[image]

Обыкновенные водяные ракеты из пластиковых бутылок

 
1 65 66 67 68 69 225
+
-
edit
 

NeutronS

новичок
Численно эта краказябра решается.
Вот, что получается для давления в бутылке(см. рис.). На нём выделяются две области: работа на воде и сдувание остаточного воздуха через сопло.
Параметры моделирования:
Начальное давление - 10 атм.
Объём бутылки 3 л.
Относительный объём жидкости - 1/3.
Диаметр сопла - 4 мм.
Видно, что ракета какое-то время после окончания работы жидкостного движка будет идти на воздушной тяге как сдувающийся шарик.
Прикреплённые файлы:
 
   8.08.0
+
-
edit
 

NeutronS

новичок
А вот что получается для тяги двигателя в ньютонах (красным) и с учётом веса ракеты - синим.
Масса сухой ракеты 100 гр.
Хорошо виден скачок тяги при смене режима работы двигателя. На воздухе тяга падает, хотя и не катастрофично.
Прикреплённые файлы:
 
   8.08.0
+
-
edit
 

Serge77

модератор

NeutronS> А вот что получается для тяги двигателя в ньютонах (красным) и с учётом веса ракеты - синим.
NeutronS> Масса сухой ракеты 100 гр.
NeutronS> Хорошо виден скачок тяги при смене режима работы двигателя. На воздухе тяга падает, хотя и не катастрофично.
   3.0.193.0.19
+
-
edit
 

NeutronS

новичок
Где-то в начале этой огромной ветки Ckona представлял результаты стендовых измерений для 5 л. бутыли. Я наложил его данные на результаты своего моделирования. Вот что получилось. Красным - моё моделирование, синим - стендовые данные. Для совпадения данных для тяге на воздухе (после 0.5 с) мне пришлось в 3 раза уменьшить скорость истечения воздушной струи из сопла. Возможно это связано с несовершенством профиля сопла, турбулентным режимом истечения или с ошибкой в полученном выражении для P(t). Хотя по воде совпало удовлетворительно.
Прикреплённые файлы:
 
   
Это сообщение редактировалось 14.11.2011 в 18:43
+
-
edit
 

NeutronS

новичок
Собственно данные Ckona:
Не столь резкий переход как в модели от одного режима работы двигателя к другому, по видимому связан с активным пенообразованием и смешаным режимом при окончании воды в бутылке.
Прикреплённые файлы:
 
   
+
-
edit
 

Serge77

модератор

NeutronS> Собственно данные Ckona:
NeutronS> Не столь резкий переход как в модели от одного режима работы двигателя к другому, по видимому связан с активным пенообразованием и смешаным режимом при окончании воды в бутылке.
   3.0.193.0.19
+
-
edit
 

Ckona

опытный
★☆
NeutronS> результаты моделирования.

NeutronS - БРАВО !
Ты второй человек, нормально смоделировавший стадию воздушной тяги. (у меня пока не получилось по незнанию газодинамики).

NeutronS> Для совпадения данных для тяге на воздухе (после 0.5 с) мне пришлось в 3 раза уменьшить скорость истечения воздушной струи из сопла.
Правильно. Переход от водяной тяги к воздушной - постепенный, идет смесь воды и воздуха, с постепенным уменьшением доли воды.
У меня есть книга от a-Centaurus'а, из которой я потихоньку выуживаю законы истечения двухфазных сред. По-серьезному здесь никто не копал.
   
AR a_centaurus #14.11.2011 21:13  @Ckona#14.11.2011 19:46
+
-
edit
 

a_centaurus

опытный

Ckona> У меня есть книга от a-Centaurus'а, из которой я потихоньку выуживаю законы истечения двухфазных сред. По-серьезному здесь никто не копал.

Все расчёты инжектора для гибрида на закиси азота базированы именно на модели истечения двухфазного потока. Посмотрите графики холодных проливок для NOx и увидите полную аналогию с процессом в камере гидроракеты. Также полная теория имеется в книге Куропатенкова Расчет форсунок. Я ее выкладывал, но могу повторить. Нужно обратить внимание на частные случаи шнурования несжимаемой жидкости при её прохождении через насадок, а также на влияние турбулентных процессов в динамике. Ведь взлёт гидроракеты сначала делается на земле, в статике (как прыжок в легкой атлетике) и лишь потом переходит в полёт с уже нестатичным положением стенок бака, изменяющимся ускорением, влиянием набегающего потока на формирование струи (эффект пульверизатора).
   8.08.0
+
-
edit
 

NeutronS

новичок
Ckona> NeutronS - БРАВО !
 

