Система измерения массовой скорости газификации

Полезная модель относится к устройствам для индикации изменения объема (массы) вещества путем измерения параметров направленных в него электромагнитных волн. Устройство предназначено для получения данных по массовой скорости газификации твердых веществ при различных величинах скорости обдувающего газового потока и различных давлениях. Эта информация используется проектировщиками ракетных прямоточных двигателей [Булгаков В.К., Липанов A.M. Теория эрозионного горения твердых ракетных топлив. М.: Наука, 2001] и специалистами в области материаловедения для описания процессов абляции, эрозионного разрушения и т.п. Следует отметить, что для проектирования реальных летательных аппаратов необходимо знать информацию о массовой скорости газификации с точностью порядка 1% для стационарных процессов и порядка 2% в частотном диапазоне сотни Гц для переходных процессов.
Известен ряд устройств для определения величин массовой скорости газификации образцов твердого вещества, усредненных во времени и по полной длине образца. Для большинства таких устройств типичен подход, когда проводятся измерения массы образца до и после обдува окислительным газовым потоком и полученную убыль массы делят на измеренное время обдува. Недостатки такого подхода заключаются в невысокой точности найденных значений скорости газификации, поскольку измерения проводятся при относительно коротких временах обдува. При этом не учитываются трудно определяемые вклады начального и конечного периодов газификации. При длительных временах обдува существенно изменяются гидродинамические параметры газового потока, и результат усреднения во времени становится грубо приближенным. Кроме того, неизвестны вклады в общую потерю массы входных и выходных участков вдоль тракта обдува, где скорость газификации отличается от средней в связи с возмущениями гидродинамики потока газа.
В литературе имеются публикации, в которых представлены времяразрешенные способы определения массовой скорости газификации. Использование рентгеновского излучения позволяет получить изображения горящего образца в ракетной камере [Evans В., N. A. Favorito, and K. Kuo. Study of Solid Fuel Burning-Rate Enhancement Behavior in an X-ray Translucent Hybrid Rocket Motor. AIAA Paper 2005-3909] с частотой 20-50 Гц и ошибкой определения размера 5-10%. Измерение частоты колебаний Гельмгольца в камере сгорания, обратно пропорциональной объему камеры с находящимся в ней образцом твердого вещества, позволяет определить массу (объем) образца с погрешностью 3% и частотой 45 Гц [S. De Zilwa, G. Zilliac, M. Reinath, A. Karabeyoglu. Time-Resolved Fuel-Grain Port Diameter Measurement in Hybrid Rockets. J. Prop. Power, Vol. 20, No. 4, 2004]. Прямое динамическое взвешивание узла с миниатюрным гибридным двигателем [J.D. Olliges, Т.С.Lilly, Т.В. Joslyn, A.D. Ketsdever. Invited Article: Time accurate mass flow measurements of solid-fueled systems. Review of Scientific Instruments 79, 101301 (2008)] позволяет определить квазистационарную массовую скорость газификации с погрешностью 2-3% в диапазоне частот единицы Герц.
Недостатком этих способов является невысокая точность определения скорости газификации и привязка к общей массе образца в предположении, что процесс газификации происходит строго равномерно по обдуваемой поверхности. Сравнение полученных этими способами квазистационарных значений скорости газификации часто проводится с использованием данных, найденных по методу взвешивания образца до и после обдува.
Аналогом полезной модели служит устройство, предложенное в работах итальянских и китайских исследователей [Galfetti, L., Merotto, L. Boiocchi, М., et al. Experimental investigation of paraffin-based fuels for hybrid rocket propulsion. Progress in Propulsion Physics. 2013. 4: 59-74]. В нем с помощью видеосъемки проводится измерение диаметра внутреннего канала цилиндрического образца, продуваемого потоком окислительного газа. Схема устройства и вид изображений канала образца до и после обдува газом показаны на фиг. 1. Неодимовый твердотельный лазер служит для зажигания канала образца таблеткой пиротехнической смеси. После этого включается подача окислительного газа (кислорода) и производится видеорегистрация диаметра внутреннего канала образца.
Недостатки аналога полезной модели: низкая точность (5-8% по оценке авторов), низкая частота регистрации (30-60 к/с), неопределенность координаты точки измерения вдоль канала (теневая регистрация канала без привязки к положению точки измерения).
Другим аналогом полезной модели может служить установка для определения скорости горения твердого ракетного топлива (Патент на изобретение RU 2194874, начало действия 01.03.2001, дата публикации: 20.12.2002), в которой к холодному торцу сплошного цилиндрического образца топлива, укрепленного в поддерживающем стакане, прикреплен СВЧ-излучатель и по интерференционному сигналу излучения, отраженного от горящего торца, определяется квазистационарная скорость горения. Недостатки этого аналога заключаются в невысокой частотной характеристике метода и невозможности измерения скорости горения в условиях обдува горящей поверхности газовым потоком.
