Введение к работе
Актуальность темы.
Несимметричные канальные области встречаются в различных технических системах, в частности, - в ракетных двигателях (РД). Газоходы, патрубки и сопла РД часто, в силу конструктивных особенностей летательного аппарата, имеют несимметричную геометрию. Несимметричность течения в соплах РД может оказать влияние на характеристики и надёжность летательного аппарата. Изучение параметров газа, особенностей структуры потока и закономерностей течений газа в несимметричных сверхзвуковых каналах и соплах является актуальной задачей. Как следствие, актуальными представляются также вопросы, связанные с методами расчёта сил, возникающих при применении несимметричных каналов и сопел в ракетной технике.
Исследованиями газодинамических процессов в каналах и соплах ракетных двигателей занимались многие российские и зарубежные учёные. Разнообразные физико-химические процессы, характерные для течений газа в соплах: диссоциация и рекомбинация, релаксация колебательных степеней свободы, двухфазные процессы с фазовыми превращениями, такими как неравновесная конденсация и кристаллизация рассматривали У. Г. Пирумов и Г.С. Росляков и др. Кроме того, они провели ряд экспериментов связанных с течениями газа в сопловых блоках, в том числе по определению интегральных характеристик сопловых блоков. Разработкой численных методов расчёта течений газа в соплах, построением расчётных сеток, вопросами профилирования сверхзвуковой части для случая плоских и осесимметричных сопел занимался А.Н. Крайко. Также методам интегрирования уравнений, описывающих двумерное (плоское и осесимметричное) нестационарное течение, разработке разностных схем посвящены работы А.В. Забродина, С.К. Годунова и др. Задачи о смешенном осесимметричном течении газа, в том числе и двухфазные течения в каналах и соплах решались А. Д. Рычковым, В.А. Васениным и др.
Среди зарубежных авторов стоит отметить работы Л. Берса который внёс большой вклад в развитие математического аппарата для решения уравнений с частными производными эллиптического и гиперболического типа. Д. Л. Маркэм и Дж. Д. Хоффман установили, что начальный участок оптимальных сверхзвуковых контуров тарельчатых сопел образует звуковая линия тока, выбор длины которой позволяет строить сопла заданных размеров. Причем в этих работах рассматривались тарельчатые сопла, у которых поток в минимальном сечении направлен от оси симметрии. Кроме того проблемам газодинамических процессов посвящены работы П. Роуча, Р. Хокни, Дж. Иствуда и другие.
Проектирование и производство сопловых блоков ракетных двигателей, выполняют такие организации, как ОАО «Корпорация «Московский институт теплотехники», г. Москва; ОАО «НПО «Искра», г. Пермь; ОАО НПО «Энергомаш
им. академика В. П. Глушко», г. Химки; ОАО «ГРЦ Макеева», г. Миасс; ФГУП ФЦДГ «Союз», Московская область, г. Дзержинский и другие. Решением газодинамических задач занимаются ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова», Московская область, Лыткарино; «Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М. В. Ломоносова», г. Москва; «НИИ Прикладной математики и механики» при ТГУ, г. Томск; «Институт механики им. P.P. Мавлютова» УНЦ РАН, г.Уфа. Также значительный вклад в исследования связанные с газовой динамикой сопловых блоков внесли ФГБОУ ВПО «Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова», г. Санкт-Петербург; ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа; ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ», г.Казань. Кроме того, экспериментальными исследованиями занимались в «НИЛ ИМИ», г. Ижевск (Р.В. Антонов, Б.Я. Бендерский, Н.П. Кузнецов, Б.С. Мокрушин, СН. Храмов и другие).
Следует отметить, что проведение экспериментов по определению интегральных характеристик сопловых блоков требует значительных материальных затрат, а численные исследования проводились в основном с использованием двухмерных математических моделей.
Объектом исследования являются: несимметричные каналы и сопловые блоки ракетных двигателей.
Предмет исследования: течения газа в несимметричных соплах; процессы и особенности структуры потока в каналах и соплах ракетных двигателей; интегральные характеристики несимметричных сопловых блоков; математические модели течения газа в до-, транс- и сверхзвуковых областях.
Цель работы: исследование и анализ влияния несимметричности каналов на параметры потока. Создание математических моделей и вычислительных алгоритмов течения газа в каналах сложной формы, в том числе и несимметричных соплах. Применение разработанных методик для решения задач об определении управляющих сил в несимметричных сопловых блоках, применяемых в двигателях летательных аппаратов (ДЛА).
Для достижения цели исследования решаются следующие задачи:
разработка физических и математических моделей, основанных на пространственном представлении газодинамических процессов в несимметричных сопловых блоках;
разработка для трехмерного случая эффективных алгоритмов решения газодинамических задач, основанных на методе крупных частиц;
исследование газодинамических процессов в управляющих соплах: кососрезанном сопловом блоке в зависимости от угла среза, в сопловом блоке с изменяемой площадью критического сечения и удлинённым сопловым раструбом;
- определение основных закономерностей развития процессов в раздвижных
(телескопических) соплах с учётом влияния возможных перекосов при раздвижении
частей сопла.
Методы исследования. При разработке математических моделей используются фундаментальные законы механики жидкости и газа (законы сохранения массы, количества движения и энергии). При проведении расчётов применяются вычислительные методы, в том числе численные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается применением фундаментальных законов механики жидкости и газа при разработке математических моделей. Для решения сформулированных задач используются надежные, апробированные вычислительные методы. Проводилось сравнение полученных результатов с известными теоретическими решениями и экспериментальными данными.