Ckona, спасибо на добром слове.
Вот, что интересно. В литературе по реактивному движению можно встретить два варианта для выражения силы тяги реактивного двигателя. В первом случае утверждается, что тяга пропорциональна только произведению массового расхода топлива на скорость истечения, а во втором - к этому члену ещё прибавляется произведение давления в камере на площадь сопла... Мне, для согласования твоих стендовых измерений с численным моделированием пришлось остановится на первом варианте, т.к. второй давал завышение тяги против эксперимента почти в два раза!
Вот такие вот пироги.
Ну да ладно. Вот что получается для 3-х литровой бутылки с 4мм соплом и заполнением водой на 1/3 летящей в вакууме (синим) и в воздухе (красным) с коэффициентом лобового сопротивления Сх=0.2.
Видно, что сразу после прекращения работы водяного движка в вакууме, ракета какое-то время идёт с положительным падающим ускорением на воздушной тяге и затем летит вниз с ускорением свободного падения -g. А для воздушного пространства, ракета после остановки двигателя скачком приобретает большое отрицательное ускорение в несколько g. Это связано с сильным торможением о воздух. Через какое-то время (примерно 5 сек после остановки движка) ракета стабилизирует скорость падения и её ускорение выходит асимптотически на ноль.
Прикреплённые файлы:
 
   8.08.0
Это сообщение редактировалось 15.11.2011 в 12:30
+
-
edit
 

Ckona

опытный
★☆
NeutronS> В первом случае утверждается, что тяга пропорциональна только произведению массового расхода топлива на скорость истечения, а во втором - к этому члену ещё прибавляется произведение давления в камере на площадь сопла...

Правильно и первое, и второе.
Если рабочее тело - газ (сжимаетмая среда), то "работает" только первая составляющая - это закон реактивного движения.
В случае водяной ракеты истекающая струя воды есть несжимаемая среда. Считай, что это твердый стержень, а в бутылке - сжатый воздух. Работают обе составляющих.
В первом приближении водореактивная тяга F= 2*P*S (P,S - понятно что).
На практике добавляются гидравлические потери в сопле.

NeutronS> ...Это связано с сильным торможением о воздух.
На "заре" своих ракетоиспусканий я убедился, что пустая двухлитровая бутылка после разгона 21-мм соплом тормозится об воздух с силой, в 8 раз превышающей вес самой бутылки.
   
+
-
edit
 

NeutronS

новичок
Ckona> Если рабочее тело - газ (сжимаетмая среда), то "работает" только первая составляющая - это закон реактивного движения.
Ckona> В случае водяной ракеты истекающая струя воды есть несжимаемая среда. Считай, что это твердый стержень, а в бутылке - сжатый воздух. Работают обе составляющих.
Ckona> В первом приближении водореактивная тяга F= 2*P*S (P,S - понятно что).
 

Тут у меня совсем непонятки. Суди сам.
Записываем закон сохранения полной энергии для элементарного объёмчика V воды в бутылке:
mv2/2+mgh+P*V=const
Тут в левой части кинетическая энергия, потенциальная в поле тяжести (внутри объёма воды высотой h) и PV - понятно что относится к водному объёмчику. Поскольку, член mgh явно мал по сравнению с остальными, им пренебрегаем и делим левую и правую часть тождества на объём V. Получаем pv2/2+pgh+P=const, где р - плотность жидкости. Это, кажется, уравнение Бернули. Теперь, для объёмчика до того как он вылетел в трубу (сопло) можно пренебречь кинетической энергией, а для этого же уравнения но после вылета можно пренебречь членом P. В итоге получаем:
0+0+P=const=pv2/2+0+0=>pv2/2=P=>v=SQRT(2P/p)
Ckona, двойка в выражении для силы тяги именно отсюда берётся, т.к. F=dm/dt*v=psv2=2Ps, а не как не из-за второго члена в уравнении для тяги.
Если же учитывать ещё и член для тяги равный s*P, то результирующая сила будет равна 2Ps+Ps=3Ps! Так вот мне, что бы найти согласие с твоими данными пришлось отказаться от тройки в пользу двойки и не учитывать таким образом член ответственный за статическую тягу.
Это в свою очередь противоречит твоему утверждению о том, что в случае водяной тяги работают обе составляющие - нет! работает только тяга отдачи.
Парадокс... Может, коллеги, у кого есть соображения на сей счёт?
Возвращаясь к моделированию, получил данные о скорости ракеты для воздуха (красным) и вакуума - синим. Видно, что при падении в воздухе, скорость падения сначала растёт, а затем стабилизируется на какой-то величине, определяемой лобовым сопротивлением Сх. Значение, которое я принях равным Сх=0.2 правдоподобно? Может кто оценивал?
Прикреплённые файлы:
 
