Введение к работе
Актуальность работы. Для успешного проектирования ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) необходима информация о внутрикамерных процессах, которые определяют расходно-тяговые характеристики изделия.
Для дальнейшего улучшения массово-габаритных и расходно-тяговых характеристик РДТТ необходимо подробное изучение внутрикамерных процессов. Определение расходно-тяговых характеристик разрабатываемого двигателя требует информации о структуре потока продуктов сгорания в камере сгорания (КС) и соплах. Для выбора толщины теплозащитного покрытия необходима информация о поле скоростей вблизи стенок.
В работах академика РАН A.M. Липанова, академика РАН Ю.С. Соломонова, Б.Т. Ерохина, И.М. Гладкова И.Х. Фахрутдинова, А.В. Котельникова, Л.Н. Лаврова, В.Ф. Приснякова, Д.И. Абугова, Б.В. Орлова, Г.Ю. Мазинга, А.А. Шишкова, В.Н. Вилюнова рассмотрены вопросы проектирования РДТТ, приведены методики для расчета внутрикамерных параметров. Широко используются инженерные методики расчета газодинамики и теплообмена в КС, основанные на экспериментальных результатах.
Возможность экспериментальных исследований внутрикамерных процессов ограничена высокой температурой в камере и труд но доступностью. В практике применяются эксперименты на «холодном» воздухе с использованием различных способов визуализации течений. Так, обширный экспериментальный материал представлен в работах В.Н. Емельянова, А.А. Кураєва, Б.М. Меламеда, В.Н. Зайковского. Однако методы визуализации позволяют получать ограниченную информацию в виде предельных линий тока на поверхности, пространственная структура потока восстанавливается экспериментаторами на основе полученных результатов.
Интенсивное развитие вычислительной техники последних лет позволило применять для исследования процессов газодинамики и теплообмена методики численного эксперимента. Математическое моделирование процессов внутренней газодинамики позволяет не только получить более полные данные о полях газодинамических параметров в камере, но и выявить особенности турбулентного трехмерного потока продуктов сгорания в интересующих областях.
Достоинством математического моделирования является возможность проведения анализа функционирования объекта в широком спектре варьируемых конструктивных параметров, что позволяет уже на начальных этапах проектирования установить их оптимальный набор и сократить сроки проектирования изделия.
В настоящее время опубликовано достаточное количество работ, посвященных исследованию внутрикамерных процессов, проектированию ракетных двигателей. В работах A.M. Липанова, Б.А. Райзберга, Р.Е. Соркина, В.Н. Емельянова, В.И. Черепова, Б.И. Ларионова, С.Д. Панина, В.М. Самсонова, Б.Т. Ерохина, А.В. Алиева, Ф.Ф. Спиридонова, A.M. Губертова рассмотрены вопросы теории и расчета рабочих процессов в переднем и предсопловом объемах и проточных трактах камеры сгорания ракетного двигателя. Подробно рассматривается методика прямого численного моделирования турбулентных потоков в каналах, требующая значительных вычислительных ресурсов, а также нульмерные, одно- и двухмерные модели газодинамических процессов в РДТТ.
Вопросы математического моделирования внутренней газодинамики в камере ракетного двигателя рассмотрены в работах В.Н. Емельянова, В.А. Тененева, К.Н. Волкова.
Предсопловой объем (ПО) РДТТ характеризуется соизмеримостью продольных, поперечных и окружных размеров, числа Рейнольдса составляют ~ 105 -106, вследствие чего в ПО РДТТ реализуется пространственное турбулентное течение.
Несмотря на значительное число работ, посвященных вопросам проектирования РДТТ, теории и расчета рабочих процессов в КС РДТТ, особенности течения продуктов сгорания в предсопловом объеме остаются в них слабоосвещенными, а вопросы их моделирования - актуальными.
До настоящего времени остается полностью неисследованной пространственная структура потока в предсопловом объеме камеры сгорания РДТТ. В литературе отсутствуют данные об интегральных характеристиках потока и связи топологии течения с теплообменом, а критериальные уравнения для определения теплового состояния элементов конструкции, либо приводятся по аналогии с теплообменом при обтекании пластины, либо отсутствуют.
Объектом исследования являются проточные тракты камеры сгорания ракетного двигателя твердого топлива.
Предметом исследования являются пространственные турбулентные сжимаемые течения и теплообмен в проточных трактах камеры сгорания одно- и многосопловых ракетных двигателей с зарядами разной формы поперечного сечения.
Цель и задачи. Целью работы является исследование пространственной структуры потока в одно- и многосопловых ракетных двигателях твердого топлива с зарядами сложной формы, получение данных об интегральных характеристиках потока, связи топологии течения с теплообменом и критериальных уравнений для определения локальных коэффициентов теплоотдачи в элементы конструкции.
Задачи исследования.
1. Провести численное моделирование пространственных турбулентных тече
ний и теплообмена в ПО КС:
многосоплового РДТТ с канально-щелевым зарядом;
крупногабаритного РДТТ с утопленным соплом и зарядом типа «звезда»;
в заманжетной полости РДТТ с поворотным утопленным соплом;
многосоплового твердотопливного ракетного двигателя управления (ТРДУ) с зарядом торцевого горения.
Обосновать применение используемых математических моделей, в том числе моделей турбулентности, предварительно протестировав их, сформулировать допущения.