На защиту выносятся:
- математические модели и алгоритмы расчёта газодинамических процессов в
каналах и соплах, учитывающие многомерность расчётной области и влияние на
процессы местоположения различных конструктивных элементов;
результаты исследования процессов и определения управляющих сил в кососрезанных соплах и соплах с изменяемой площадью критического сечения;
результаты исследования процессов при перекосе оси выдвижного насадка относительно оси телескопического сопла;
- методика определения сил, возникающих при работе несимметричных
сопловых блоков.
Научная новизна:
впервые с помощью численных методов исследования течений газа для кососрезанного соплового блока показано, что в потоке возникают два противоположно направленных вихря, которые ускоряются со стороны короткой стенки сопла и в окрестности оси соплового блока. Получена нелинейная зависимость относительной боковой силы от величины угла среза;
впервые в результате численных расчётов обнаружено, что при перекосе раздвижного насадка телескопического сопла, в его продольном сечении поток делится на две части. Давления в верхней и нижней части могут отличаться более чем на 60%. Разделение потока происходит из-за образования близ оси сопла скачка уплотнения, который располагается параллельно оси сопла. При этом в потоке образуются два противоположно направленных циркуляционных течения, в плоскости симметрии течений по окружному направлению нет.
разработана новая численная методика определения сил, создаваемых несимметричными соплами. Методика основана на интегрировании параметров потока, определённых в результате газодинамического расчёта. Расчёт выполнялся методом крупных частиц с модификациями, позволяющими повысить устойчивость до чисел Куранта, близких к единице (Ки=0,80-0,95). Повышение устойчивости
достигается путём применения на Эйлеровом этапе метода для расчета давления на границах ячеек инвариантов Римана. Данные модификации применялись для решения трёхмерной задачи впервые.
- впервые численно показано, что в соплах с удлинённым цилиндрическим раструбом и регулированием площади критического сечения в месте перехода конической части сопла в цилиндрическую образуется ряд скачков уплотнения, которые приводят к образованию вихрей в цилиндрической части сопла. Количество вихрей определяется отношением длины патрубка к его диаметру: N =с!ц /1ц
Теоретическая ценность.
Разработанные расчетные методы и полученные на их основе результаты численных исследований позволяют прогнозировать параметры газодинамических течений в несимметричных каналах и сопловых блоках, что способствует получению новых знаний о развитии газодинамических процессов.
Практическая значимость.
Созданные математические модели и вычислительные алгоритмы расширяют и углубляют знания о процессах, протекающих в несимметричных соплах, и могут быть применены в смежных областях механики жидкости и газа. Разработанные методика и программное обеспечение, установленные в работе основные закономерности могут быть использованы при проектировании сопловых блоков ракетных двигателей.
Разработанные модели, алгоритмы и пакеты программ использовались при выполнении отдельных этапов НИР, проводимых на базе ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» (задание ГО-1-12 на проведение НИР в рамках мероприятия 3.1.2 «Организация и проведение конкурсов в образовательной и научно-исследовательской деятельности для аспирантов и молодых научно-педагогических работников вуза» Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» на 2012-2016 гг).
Получен Патент Российской Федерации №2427507 от 27.08.2011 «Маневрирующая ступень ракеты с комбинированной двигательной установкой и способ управления её движением», при обосновании которого и в части расчётов управляющих сил, возникающих в управляющих соплах двигателей маневрирующей ступени, использовались разработанные алгоритмы.
Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013616898 от 25.06.2013 «Программа определения боковой силы несимметричных сопловых блоков».
Получен акт о внедрении и использовании результатов диссертационной работы «Газодинамические процессы в несимметричных сопловых блоках» автора Миронова Андрея Николаевича в ряде НИР и НИОКР, выполняемых в ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова».
Апробация работы. Результаты исследований, проведенных в диссертации, обсуждались и докладывались на научных конференциях:
- Международные научно-практические конференции «Математическое
моделирование в образовании, науке и производстве», г. Тирасполь, 7-10 июня 2009
г., 8-10 июня 2011 г., 3 - 5 октября 2013 г.;
Научно-техническая конференция аспирантов, магистрантов и молодых учёных «Молодые учёные - ускорению научно-технического прогресса XXI века» секция «Энергомашиностроение», г. Ижевск, 15 марта 2011 г.;
Седьмая всероссийская конференция по внутрикамерным процессам и горению в установках на твёрдом топливе и ствольных системах (ІСОС2011), г. Ижевск, 29 - 31 марта 2011 г.
Пятая всероссийская конференция молодых учёных и специалистов «Будущее машиностроения России 2012», Москва, 26 - 29 сентября 2012 г;
Вторая научно-техническая конференция аспирантов, магистрантов и молодых учёных с международным участием «Молодые учёные - ускорению научно-технического прогресса XXI века» секция «Энергомашиностроение», г. Ижевск, 23 -25 апреля 2013 г.
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертационной работы опубликованы в 13 научных статьях, в 1 отчете по НИР. Получено 1 свидетельство о регистрации программного обеспечения и 1 патент Российской Федерации. В изданиях, рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов работы, опубликовано 2 статьи.
Личный вклад автора. Автор участвовал в разработке математических моделей, алгоритмов и программных продуктов по расчету нестационарных газодинамических процессов в несимметричных соплах. Лично выполнил расчеты. Обработка и анализ полученных результатов выполнены под руководством профессора А. В. Алиева.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 153 страницах, содержит 78 рисунков, 13 таблиц и библиографический список, включающий 110 наименований.