Введение к работе
Актуальность проблемы: для управления полётом большинства современных летательных аппаратов (ЛА), как отечественных, так и зарубежных, на участке разгона, а также при функционировании в верхних слоях атмосферы широко используют газодинамические органы управления (ГОУ), так как применение аэродинамических органов управления при данных режимах работы неэффективно. Для создания значительных управляющих усилий (Ry) и вращательных моментов в начальный момент работы двигателя в течение относительно небольшого времени (З...10с) наиболее часто используются газовые рули (ГР), что объясняется их более простой конструкцией по сравнению с другими ГОУ при умеренных величинах потерь тяги (АД,).
Размещенный внутри сопла или вблизи его выходного сечения ГР взаимодействует с высокотемпературным двухфазным потоком, что приводит к возникновению сложной системы скачков уплотнения и отрывных зон, перерас- пределению давления и появлению боковой управляющей силы. При этом в области торможения потока и интенсивного осаждения частиц происходит абляция, имеет место нестационарный нагрев, что нередко приводит: к изменению площади и формы ГР, что влечет за собой изменение Ry и А^; к перегреву и разрушению подшипникового узла крепления ГР, что оказывает влияние на работу изделия в целом (растет величина потребных усилий от рулевого привода, а также возникает вероятность заклинивание ГР); к перегреву и разрушению деталей конструкции соплового блока, следствием чего является проникновение горячих продуктов сгорания в смежные отсеки и вывод из строя оборудования, например, рулевых приводов, что влечет за собой невозможность дальнейшего функционирования изделия.
Для анализа и прогнозирования указанных явлений в настоящее время главная роль, как правило, отводится натурньш испытаниям, во многих случаях только опытная проверка позволяет выявить опасные зоны взаимодействия ГР с соплом и другими элементами конструкции. Локальные значения тепловых потоков в этих зонах могут в 5-10 раз превышать интегральные значения. Несмотря на относительно малые размеры этих зон, они представляют серьезную опасность, так как могут привести к нарушению работоспособности конструкции. Кроме этого, измененная форма факела продуктов сгорания может оказывать влияние также на элементы пусковых установок, например возможны прогары транспортно-пускового контейнера, что приводит к невозможности его повторного использования.
Экспериментальные исследования требуют больших затрат времени и средств на изготовление модели, а также на проведение испытаний. Кроме того, в эксперименте не все условия обтекания можно моделировать достаточно точно, что связано с неполным соответствием параметров потока в модели и реальном объекте. Заметного уменьшения общих затрат на проектирование ГР можно добиться заменив ряд натурных испытаний математическим моделированием функционирования ГР, максимально точно отразив в математическом описании процессы, сопровождающие работу ГР.
Вопросам расчета ГОУ вектором тяги посвящены работы отечественных и зарубежных ученых А.А. Шишкова, С.Д. Панина, Б.В. Румянцева, A.M. Виниц-кого, Б.В. Орлова, Г.Ю. Мазинга, И.Х. Фахрутдинова, А.В. Колесникова и других. Анализ данных работ показывает, что газодинамическое проектирование соплового блока с ГР является сложной научно-технической задачей. В инженерной практике в настоящее время наибольшее применение находят приближенные инженерные аналитические и полуэмпирические методы расчета. Однако без решения задач обтекания ГР, сопряженного с прогревом и уносом его материала, невозможно проектирование этих конструкции на научной основе. Поэтому актуальной и практически важной оказывается задача прогнозирования процессов, сопровождающих работу ГР в высокотемпературном потоке продуктов сгорания двигателя на базе высокоинформационных математических моделей.
Упомянутые классы задач проектирования ГОУ приводят к соответствующим взаимосвязанным задачам газодинамики и теплофизики, позволяющим установить соотношения между начальными размерами ГР и параметрами внешних воздействий на его поверхность, которые приводили бы к допустимому его формоизменению.
Вышеизложенное убедительно доказывает необходимость проведения проектирования конструктивных узлов технических устройств с высокими функциональными характеристиками на базе новой методологии разработки, в основу которой должна быть положена многофункциональная интегрированная система высокоинформационных математических моделей, реализуемая в отечественных программных комплексах, открытых для развития. Поэтому разработка детальной физической и математической моделей функционирования ГР, а также программно-вычислительного комплекса проектного анализа данных физических процессов является крайне необходимой и безусловно, актуальной научно-технической задачей.
Цель работы: уменьшение затрат на проектирование и сокращение сроков разработки газодинамических органов управления посредством детальной проработки конструкции на этапе проектирования методами математического моделирования комплекса взаимосвязанных процессов, возникающих при функционировании внутриструйных газовых рулей.
