Введение к работе
Актуальность темы
Рынок беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) является быстроразвиваюшимся и очень перспективным. На основании собранной информации о тактико-технических характеристиках производимых в мире беспилотных летательных аппаратов пульсирующий ВРД (ИуВРД) біля выбран как наиболее перспективный двигатель для использования в качестве силовой установки БПЛА.
Физический процесс в ПуВРД является нестационарным. Колебание газодинамических параметров в течение рабочего цикла ПуВРД происходит с большой амплитудой и в течение небольшого промежутка времени. [ їапример, давление уменьшается от максимального значения до минимального в 2 и более раза менее чём за 0,01 секунды. Поэтому, несмотря на то, что активное исследование ПуВРД началось более пятидесяти лет назад, до сих пор не удалось создать математическую модель, позволяющую производить количественную оценку изменения физических параметров во времени без предварительного проведения эксперимента и получения эмпирических коэффициентов для различных конфигураций двигателя. Существующие методы и разработанные математические модели, а том числе и основанные на численном решении системы уравнений Иавьс-Стокса, позволяют производить лишь качественную оценку ПуВРД и видеть нестационарную картину течения, не позволяя точно прогнозировать рабочие характеристики двигателя. Поэтому для исследования и проектирования новых ПуВРД существует большая потребность в новом методе расчета, позволяющем без предварительного экспериментального изучения производить количественную оценку изменения газодинамических параметров в рабочем цикле двигателя.
Цель диссертационной работы
Разработать математическую модель нестационарных
газодинамических процессов в ПуВРД для БПЛА, позволяющую без использования экспериментальных данных рассчитывать процесс инерционного истечения газа с расхождением расчетных и экспериментальных параметров менее 35%.
Задачи диссертационной работы
1) На базе анализа различных методов моделирования нестационарных газодинамических процессов разработать новый метод и создач ь математическую модель для исследования ПуВРД.
2) Исследовать динамику изменения газодинамических параметров в процессе истечения и процесс возникновения разрежения в ПуВРД.
3) Произвести предварительную оценку характеристик ПуВРД тягой 1200 Н, предназначенного для БПЛА с максимальной скоростью полета более 650 км/ч.
Научная новизна работы
- Разработан новый метод, позволяющий описывать нестационарные газодинамические процессы в ПуВРД и рассчитывать зависимость давления от времени в процессе расширения с хорошим количественным согласованием результатов, в котором в рамках выбранной физической модели расчетные формулы выведены аналитически путем интегрирования исходного дифференциального уравнения движения для временного шага Рассчитана динамика изменения газодинамических параметров и тяги пульсирующего двигателя в течение рабочего цикла.
- Получена приближенная зависимость разрежения в процессе инерционного истечения от площади клапанов двигателя.
- Модифицирована методика расчета МИТ (НИИ-1), позволяющая подготавливать исходные данные для разработанного метода расчета и проводить параметрическое исследование геометрических и высотио скоростных характеристик ПуВРД, в которой предложен способ нахождения зависимости давления в двигателе от времени в процессе расширения газа для докритического перепада давлений на сопловом устройстве.
Обоснованность и достоверность результатов обеспечиваются соответствием физических и математических моделей, строгостью выполнения математических выкладок и преобразований, проведением сравнения результатов, полученных аналитически с другими методами расчета и экспериментом. Для процесса расширения газа в ПуВРД, в котором происходит падение давления в 2,5 раза в течение 0,007 с, расхождение расчетных и экспериментальных результатов в каждый момент времени составило менее 35%. Для модельных задач оценочное сравнение с результатами решения уравнений, описывающих распространение акустических колебаний, показало расхождение 2-10%.
Научная и практическая значимость
Разработаны метода расчета, дополняющие друг друга, и программа, позволяющие количественно оценивать нестационарные газодинамические процессы в ПуВРД с механическим клапаном (клапан или клапаны находятся на входе в двигатель) без предварительного проведения эксперимента.
Личный вклад автора в работу Разработка математических моделей, получение аналитических решений, разработка программы, обработка результатов расчета, проведение их анализа и формулирование выводов диссертации выполнены лично автором.
Реализация работы на производстве
Разработанная программа использована для исследования разрежения, возникающего в процессе инерционного истечения газа, и для расчета основных геометрических и высотно-скоростных параметров ПуВРД, предназначенного для беспилотной летающей мишени «Дань» ОАО «ОКБ «Сокол». Результаты работы переданы в ОАО «ОКБ «Сокол» и рекомендуются к использованию в ЗАО «ЭНИКС», Апробация работы
Основные результаты и положения диссертации доложен ы и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара, 2006; на Международной молодежной научной конференции «XII Туполевские чтения», Казань, 2004.
Публикации
Материалы диссертации отражены в 6 печатных работах, в том числе 3 в перечне журналов, рекомендованных ВАК,
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 94 наименования. Объем диссертационной работы - 167 страниц. Количество таблиц - 3; рисунков - 122.