Провести параметрическое исследование влияния конструктивных и газодинамических параметров на структуру потока в ПО РДТТ и выполнить анализ результатов газодинамических особенностей структуры потока и процессов теплообмена в ПО.
На основе результатов численного эксперимента получить критериальные уравнения для расчета интегральных характеристик потока (число Нуссельта, коэффициент гидродинамических потерь).
Методы исследований. В диссертации используются численные методы исследования внутрикамерных процессов в РДТТ.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена использованием фундаментальных законов сохранения, апробированными методами их решения, использованием сертифицированного программного продукта Ansys CFX и подтверждением результатов расчетов экспериментом.
На защиту выносятся:
1. Результаты численного моделирования пространственных турбулентных те
чений в ПО КС:
многосоплового РДТТ с канально-щелевым зарядом;
крупногабаритного РДТТ с утопленным соплом и зарядом типа «звезда», при наличии радиального эксцентриситета сопла;
в заманжетной полости крупногабаритного РДТТ с утопленным соплом, при наличии радиального эксцентриситета сопла;
многосоплового ТРДУ с зарядом торцевого горения и многосопловыми крышками (2, 4, 6 сопел).
Зависимости для расчета коэффициента гидродинамических потерь от конфигурации КС (длины ПО, числа газоходов);
Критериальные соотношения для числа Нуссельта в особых точках на поверхности соплового дна крупногабаритных РДТТ с зарядами сложной формы и многосоплового ТРДУ с зарядом торцевого горения.
Научная новизна диссертационного исследования и результатов, полученных лично автором, заключается в следующем:
- выявлен механизм возникновения парных вихревых структур в канально-
щелевом и звездообразном зарядах, их трансформация в ПО в зависимости от коэф
фициента соотношения расходов Kg через щелевой компенсатор (надсопловой за
зор) и канал; показано, что взаимодействие вихревых структур с поверхностью тор
ца заряда и соплового дна приводит к появлению особых линий и точек с повышен
ными значениями теплового потока;
получены коэффициенты гидродинамических потерь в ПО крупногабаритного РДТТ, оснащенного канально-щелевым зарядом и четырехсопловой крышкой, в зависимости от соотношения расходов газа через щелевой компенсатор и основной канал;
выявлена и показана качественная и количественная связь (в виде критериальных соотношений) между топологией потока и теплообменом в предсопловом объеме РДТТ;
исследовано влияние углового положения сопел, величины свободного объема, кривизны соплового дна в многосопловых двигателях с зарядом торцевого горения на коэффициент гидродинамических потерь, в виде аппроксимационных зависимостей, локальный коэффициент теплообмена в точке торможения на сопловом дне.
Практическая значимость. Результаты, анализ и предложенная методика численного расчета пространственного турбулентного течения в предсопловом объеме одно- и многосоплового РДТТ могут быть использованы при проектировании РДТТ и позволяют учитывать влияние конструктивных и газодинамических параметров на энергетические характеристики и уменьшить сроки проектирования изделий.
Личный вклад. Автором выполнено численное моделирование внутрикамерных процессов в РДТТ, проведено сравнение результатов численного моделирования с результатами экспериментов. Выявлены режимы течений в зависимости от конструктивных и газодинамических параметров. Получены критериальные уравнения для расчета числа Нуссельта в особых точках на элементах конструкции РДТТ. Анализ полученных результатов проведен под руководством профессора Б.Я. Бен-дерского.
Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всеросс. нпк. «Вторые Уткинские чтения» (Санкт-Петербург, 2005); Междунар. молод, конф. «XXXII Гагаринские чтения» (Москва, 2006); V Шк.-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН Алемасова В.Е. (Казань, 2006); X Междунар. нк, поев, памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева (Красноярск, 2006); Междунар. молод, конф. «XXXIII Гагаринские чтения» (Москва, 2007); Общеросс. нтк «Третьи Уткинские чтения» (Санкт-Петербург, 2007); XXI Всеросс. семинара «Струйные, отрывные и нестационарные течения» (Новосибирск, 2007); Междунар. конф. по внутрикамер-ным процессам и горению в установках на твердом топливе и ствольных системах ICOC (Санкт-Петербург, 2008); VI Шк.-семинара молодых ученых и специалистов академика РАН Алемасова В.Е. (Казань, 2008); Всеросс. н.т.к. Ракетно-космические двигательные установки (Москва, 2008); VII Конф. молодых ученых «КоМУ-2008» (Ижевск, 2008); Междунар. молод, конф. «XXXV Гагаринские чтения» (Москва, 2009); V Всеросс. нтк «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АнТЭ-2009» (Казань, 2009); 8 Междунар. конф. «Авиация и космонавтика-2009» (Москва, 2009); Всеросс. молод, нк «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2009); Междунар. молод, конф. «XXXVI Гагаринские чтения» (Москва, 2010); XXII Всеросс. семинара «Струйные, отрывные и нестационарные течения» (Санкт-Петербург, 2010); XV Междунар.конф. по методам аэрофизических исследований ICMAR-2010 (Новосибирск, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 работ, из них 3 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников. Работа изложена на 163 страницах машинописного текста, включая 3 таблицы, 121 рисунок. Список используемых источников включает 199 наименований.
Похожие диссертации на Пространственная газодинамика и теплообмен в предсопловом объеме ракетных двигателей твердого топлива
