Численный анализ нестационарных турбулентных и гетерогенных потоков в установках на твердом топливе Кисаров, Юрий Федорович

Введение к работе

Актуальность работы.

При отработке ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) юзникает ряд проблем, решение которых возможно либо в результате проведения многочисленных стендовых испытаний, либо путем жспериментальных исследований и математического моделирования »сновных процессов, протекающих в таких двигателях. Значительный вклад і это направление внесли известные ученые: Р.Е.Соркин, А.М.Липанов, }.Н.Вилюнов, Б.А.Райзберг, А.А.Шишков и их ученики. Созданные ими «счетные методы позволяют прогнозировать многие процессы, [роисходящие в двигателях, и существенно сократить число необходимых тендовых испытаний. Однако современный этап развития вердотопливных двигателей требует повышения точности ірогнозирования, что возможно только на пути объединения исследований, ыполненных при изучении отдельных процессов с целью выявления их заимосвязи, получения более полного представления о всей совокупности влений, происходящих в двигателе как едином целом. Такое объединение озможно только на основе создания достаточно полных математических юделей и алгоритмов, позволяющих решать сопряженные задачи естационарной газовой динамики, тегшомассопереноса, горения и вижения гетерогенных продуктов сгорания по тракту двигателя. Такой одход особенно актуален при разработке новых типов двигателей (таких, ак регулируемые двигатели, ракетно-прямоточные, двигатели с омбинированными зарядами и другое) и в связи с расширением области рименения установок, использующих твердое ракетное топливо.

Цель работы.

. Создание физических и математических моделей протекания рабочих процессов в камерах ракетных двигателей, сопловых блоках и устройствах, использующих РДТТ в качестве составной части.

. Разработка алгоритмов, позволяющих рассчитывать одновременное протекание волновых явлений, процессов теплообмена и горения. Анализ с помощью разработанных подходов процессов в РДТТ и

лановках с использованием твердого топлива с целью их оптимизации.

Научная новизна.

В работе впервые получены следующие научные результаты. На основе уравнений Рейнольдса построены математические модели и решен ряд задач нестационарной газовой динамики, таких, как задачи о выходе твердотопливного двигателя на стационарный режим работы,

запуске сопла, начальной стадии заполнения замкнутых объемов ] вихревых камер.

1. Задача о выходе твердотопливного ракетного двигателя на стационарны] режим работы решена в сопряженной постановке, что позволяет болеї точно и обоснованно, без использования полуэмпирически; соотношений, рассчитывать все составляющие теплового потока порядок воспламенения участков поверхности топлива, скорост распространения пламени, распределение давления по поверхності твердотопливного заряда, амплитуду и частоту колебаний давления любой точке внутрикамерного объема. Метод позволяет выполнят расчеты в условиях, далеких от стандартных.

2. Выполненные расчеты позволили проанализировать изменениі параметров во всех характерных областях двигателя. В частности показано, что уровень турбулентности существенно различен различных областях двигателя, и в областях около переднего и заднеп днищ он на порядок ниже, чем в канале заряда. Воспламенешн различных участков топлива определяется разными составляющим] теплового потока. Так, в областях, где уровень турбулентной вязкості наиболее высок (канал заряда, область за утопленной частью сопла кольцевая проточка), определяющей оказывается конвективна; составляющая. В зазорах между зарядом и днищами корпуса двигател наибольшее влияние оказывает лучистая составляющая. Наконец, і областях, для которых характерна высокая концентрация части] конденсированной фазы, прежде всего, для головной части заряда определяющую роль играют потоки от осаждения к-фазы.

3. Теоретически предсказан ряд эффектов, характерных для развита нестационарных струйных течений в каналах. Исследовано их влияние в теплообмен. К таким эффектам относятся следующие: -образование приосевых вихревых зон, вызванное взаимодействие» ударных волн с поверхностями каналов и скачками уплотнения ві втекающей струе газа;

-возникновение областей с локально высокими уровнями тепловые

потоков, вызванное обтеканием приосевых вихревых зон і

перемещающихся вместе с ними;

-расщепление отраженных ударных волн при их взаимодействии і

тепловыми и газодинамическими неоднородностями потока, связанная <

этим перестройка течения и образование пиковых значений давления ні

оси канала;

-образование за отраженными волнами системы вихрей, в центра;

которых реализуется повышенный уровень турбулентности.

5. Численный аналю нестационарных процессов в соплах Лаваля, вьшолнеїшьгй на основе решения нестационарных уравнений Рейнольдса, показал возможность возникновения колебательных процессов, обусловленных взаимодействием скачков уплотнения с отрывными зонами. Их продолжительность, амплитуда и частота зависят как от скорости нарастания давления и температуры в камере двигателя, так и от внешних условий. При использовании модели идеального газа все эти эффекты не наблюдались, и картина течения в целом далека от реальной.

S. Решена задача по расчету трехмерных двухфазных течений в камерах и сопловом блоке двигателей, в частности, для двигателей с качающимся соплом. В результате выполненных исследований показано, что изменение геометрии камеры, вызванное отклонением сопла, приводит к качественной перестройке течения, возникновению за утопленной частью сопла зон возвратного течения, интенсивному осаждению частиц конденсированной фазы на сопловое дно и увеличению уровня тепловых потоков в местах осаждения частиц.