В качестве прототипа полезной модели служит устройство, описанное в статье В.В. Перов, В.Е. Зарко, А.С. Жуков. Новый микроволновый метод измерения нестационарной массовой скорости газификации конденсированных систем // Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50, №6, с. 1-4., (Рис. 1), содержащее микроволновый (СВЧ) резонаторный датчик специальной конструкции и систему генерации потока нагретого окислительного газа. Образец твердого вещества в виде цилиндра с внутренним каналом, по которому проходит поток окислительного газа, помещен в цилиндрическое отверстие в корпусе СВЧ-датчика. Схема СВЧ датчика представлена в левой части рисунка. Датчик содержит два симметричных коаксиальных резонатора, связанных друг с другом посредством емкостного зазора, частично заполненного образцом исследуемого вещества с известными диэлектрическими свойствами. Изменение (увеличение) диаметра внутреннего канала образца в процессе его газификации ведет к изменению связи между четвертьволновыми резонаторами и к соответствующему изменению резонансной частоты противофазных колебаний. Рабочая частота выбирается на склоне резонансной характеристики СВЧ-датчика, что соответствует максимальной крутизне передаточной функции. При работе на склоне резонансной характеристики величина полезного сигнала составляет 5-10 дБ при увеличении диаметра канала в образце в 2 раза. Измерения проводятся в рабочей зоне внутри канала датчика протяженностью 1 калибр (диаметр канала), локализованной строго в среднем сечении датчика. Исследуемый образец имеет длину не менее 2 калибров, чтобы исключить влияние концевых эффектов, вызванных особенностями входа и выхода потока газа внутри образца.
Система генерации нагретого окислительного газа (правая часть рисунка 2) обеспечивает через буферную емкость подачу потока газа с варьируемой температурой и давлением. Проводится регистрация давления и температуры газа в буферной емкости с помощью стандартных датчиков. Одновременно с помощью коммерческого анализатора цепей осуществляется регистрация сигнала СВЧ-датчика.
Для исключения взаимодействия продуктов газификации и потока окислительного газа с элементами конструкции СВЧ-датчика образец твердого вещества вставлен в охранную трубку из слабо поглощающего излучение диэлектрического вещества (фторопласт, плексиглас, полипропилен). Для фиксации положения образца внутри охранной трубки используются упорные тонкостенные трубки из плексигласа или фторопласта. Опыты по газификации канальных образцов твердого вещества проводятся при атмосферном давлении с регулируемой температурой окислительного газа в буферной емкости.
Недостатки прототипа:
1. Малая информативность экспериментальных данных по скорости газификации твердых веществ из-за отсутствия возможности измерения скорости газификации при повышенном давлении.
2. Невысокая достоверность результатов по скорости газификации в связи с трудностями привязки полученных значений к реальным параметрам потока газа в зоне обдуваемой поверхности. Измеренные величины давления и температуры газа в буферной емкости трудно пересчитать на значения параметров газа в зоне обдуваемой поверхности из-за отсутствия сведений о характере течения газа по соединительным трубкам и вентильным устройствам.
Задачей полезной модели является повышение информативности и достоверности экспериментальных данных.
Для решения задачи предложена отличающаяся от прототипа конструкция. На фиг. 1. Схема устройства (слева) и изображения канала образца перед обдувом (сверху) и во время обдува газом (внизу); на фиг. 2. Схема СВЧ датчика (слева) и устройства (справа) регистрации массовой скорости газификации твердого вещества; на фиг. 3. Схема полезной модели для регистрации массовой скорости газификации твердого вещества; на фиг. 4. Результаты расчета скорости, давления и температуры воздушного потока в измерительной системе при диаметре сопла 3 мм.
Сущность полезной модели (фиг. 3) и порядок работы поясняются ниже. На выходном торце охранной трубки укреплен сопловой блок со сменными сопловыми вкладышами, а в предсопловом объеме установлены датчики давления и температуры. Производится одновременная регистрация давления и температуры в предсопловом объеме и сигнала резонаторного датчика СВЧ. Для настройки требуемых параметров газового потока используются данные регистрации давления и температуры газа в буферной емкости. Образец твердого вещества укрепляется внутри охранной трубки в рабочей зоне (среднее сечение) датчика СВЧ с помощью упорных трубок с внутренним диаметром, превышающим диаметр канала в образце. Для плавного входа потока газа в образец на его переднем торце выполняется коническая выемка. При срабатывании запорного вентиля газ из буферной емкости поступает в канальное отверстие в образце и далее вытекает через сопло. Полученная информация записывается в память компьютера и анализируется. Сигнал датчика СВЧ переводится с помощью градуировки в текущие значения диаметра канала, после чего через операцию дифференцирования во времени получают значения скорости газификации. Измерения сигнала датчика СВЧ производятся с точностью 0.01 дБ и временным разрешением не хуже 1 мс с помощью прибора «Анализатор цепей скалярный 0,01…4 ГГц с опцией "11P" (Р2М-04А/2)» производства завода «Микран», г. Томск. Значения уровней давления и температуры газового потока в окрестности обдуваемой поверхности оцениваются на основе измеренных экспериментальных величин и поправок, полученных с помощью расчетов с использованием комплексного программного продукта SolidWorks+ANSYS. Пример расчетных данных показан на фиг.4. Видно, что в районе средней части обдуваемой поверхности образца устанавливаются однородные значения параметров газового потока. Именно здесь проводится регистрация сигнала СВЧ датчика.
Знание экспериментально измеренных значений параметров газового потока (давление и температура) в гладком цилиндрическом канале после выхода газа из образца позволяет существенно повысить достоверность информации о параметрах газового потока в окрестности обдуваемой поверхности, поскольку при их оценке отпадает необходимость учитывать особенности течения газа по соединительным магистралям и изменение свойств газа за счет продуктов газификации.
При использовании предлагаемой конструкции достигается следующий технический результат: определение в условиях повышенных (до 5 МПа) давлений достоверных экспериментальных данных по зависимости скорости газификации твердых веществ от параметров обдувающего газового потока. Определяемая скорость газификации соответствует средней части канала образца, где отсутствуют возмущения параметров газового потока, обусловленные скачками проходного сечения на входе и выходе из канала. Экспериментальная информация о температуре газового потока в предсопловом объеме дает возможность наиболее точно характеризовать температурные условия в окрестности поверхности газификации твердого вещества.