   8.08.0
Это сообщение редактировалось 15.11.2011 в 18:37
+
-
edit
 

Ckona

опытный
★☆
NeutronS> Парадокс...
Не-не-не, никакой "тройки".
SQRT(2P/p) - вот правильная формула для скорости истечения,
а по тяге (точнее, ускорению) последний раз все измерялось вот тут.

NeutronS> Значение, которое я принял равным Сх=0.2 правдоподобно? Может кто оценивал?
Реально побольше будет: 0,3...0,35 с обтекателем, 0,45...0,5 для "просто бутылки".
Сх=0.2 - это, думаю, очень постараться надо.
   
+
-
edit
 

SashaPro

аксакал

Ckona> Если рабочее тело - газ (сжимаетмая среда), то "работает" только первая составляющая - это закон реактивного движения.

Сжимаемость среды как-то влияет на реактивный закон движения?

Ckona> В случае водяной ракеты истекающая струя воды есть несжимаемая среда. Считай, что это твердый стержень, а в бутылке - сжатый воздух. Работают обе составляющих.

Только первая составляющая является следствием второй. Получается, что вы дважды сложили одно и то же! Или твёрдый стержень как-то без газа самоускоряется, давая импульс M*V?

Ckona> В первом приближении водореактивная тяга F= 2*P*S (P,S - понятно что).

Почему умножено на 2?

Ckona> На практике добавляются гидравлические потери в сопле.

Получается, что гидравлические потери в сопле составляют 50%?
   7.07.0
RU SashaPro #15.11.2011 18:30  @NeutronS#15.11.2011 14:18
+
-
edit
 

SashaPro

аксакал

NeutronS> Может кто оценивал?

Я оценивал много раз)
Здесь в середине страницы есть мои расчётные данные для моей ракеты:

SashaMaks - Любительские высотно-скоростные ракеты - МА-40-7 (Р-40-27 и Р-40-28)

 Введение В начало Да данном этапе разработки этого двигателя хочется оглянуться назад и подвести некоторые итоги проделанной работы. Первое, с чем пришлось столкнуться – это применение хрупкого топлива в скреплённой схеме заряда. Двигатель под серийным номером Р-40-2 со скреплённым зарядом взорвался. Треснуло топливо, не выдержав внутреннего давления в канале, что повлекло за собой полное разрушение всего двигателя в момент выхода его на режим. На меньших калибрах такого не наблюдалось, но даже малейшая вероятность подобного исхода должна быть устранена. // Дальше — sashapro.rocketworkshop.net
 

Это прочие расчёты

Споры с SashaPro

  RocKI> Имею ввиду торцевик, который собственно и нужен чтобы работать приличное время с небольшой, но достаточной тягой. Значит это все таки не бесполезное занятие. Чтобы торцевик принёс пользу, он должен включаться после бустера, который очень быстро разгонит ракету до 100-200 м/с. И с торцевиком главная проблема - стойкость сопла в течение тех 20-30 секунд работы...  инфо  инструменты RocKI> Имею ввиду торцевик Где ты видел, чтобы он работал с торцевиком? // Дальше — www.balancer.ru
 

Споры с SashaPro

  RocKI> Имею ввиду торцевик, который собственно и нужен чтобы работать приличное время с небольшой, но достаточной тягой. Значит это все таки не бесполезное занятие. Чтобы торцевик принёс пользу, он должен включаться после бустера, который очень быстро разгонит ракету до 100-200 м/с. И с торцевиком главная проблема - стойкость сопла в течение тех 20-30 секунд работы...  инфо  инструменты RocKI> Имею ввиду торцевик Где ты видел, чтобы он работал с торцевиком? // Дальше — www.balancer.ru
 

И некоторые опытные данные с сайта Sugar Shot to Space см рисунки:
Прикреплённые файлы:
 
   7.07.0
+
-
edit
 

Ckona

опытный
★☆
SashaMaks> Почему умножено на 2?

Ответ здесь, в параграфе 2.

