїми фізичними особливостями подібні безрозмірні комплекси можна назвати відцентровим числом Россбі, як зазначається у роботах [3,4].

Оскільки торовий бак може мати у поперечному перерізі форму кола, еліпса або циліндра з округленими краями тощо, запропоновані безрозмірні параметри можна втілити у графічні залежності для зручності зіставлення однорідних величин. Подібні порівняння слугують для побудування коефіцієнтів форми щодо різних параметрів модельних баків.

Особливості формування епюр швидкості

На рис.2 зображено результати вимірювань швидкості основного потоку за діаметром рукава торгового бака, де наведено залежність безрозмірного терміну повного затухання швидкості у відповідних точках вимірювання за різних осей орієнтації торгового бака. Як бачимо з рисунка, за орієнтації “а” максимальний термін затухання може складати до 130 секунд навіть у наближених до стінок шарах рідини. При розміщенні осі симетрії горизонтально, тобто як у варіанті “б”, час складає не більше 40 секунд, тобто майже у 3,5 разу менше.

Рисунок 2 - Термін повного затухания швидкості основного потоку u/V

Вимірювання швидкості основного потоку у вертикальній площині тора, тобто на однаковій відстані від осі обертання, свідчать про дуже невеликі відхилення від твердотільного розподілу швидкості. З цієї точки зору найбільш цікавим виявилося горизонтальне розміщення площини рукава (рис.1а), де формується течія, подібна до потоку у круглій криволінійній трубі.

Слід зазначити, що на центральній осі рукава () швидкість затухає найбільш повільно тому, що тут вплив уповільнених пристінних течій упродовж більшого часу буде мінімальним у порівнянні з радіусами, наприклад, і .

У випадку “а” у торговому рукаві формується інерційна течія, що відповідає лінійному розв'язанню задачі про розподіл швидкості. На внутрішніх стінках меншого і більшого радіусів швидкість рідини дорівнює нулю завдяки ефекту прилипання, але на деякій відстані від стінок виникають нерівноважні профілі швидкості а через неоднакову відстань шарів рідини від сумісної осі обертання. Це достатньо очевидно зображено на рис.3, коли у початкові моменти процесу гальмування інерційного потоку периферійні області тора більш динамічні і мають більший градієнт швидкості.

При , коли формування вторинної течії вже завершено і циркуляція набуває достатньо великої інтенсивності, епюри швидкості згладжуються до майже параболічної форми. Таким чином, у меридіональних площинах торового рукава формується вторинна течія, яка вірогідніше являє собою одновихрову когерентну структуру. За експериментальними даними, у цьому випадку радіальна складова вектора швидкості набуває достатньо великого значення і впливає на формування швидкості основного потоку у вигляді деяких відхилень епюри швидкості від твердотільного розподілу.

Рисунок 3 - Епюри колової швидкості у функції терміну процесу затухання

Випадок бокового обертання тора “б” з точки зору розвитку інерційних процесів не становив значного інтересу через інтенсивне гасіння швидкості потоку на усіх контрольних радіусах. Зазначимо, що вертикальне розміщення площини рукава торгового бака (рис. 1б) є найбільш стабілізованим з точки зору розвитку перехідних течій. Інерційні потоки швидко затухають, не створюючи більш-менш стійких вторинних вихрових течій. Збільшення геометричних параметрів тора і маси рухомої рідини може привести до невеликого збільшення часу існування інерційної течії, тому таке компонування бака на борту КЛА можна вважати гідродинамічно стабілізованим.

Найбільша інерційність потоку у торі властива приосьовим шарам рідини, де вплив стінок буде мінімальним у початкові моменти розвитку потоку (Т=3,52). При наближенні до стінок термін затухання швидкості, а тому й термін повного затухання значно зменшуються, про що свідчить графічна залежність миттєвого числа Рейнольдса від його початкового значення (рис.4).

Наприклад, при радіусі точки вимірювання , тобто наближеної до стінки меншого радіуса відносно осі торового перетину (), залежність демонструє майже лінійне зменшення до нуля, тоді як за радіуса вплив стінки стає суттєво більшим, вдвічі зменшуючи термін затухання швидкості основного потоку. Графіки є прямими лініями, що майже сходяться у одну уявну точку при максимальних початкових і мінімальних миттєвих значеннях чисел Рейнольдса.

Рисунок 4 - Залежність миттєвого числа Рейнольдса Rеі в інерційній течії у торі від початкового його значення Rе0 за різних радіусів розміщення контрольних точок

Висновки

Фізична картина загасання інерційного потоку у торі подібна до течій у циліндрі і сфері, тобто криволінійних вісесиметричних потоків, де завжди існує нестійкість, викликана нерівновагою відцентрових сил інерції, сил Коріоліса і радіального градієнта тиску. Специфіка торгового замкненого потоку поєднує криволінійні течії на вгнутих стінках і в круглій трубі великого діаметра, де виникає деформована епюра швидкості.

