Введение к работе
Работа посвящена разработке метода исследования пространственных вязких течений в поворотных управляющих соплах (ПУС) и донных насадках многосопловых двигательных установок (ДУ).
Актуальность работы.
В настоящее время в связи с необходимостью решения ряда практических задач большое внимание уделяется исследованию вязких течений. Этой проблеме посвящены многочисленные теоретические, расчетные и экспериментальные работы, Разработано большое количество моделей и методов расчета вязких течений в каналах и соплах ракетных двигателей. Созданы различные инженерные методики определения параметров потока в той или иной конструкции. Однако существует ряд задач, которые еще не получили удовлетворительного решения. Одной из важнейших проблем является исследование вязких трехмерных течений в каналах сложной конфигурации. В последнее время появляется ряд задач, требующих расчетных и экспериментальных исследований течений именно такого вида. Одним из таких примеров может служить истечение газа из поворотного управляющего сопла в область повышенного внешнего противодавления. Это трехмерное течение, где существуют как дозвуковые, так и сверхзвуковые области. На нерасчетном режиме истечения газа из сопла образуется сложная система пространственных скачков уплотнения. Так же в этой задаче ярко выражены вязкостные эффекты, связанные с взаимодействием скачков уплотнения с пограничным слоем вдоль стенки сопла с образованием отрывных зон и возвратных течений. Другим примером пространственных вязких течений может служить течение в донных насадках многосопловых двигательных установок.
Одним из основных вопросов исследований является прогнозирование усилий и теплового воздействии потока на стенки исследуемой конструкции. Для решения указанных вопросов необходимо знать локальное распределение параметров потока.
Экспериментальные исследования таких течений могут предоставить массу полезной информации, но получить информацию по распределению параметров во всех областях течения не представляется возможным. Кроме того, очень часто экспериментальные исследования натурных конструкций в земных условиях затруднены, и опыты проводятся на моделях, лишь частично имитирующих реальное течение. Поэтому естественно возникают проблемы с перенесением полученных экспериментальных данных на натуру.
Численное моделирование свободно от вышеуказанных трудностей: расчеты течений можно проводить для полноразмерных моделей, всегда существует возможность узнать значения параметров потока в любой точке расчетной области. Но здесь есть свои трудности, связанные с анализом полученных данных, верификацией используемых моделей.
Поэтому представляется целесообразным численно моделировать трехмерные течения, в каналах сложной конфигурации и одновременно проводить экспериментальные исследования.
Целью работы является исследование вязких течений в каналах сложной пространственной конфигурации для создания метода моделирования вязких трехмерных течений.
Основными задачами, решаемыми в работе являются:
-
разработка метода для численного моделирования пространственных вязких течений в каналах, соплах и сопловых насадках ракетных двигателей, включающий в себя методику постановки граничных условий на поверхностях произвольной формы, методику расчета на многосеточных структурах с ячейками различного размера, метод вычисления турбулентных коэффициентов переноса в рамках используемой физико-математической модели;
-
проведение экспериментальных исследований течения в ПУС и в донных насадках многосопловых ДУ;
-
анализ полученных расчетно-экспериментальных данных для прогнозирования характеристик натурных двигателей и верификации разработанной физико-математической модели и метода численного моделирования;
-
разработка пакета программ для расчета трехмерных вязких течений в каналах сложной пространственной конфигурации.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработан новый метод задания граничных условий на поверхностях сложной пространственной конфигурации;
-
Предложена модификация модели турбулентной вязкости Болдуина-Ломакса и алгоритм её реализации в трехмерном случае;
-
Получены экспериментальные данные по управляющему усилию в ПУС (в том числе при истечении газа в область повышенного противодавления) и предложена их теоретическая интерпретация;
-
Получены экспериментальные данные по структуре течения, распределению локальных газодинамических параметров и дополнительному усилию, создаваемому донным цилиндрическим насадком. Получена зависимость величины прироста тяги от длины цилиндрической обечайки насадка;
-
Разработан программный комплекс для численного моделирования вязких трехмерных течений в каналах сложной конфигурации.
Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлением расчетных данных, полученных предложенным численным методом, с данными экспериментальных исследований и результатами других расчетов.
Практическая ценность результатов данной работы заключается в том, что предложенный численный метод расчета вязких трехмерных течений позволяет прогнозировать основные характеристики натурных двигательных установок на различных режимах функционирования.
На защиту выносятся:
-
Метод и программа расчета вязких трехмерных течений в областях сложной пространственной конфигурации;
-
Результаты экспериментальных исследований истечения газа из поворотного управляющего сопла в область повышенного внешнего противодавления;
-
Результаты экспериментальных исследований течения газа в донном цилиндрическом насадке четырехсопловой двигательной установки;
-
Результаты расчета основных характеристик течения в поворотном управляющем сопле, их сравнение с экспериментальными данными;
-
Результаты расчетов основных параметров течения в донном цилиндрическом насадке четырехсопловой двигательной установки, их сравнение с полученными модельными экспериментальными данными. Прогноз прироста характеристик натурной ДУ.
Апробация работы и научные публикации.
Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 47-ой, 48-ой и 49-ой открытой конференции Московского физико-технического института в 2004, 2005, 2006 гг.; международной конференции EUCASS в 2007 г, конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ) в 2007, 2008 гг, 1-ой международной конференции «Космос для человечества» в 2008 г; всероссийской научно-технической конференции посвященной 60-летию кафедры «Ракетные двигатели», МГТУ им. Баумана, 2008 г, научных семинарах Центра Келдыша. Основное содержание и результаты диссертационной работы отражены в 4 работах.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения, содержит – 136 машинописных листов, включающих 76 рисунков и список используемой литературы из 48 наименований.