На основе поставленной цели и проведенного анализа публикаций по тематике работы, выявившего круг вопросов, подлежащих изучению, сформулированы следующие основные задачи исследования:
разработка концептуальной физической модели нагрева и уноса материала внутриструйных ГР при их обтекании пространственным двухфазным потоком продуктов сгорания, учитывающей силовое, тепловое, эрозионное и химическое взаимодействие высокоскоростной высокотемпературной газовой среды с органами управления;
разработка комплексной математической модели процессов, сопровождающих функционирование ГР, обладающей высокой достоверностью прогно-
зирования, сравнимой с физическим экспериментом, и ориентированной на использование в инженерной практике;
построение алгоритма численной трехмерной реализации математической модели и разработка программного комплекса, ориентированного на проведение вычислительных экспериментов при проектировании ГР;
создание программно-методического обеспечения, необходимого для постановки вычислительного эксперимента по исследованию и визуализации газодинамических и теплофизических процессов, обеспечивающего эффективное решение проектных задач непосредственно на рабочем месте конструктора;
исследование влияния конструктивных и функциональных параметров ГР на их проектные характеристики, изучение влияния ГР на функционирование смежных блоков ЛА и выдача рекомендаций по выбору рациональных параметров ГР, направленных на повышение работоспособности ГОУ.
Научная новизна заключается в создании и численной реализации интегрированной системы многофункциональных высокоинформационных моделей различных по своей природе взаимосвязанных физических процессов, протекающих при функционировании газодинамических органов управления, разработанном на основе данных моделей проблемно-ориентированном программно-вычислительном комплексе для проведения вычислительного эксперимента.
Новыми научными результатами в работе являются:
математическая модель процессов при обтекании двухфазным газовым потоком ГР в трёхмерной сопряженной постановке, отличающаяся учетом прогрева и эрозии материала;
модель сопряжения газодинамической и теплофизической задач, учитывающая изменение областей контакта газового потока с поверхностью руля в процессе уноса;
эффективные процедуры численного анализа и алгоритм, реализующие разработанную математическую модель на базе метода крупных частиц, учитывающие функциональные особенности объектов данного класса;
проблемно-ориентированный программно-вычислительный комплекс для проектного анализа взаимосвязанных газодинамических и теплофизических процессов, возникающих при работе ГОУ;
теоретическое обоснование влияния конструктивных и функциональных параметров ГР на их выходные характеристики, полученное в результате комплексного исследования протекающих процессов с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента.
Практическая значимость состоит;
в создании инструмента теоретического анализа сложных взаимосвязанных процессов газодинамического и теплофизического функционирования ГР, обогащающим научно-исследовательскую базу отрасли;
в разработке методик достоверного прогнозирования наряду с полученными в данной работе результатами исследований, позволяющими на этапе формирования технических предложений по разработке перспективных конструкций оценить их работоспособность;
в сокращении материальных затрат и сроков на проектирование и отработку новых конструкций ГОУ;
в результатах проведенных исследований, внедренных на ОАО «Долгопрудненское НПП», используемых в виде расчетных методик при конструировании новых образцов техники;
в разработанных математических моделях и программно-вычислительном комплексе, внедренном в учебный процесс ТулГУ.
Достоверность основных научных положений и выводов обеспечивается обоснованным использованием классических методов математического моделирования и современных достижений вычислительной математики и техники; достаточным объемом лабораторных и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей и обоснованности выводов и рекомендаций; результатами экспериментальной апробации разработанных моделей и положительными решениями Государственной патентной экспертизы по заявленным программным продуктам.
Полученные результаты соответствуют физической природе моделируемых процессов, вполне удовлетворительно согласуются с результатами других исследований по данной тематике и решениями тестовых задач.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:
международной молодежной научной конференции «XXIX Гагаринские чтения». - Москва, «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2003г.;
Третьей Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». - Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2010г.;
научной конференции Волжского регионального центра РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения» .-Сэров, 2003 г., 2009 г., 2011 г.;
10-м Всероссийском научно-технический семинар «Эффективность поражающего действия и пожаровзрывобезопасность морского оружия. Средства защиты кораблей ВМФ и технология утилизации боеприпасов.». - г. С.Петербург, БІТУ "Военмех" им. Д.Ф. Устинова, 2009г.;
научно-технической конференции «Проблемы специального машиностроения». - г. Тула, 2010г.;
-научно-технических семинарах кафедры «Ракетное вооружение» Тульского государственного университета.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 научных работ (в том числе 2статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК), 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 72 наименований. Общий объем диссертации составляет 133 страницы, 81 рисунок и 3 таблицы.