SashaMaks> Получается, что гидравлические потери в сопле составляют 50%?
Нет, гораздо меньше. От 7 до 30 процентов.
На основании справочников по конструированию расходомеров с перепадом давления,
а также собственных измерениях.
   
+
-
edit
 

Ckona

опытный
★☆
NeutronS>> Может кто оценивал?
SashaMaks> Я оценивал много раз)
Саша, нас интересуют коэффициенты аэрод. сопротивления Cx для скоростей не более 0,3М.
У тебя таких цифр в прямом виде я не встретил.
   
RU NeutronS #15.11.2011 19:10  @SashaMaks#15.11.2011 18:30
+
-
edit
 

NeutronS

новичок
SashaMaks> Я оценивал много раз)
SashaMaks> Здесь в середине страницы есть мои расчётные данные для моей ракеты:
SashaMaks> SashaPro - Ракетная мастерская - HORS MA-40-7(Р-40-27 и Р-40-28)
 

Потрясно.
Вот это размах! А зачем простому человеку собирать в домашних условиях движки с 100 кгс тяги? Просто для интереса? И ещё, вы в своих расчётах похоже решали ту же задачу что сейчас пытаюсь решить я. Тогда у меня тот же вопрос: нужно ли учитывать в выражении для тяги двигателя второй член отвечающий за давление со стороны камеры на площадь сопла. И если "да", то как избежать 3Р для полной тяги (типа, должно быть 2Р). Вы сравнивали результаты своего моделирования тяги со стендовыми испытаниями. Если "Да" где можно ознакомится с результатами сравнения?
Ну и привожу свои расчёты для моделирования высоты подьёма ракеты. Данные приведены в двойном логарифметическом масштабе для воздуха (красным) и вакуума (синим). Теперь можно приступить к поиску оптимума по всем параметрам задачи. Погятно, что в нашем случае (одноступенчатая ракета) нас в качестве функционала интересует высота подьёма. Его и будем максимизировать. В качестве параметров у нас имеются:
1. Отношение объёма воды к объёму бутылки.
2. Размер сопла.
3. Объём бутыля. Учитывая, что с ростом бутылки максимальное давление которое выдерживает сосуд уменьшается, по этому параметру может иметь место оптимум.
4. Плотность жидкости. Тут можно залить спирт или ртуть... Вдруг получится выше;-)
Прикреплённые файлы:
 
   
+
-
edit
 

SashaPro

аксакал

SashaMaks>> Почему умножено на 2?
Ckona> Ответ здесь, в параграфе 2.

Хорошо, ознакомлюсь. Для того, чтобы просто взять и умножить вектор, которые цело должен описывать значение физической величины, на 2 нужны веские причины...

Ckona> На основании справочников по конструированию расходомеров с перепадом давления,
Ckona> а также собственных измерениях.

А можно ткнуть меня носом в эти справочники, именно в то место, где приведены конкретные числа.
И что за собственные измерения? Надеюсь не по ускорение ракеты...

Ckona> Саша, нас интересуют коэффициенты аэрод. сопротивления Cx для скоростей не более 0,3М.
У тебя таких цифр в прямом виде я не встретил.

Так это не проблема. Достаточно просто увеличить массу ракеты и пересчитать. Для моей программы расчёт до 0,3М - это вообще не проблема.
   7.07.0
RU SashaPro #15.11.2011 20:31  @NeutronS#15.11.2011 19:10
+
-
edit
 

SashaPro

аксакал

NeutronS> Вот это размах! А зачем простому человеку собирать в домашних условиях движки с 100 кгс тяги?

Не, у них тяга пока до 20кгс. Хотя потом будет и 40кгс и 100кгс)

NeutronS> Просто для интереса? И ещё, вы в своих расчётах похоже решали ту же задачу что сейчас пытаюсь решить я.

Ну примерно да. Хотя моя программа не завязана на расчёте двигателей. Она использует данные по их тяге расчётные или практические, но сама их не считает.

NeutronS> Тогда у меня тот же вопрос: нужно ли учитывать в выражении для тяги двигателя второй член отвечающий за давление со стороны камеры на площадь сопла.

С этим нужно разобраться. Двигатели я просчитываю в Flow Simalation, там можно и газ гонять и воду. С водой проще. Нужно сделать расчётную модель, потом уже можно будет от чего-то оттолкнуться...

NeutronS> Вы сравнивали результаты своего моделирования тяги со стендовыми испытаниями. Если "Да" где можно ознакомится с результатами сравнения?