1. Предсказан ряд эффектов, имеющих место при работе вихревых камер, таких, как:

-существование нескольких характерных стадий заполнения вихревых камер, обусловленных изменением во времени тангеїщиальной скорости газа;

-появление и исчезновение зон возвратного течения как в окрестности оси сопла вихревой камеры, так и вблизи контура сопла, причем как поочередно, так и одновременно, связанное со взаимодействием закрученного потока с окружающей средой;

-немонотонный характер изменения давления на оси вихревой камеры в процессе ее заполнения, вызванный взаимодействием вращения потока и турбулентности;

-влияние наличия центрального тела на входе в вихревую камеру на степень очистки потока, поступающего из газогенератора, от частиц конденсированной фазы.

Достоверность полученных результатов и выводов.

Полученные в работе результаты подтверждены тестовыми расчетами, равнением с экспериментальными данными, успешным применением азработанных алгоритмов и пакетов прикладных программ для анализа роцессов в твердотопливных установках различного назначения и их птимизации.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработанные математические модели и алгоритмы расчет нестационарных турбулентных течений в двигателях позволяют детальн исследовать широкий класс задач, таких как выход двигателей на режи стационарной работы, запуск сопла с учетом явлений отрыва, течение горение в закрученных потоках, двухфазные течения в двигателях.

Результаты работы использовались при выполнении научнс исследовательских тем "Формад", "Моделирование", "Аркос", 'Тарані РАН" и других и нашли применение при расчете конкретных изделиі "Барк", установки ЖП-500 и других.

Совокупность вынесенных на защиту положений и полученных диссертационной работе результатов позволяют говорить о существенно: вкладе в направление, связанное с моделированием процессої протекающих в установках на твердом топливе.

Автор защищает:

1. Математическую модель и алгоритм решения задачи о выход твердотопливного ракетного двигателя на стационарный режим работь полученные на основе совместного расчета параметров газовой конденсированной фаз, интенсивности турбулентности, различны составляющих теплового потока к поверхности топлива.

2. Результаты анализа газодинамических и тепловых процессов в сложны областях РДТТ в период выхода двигателя на стационарный режи работы.

3. Исследования по влиянию конструктивных параметров двигателя н характер кривой давления, уровень динамических нагрузої действующих на заряд, колебания давления в различных областях камері двигателя.

4. Результаты исследований по взаимодействию ударных волн в каналах соплах с пограничными слоями, тепловыми и газодинамическим неоднородностями течения.

5. Исследования структуры потока в вихревых камерах (как стационарных, так и в нестационарных условиях) и ее влияния н процессы горения и очистки продуктов сгорания от конденсированно фазы.

6. Математические модели и алгоритмы расчета двухфазных течений течений с химическими реакциями в камерах двигателей, соплах струях.

7. Исследования особенностей двухфазных течений в соплах с большо степенью расширения, кольцевых соплах, в двигателях с качающимс соплом.

Апробация результатов работы.

Работа неоднократно докладывалась на научных конференциях в ФЦДТ "Союз" (1970-1980 гг.), на Третьей Всесоюзной Школе-семинаре по макрокинетике и горению в г.Красноярске (1990 г.), на конференции 'Численные методы механики сплошной среды" в Абрау-Дюрсо (1992 г.), на Международных Школах - семинарах " Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем " в г. Санкт- Петербурге [1995, 1997 гг.), на Международной конференции "Модели механики :плошной среды, вычислительные технологии и автоматизированное троектирование в авиа- и машиностроении" в г.Казани (1997 г.), на Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению 'Проблемы конверсии и экологии энергетических материалов" в г. Санкт-Іетербурге (1996 г.), на конференциях "Применение математического лоделирования для решения задач в науке и технике" в г.Ижевске (1996, 1998 гг.).

Публикации

Результаты работы опубликованы в 22 статьях, 6 научно-технических ітчетах, 7 тезисах докладов, список которых приведен в конце втореферата.

Личный вклад автора.

Предлагаемая работа является итогом исследований автора по іазличньгм проблемам, связанным с газовой динамикой и горением в становках на твердом топливе. К этим проблемам относятся вопросы розионного горения топлив [1], расчеты энергетических характеристик вигателей и оптимизация профиля сопла [2, 3, 4, 7], расчет стационарных урбулентных течений в камерах и соплах двигателей и вихревых камерах 5-11, 13, 14], решение сопряженных нестационарных задач газовой инамики [12, 16, 26, 27, 29, 32, 33, 35], расчет течений при наличии іизико-химических превращений [15, 17, 18, 25, 30], выбор оптимальных азностных схем [19-21, 23, 24], расчет взаимодействия акустических олебаний и вихреобразования в каналах и численное моделирование урбулентности [22,29,31, 34]. При решении перечисленных выше проблем втором были осуществлены физические и математические постановки щач, предложены оригинальные или выбраны из числа известных тгоритмы их решения, проведены анализ получаемых результатов и эавнение с экспериментальными данными. Автор принимал также гпосредственное участие в разработке программного обеспечения при гшении этих задач и внедрении их в организациях отрасли. Под

руководством автора подготовлена и защищена диссертационная работа Ключникова И.Г. на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (174 наименования) и приложений. Диссертация содержит 233 страницы, из них 82 иллюстрации, 1 таблица, 2 приложения.