Расчет функционирования ГЖВС с газовой полостью

Приведенные в предыдущем пункте результаты расчета модельных задач позволяют обосновать адекватность результатов расчета динамики ГЖВС, описанной в подпараграфе 9.5.1 при двух возможных положениях газовой прослойки. Рассмотрим динамику системы с воздушной прослойкой между поршнем пиропривода и жидкостью в канале ГЖВС (см. рис. 9.26, а). Поршень сосуда С2 сжимает воздух, находящийся в канале К1, правый срез которого представляет собой контактную поверхность с полостью, заполненной жидкостью и изображаемой на графе (см. рис. 9.27) каналом К2.

Результаты расчета представлены на рис. 9.38—9.41. В этом случае удар поршня о поверхность жидкости, амортизируемый газовой прослойкой, приводит к сжатию поверхностного слоя жидкости и существенному повышению давления в поверхностном слое. Однако периоды повышения давления газа до существенных для сжатия жидкости величин очень кратковременны, так что волна давления большой амплитуды не успевает распространиться на всю глубину жидкости. Амплитуда колебаний давления в средних и придонных сечениях полости с жидкостью существенно меньше. Тем не менее давление на дне жидкой поло;

Рис. 9.38. Изменение давления вблизи поверхности жидкости (7), в среднем сечении жидкости (2), и вблизи дна жидкой полости (3)

р

Рис. 9.40. Изменение координат левой (Х1) и правой (Х2) границ газовой прослойки

Рис. 9.41. Изменение параметров в камере сгорания С2

сти колеблется и его среднее значение возрастает по мере развития процесса (см. рис. 9.38). Наиболее опасными с точки зрения прочности системы оказываются сечения в газовой полости в момент наивысшего сжатия. Повышения давления носят импульсный пиковый характер и достигают больших значений, существующих, правда, в течение очень коротких промежутков времени, (см. рис. 9.39). Величина пиков растет в течение рассчитанного интервала времени. Это обусловлено тем, что при выбранных размерах и параметрах системы поршень пиромеханизма и поверхность жидкости колеблются со сдвигом по фазе, так что давлению в воздушной прослойке приходится гасить импульс не только поршня, но и жидкости. В рассчитанный период пиковое давление в газовой прослойке удваивалось. На рис. 9.40 видно, что по мере развития колебаний минимальный объем газовой прослойки убывает изза сдвига фаз колебаний поршня и поверхности жидкости. На рис. 9.41.

изображено изменение температуры Т, давления Р, относительной величины сгоревшей части свода заряда Z1 и координаты поршня XI в сосуде С2 — камере сгорания ГЖВС. После сгорания порохового заряда из-за колебательного движения поршня давление также достигает значений, вдвое превышающих пиковое давление при горении, хотя и не достигает величин пиков давления в газовой прослойке. Расчетный период включал 36 000 шагов по времени, что занимало около 1,5 часов работы компьютера с процессором PENTIUM-II с частотой 400 MHz. Шаг по времени при автоматизированном выборе в момент расчета пиков давления составлял 0,2 • 1СГ⁹ с.

Расчет функционирования ГЖВС с воздушной прослойкой между жидкостью и глухим днищем канала ГЖВС, представленной на рис. 9.26, б, дает принципиально иную картину развития процесса. В этом случае поршень сосуда С2 сжимает жидкость, находящуюся в канале К1, а свободная поверхность жидкости играет роль поршня, сжимающего газовую прослойку К2 между жидкостью и дном канала. Ударного торможения поршня вблизи поверхности жидкости не происходит, так как давящая на поршень жидкость играет роль массы, присоединенной к поршню с момента его страгивания. Ввиду большой массы жидкости ускорение поршня оказывается на порядок меньше, чем в предыдущем случае. При этом поршень и жидкость движутся сравнительно медленно и процесс сжатия газа в прослойке является квазистатическим. Давление на дно канала монотонно возрастает по мере сжатия газа. Процесс сжатия растягивается в десятки раз и занимает более 2 с. Расчет по явной схеме становится неэкономичным. В численном эксперименте расчет проведен в течение более 800 000 шагов по времени, что занимало более 10 часов работы компьютера. Однако досчитать процесс до момента предельно большого сжатия газа и инверсии скорости жидкости не удалось. По мере сжатия газа скорость жидкости падает, оставаясь и без того малой. По видимому, в этом варианте существенно нестационарных явлений в момент удара жидкости о дно канала не произойдет. Нестационарный волновой процесс имеет место в начальный период сжатия жидкости, однако он имеет достаточно невысокую интенсивность и затухает, сменяясь квазистационарным режимом сравнительно медленного течения жидкости, равномерно сжатой в направлении от поршня до свободной поверхности. На рис. 9.42 представлено изменение во времени температуры Г, давления Р, координаты XI и скорости VI поршня в сосуде С2 — камере сгорания. Видно, что в целом движение поршня монотонно, однако величина скорости в начальный период движения испытывает незначительные колебания, так что ускорение меняет знак. На рис. 9.43, 9.44 представлено характерное изменение во времени скорости и давления жидкости в период сжатия. Из графиков видно, что течение в жидкости устанавливается сравнительно быстро, а существенные пики давления, обусловленные отражением волн сжатия от твердых стенок отсутствуют. При этом давление в газовой прослойке.

Рис. 9.42. Изменение параметров в камере сгорания С2

Рис. 9.43. Изменение скорости жидкости во времени

Puc. 9.44. Изменение давления жидкости во времени.

Рис. 9.45. Изменение давления в среднем сечении газовой прослойки

во времени

монотонно растет. На рис. 9.45 представлено изменение этого давления в конце расчетного интервала времени.

Проделанные расчеты позволяют сделать следующие выводы.

В численном эксперименте установлено, что причиной появления пиковых нагрузок, приводящих к разрушению корпусов газо-жидкостных вытеснительных систем, является наличие в жидкостной полости газовой прослойки.

Показано, что опасным для конструкции является расположение газовой прослойки между поршнем пиропривода и вытесняемой жидкостью.

Показано, что нестационарные процессы распространения волн деформации по объему вытесняемой жидкости могут приводить к существенному росту пиковых значений давления в газовой прослойке между жидкостью и поршнем пиропривода, что объясняется сдвигом по фазе в колебательном движении поршня и поверхности жидкости.

Показано, что при расположении поршня в непосредственном контакте с вытесняемой жидкостью процесс сжатия жидкости и газа в цилиндре ГЖВС носит близкий к монотонному характер и опасных пиков давления не возникает.

Сделанные выводы позволяют дать следующие рекомендации для проектирования ГЖВС. Необходимо стремиться к тому, чтобы в рабочем положении ГЖВС газовая прослойка не находилась между поршнем и поверхностью вытесняемой жидкости. Если это невозможно, следует использовать элементы форсирования, разрушающиеся при сравнительно небольшой нагрузке. При этом поршень пиропривода не будет разгоняться до больших скоростей и пиковые давления в газовой прослойке не возникнут.