Нет, я вообще не делаю водяных ракет. Да и здесь не припомню, чтобы кто-то проводил стендовые испытания этих двигателей.
   7.07.0
+
-
edit
 

Ckona

опытный
★☆
SashaMaks> Да и здесь не припомню, чтобы кто-то проводил стендовые испытания этих двигателей.
Да это ты не в курсе, просто не следил за темой.
Имеются (не наши!) результаты испытаний на тензометрическом стенде класса 2%, там уже "отлавливаются" резонансные явления с упругим расширением бутылок.
Я же на простейшем пружинном стенде убедился в увеличении УИ на пенной тяге.

По видео мной неоднократно измерялся скачок ускорения при сходе водяной ракеты с разгонной трубки. По трубке, со смазкой водой под давлением, разгон (к примеру) 2,3G, сразу после схода с разгонной трубки - 3,8G. Отсюда и получаем данные о гидравлических потерях.

Книжка (по памяти): Кремлевский. Расходомеры.
   
+
-
edit
 

SashaPro

аксакал

Ckona> Да это ты не в курсе, просто не следил за темой.

Следил.

Ckona> Имеются (не наши!) результаты испытаний на тензометрическом стенде класса 2%, там уже "отлавливаются" резонансные явления с упругим расширением бутылок.

А тяга есть. Где эти результаты посмотреть можно?

Ckona> По трубке, со смазкой водой под давлением, разгон (к примеру) 2,3G, сразу после схода с разгонной трубки - 3,8G. Отсюда и получаем данные о гидравлических потерях.

Это я помню обсуждение, вывода не помню. Но к замерам тяги по видеокартинке от перемещения к ускорению я отношусь скептически. Так как при двойном обратном дифференцировании от перемещения до ускорения, погрешность увеличивается до ±50% в лёгкую.

Ckona> Книжка (по памяти): Кремлевский. Расходомеры.
   7.07.0
+
-
edit
 

Ckona

опытный
★☆
SashaMaks> Так как при двойном обратном дифференцировании от перемещения до ускорения, погрешность увеличивается до ±50% в лёгкую.
Правильно ! даже больше.

Поэтому я использую свою собственную методику обработки, сильно смахивающую на фильтрацию Калмана.
Проверял ее, измеряя земное ускорение. Получил 10,2 м/с/с, обработав 18 кадров. А один раз 100 кадров обработал, думаю, погрешность измерений наверняка меньше 10 процентов, может даже и 5%.

SashaMaks> Где эти результаты посмотреть можно?
На сайте нынешних мировых лидеров водоракетостроения.
   
+
-
edit
 

NeutronS

новичок
Представляю на обсуждение результаты оптимизации по максимальной высоте подъёма одноступенчатой ракеты. Параметров оптимизации, как я уже перечислял выше, много, поэтому представить их в виде одного графика не представляется реальным. К счастью, параметры в интересующей нас области практических значений слабо зависят от друг друга и можно искать оптимум не боясь его ухода при взаимной вариации.
Вот как выглядит максимальная высота подъёма от объёма бутылки.
Видно, что выгодно использовать больший объём ракеты. Для 3л бутылки достижимы высоты 100 м при коэффициенте лобового сопротивления Сх=0.3
Прикреплённые файлы:
 
   8.08.0
Это сообщение редактировалось 16.11.2011 в 20:09
+
-
edit
 

NeutronS

новичок
Вот как зависит максимальная высота подъёма ракеты для 3л бутылки от лобового сопротивления.
Можно отметить, что для реально достижимых значений лобового сопротивления в области Сх=0.2-0.35 высота зависит не сильно и находится в области 100 м. Существенное увеличение высоты было бы возможно для значений Сх=0.1-0.2 но это скорее не реальные значения или нужно городить каплевидную форму ракеты.
Прикреплённые файлы:
Cx.jpg (скачать) [30 кБ]
 
 
   8.08.0
AD Реклама Google — средство выживания форумов :)
+
-
edit
 

NeutronS

новичок
Для отношения объёма заправляемой воды к объёму бутылки существует оптимум в области 1/3-1/2 который зависит от начального давления. На рис. синим показана максимальная высота подъёма для давления 3 атм., красным - 10 атм. Оптимум немного смещается в область меньшего отношения, хотя в целом согласуется с экспериментальными значениями около 1/3.
Прикреплённые файлы:
 
   8.08.0
1 65 66 67 68 69 225

в начало страницы | новое
 
Поиск
Настройки
Твиттер сайта
Статистика
Рейтинг@Mail.ru