Підбиваючи підсумки наведених вище результатів експериментальних досліджень, можна стверджувати про нерівномірність розподілу швидкості основного потоку за інерційним рухом рідини у тоговому баці КЛА і значним впливом стінок ємності та геометрії в цілому на нестаціонарний розвиток течії. Як відомо з літературних джерел, у таких випадках у меридіональних площинах виникають вторинні циркуляційні течії, які вносять суттєві нелінійності у розподіл параметрів кругового потоку. Це, в свою чергу, впливає на формування і розвиток у часі кругового моменту в'язкого тертя рідини на стінки ємності, аналіз якого буде предметом наступних публікацій.

Бази наведених даних вводяться до бортового комп'ютера КЛА, де силові дії інерційних рухів рідкого пального і окислювача враховуються системами орієнтації та стабілізації для оптимізації процесу автоматичного корегування положення центра мас і загальної програми польоту КЛА на перехідних етапах.

SUMMARY

The article discusses properties of velocity vector component distribution in cross-section of spaceship torus tank model. Conducted experimental investigations allow to confirm in irregularity main thread velocity distribution of inertial fluid motion in spaceship torus tank and profound effect of tank walls and geometry on unsteady development of flow.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Беляев Н.М., Уваров Е.И. Пневмогидравлические системы. Расчет и проектирование. - М.: Высшая школа, 1988.- 252 с.

2. Ковальов В.А. Особливості нестаціонарного розподілу швидкості в'язкої нестисненої рідини при обертанні сферичної ємності // Наукові Вісті Нац. техн. ун-ту України (КПІ).-2001. - Вип.6.-С.166-169.

3. Гринспен Х. Теория вращающихся жидкостей. - М.: Гидрометеоиздат, 1975. - 304 с.

4. Burton R., Roy Chug S.W. Dynamic analysis and measurement of sloshing of fluid in containers//Trans. ASME, J.Dyn. Syst., Measand Contr. - 1989. - Vol.111.- №1. - Р.83-90.


Подобные документы

  • Відкриття комети Чурюмова—Герасименко - короткоперіодичної комети з періодом обертання 6,6 роки. Дослідження комети: місія космічного апарату "Розетта", запущеного Європейським космічним агентством. Приземлення на поверхню комети спускного апарату "Філе".

    презентация [17,5 M], добавлен 14.12.2014

  • Спостереження за положеннями зірок та планет. Рух зореподібних планет, розташованих поблизу екліптики. "Петлі" на небі верхніх планет - Марса, Юпітера, Сатурна, Урана і Нептуна. Створення теорій руху планет: основні практичні аспекти небесної механіки.

    реферат [123,3 K], добавлен 18.07.2010

  • Геліоцентрична система Коперника. Математичні недоліки системи Миколи Коперника. Його власний твір "Про обертання небесних сфер". Примирення геліоцентричної системи Коперника з науковою програмою Арістотеля. Астрономічні праці Кеплера, його закони руху.

    реферат [22,9 K], добавлен 26.04.2009

  • Механічна картина руху величезних мас Всесвіту і її глобальна структура. Виникнення структури Всесвіту — скупчень галактик, самих галактик з первинно однорідної речовини, що розширяється. Космологічна модель Всесвіту. Невидима речовина, прихована маса.

    реферат [34,0 K], добавлен 01.05.2009

  • Відкриття і основні етапи дослідження космічних променів. Детальне вивчення зарядів і мас часток вторинних космічних променів. Природа космічного випромінювання. Процеси, що визначають поширення сонячних космічних променів, їх взаємодія з речовиною.

    реферат [571,6 K], добавлен 06.02.2012

  • Історія спостереження за новими та надновими небесними тілами, їх классифікація та еволюція у тісних подвійних системах. Дослідження амплітуд коливань на кривих блиску нових зірок під час спалаху. Обробка та аналіз даних Загального каталогу змінних зірок.

    курсовая работа [657,1 K], добавлен 18.04.2012

  • Сузір'я як одна з 88 ділянок, на які поділена небесна сфера. Головні міфи та легенди світу, пов’язані з зірками, причини їх обожнювання людьми. Поняття та типи знаків зодіаку – 12 сузір'їв, по яких проходить річний шлях видимого руху Сонця серед зірок.

    презентация [5,9 M], добавлен 29.09.2013

  • Історія спостережень за Меркурієм з найдавніших часів і до наших днів. Основні фізичні характеристики та особливості руху планети, період обертання навколо Сонця і тривалість сонячної доби. Атмосфера і фізичні поля та модель внутрішньої будови Меркурія.

    реферат [1,1 M], добавлен 15.11.2010

  • Проблема походження Сонячної системи. Концепція "гіпотеза Канта-Лапласа". Незвичайний розподіл моменту кількості руху Сонячної системи між центральним тілом – Сонцем і планетами. Космогонічна гіпотеза Джінса та її подальше відродження на новій основі.

    реферат [17,2 K], добавлен 01.05.2009

  • Наукове значення спостереження сонячних затемнень, вивчення знімків, отриманих протягом повної фази затемнення. Поправки до таблиць руху Місяця і Сонця. Вивчення зовнішніх оболонок Сонця - корони і хромосфери, будови земної атмосфери, ефекту Ейнштейна.

    курсовая работа [180,3 K], добавлен 26.11.2010

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.