Введение к работе
Актуальность темы. Проектирование систем смесеобразования и охлаждения камер сгорания двигательных установок и энергетических систем является ответственной задачей, при выполнении которой важную роль имеет оптимизация гидравлических характеристик смесительных элементов для обеспечения расчетного распределения соотношения компонентов и расходонапря-женности в поперечном сечении камеры сгорания. Смесительная головка и тракт охлаждения одной из самых тешюнапряженных энергетических установок - жидкостного ракетного двигателя представляют собой набор большого количества однотипных элементов - форсунок и охлаждающих каналов. Коэффициенты расхода и гидравлического сопротивления таких элементов вследствие неизбежных технологических погрешностей их изготовления имеют случайные отклонения от номинальных значений. Допустимый диапазон отклонений, который отмечается в проектной документации, может составлять от десятых до нескольких процентов. В ряде случаев выявленные проблемы при экспериментальной доводке камеры двигателя приводят к необходимости снижения допустимого разброса гидравлических характеристик форсунок за счет усложнения технологии их изготовления, повышения количества отбракованных форсунок, т.е. существенного удорожания и больших сроков выполнения проекта. Неравномерность распределения компонента по форсункам первого периферийного ряда смесительной головки кислородно-водородного ЖРД, вызванная гидравлической разверкой предфорсуночного раздающего коллектора, достигает 11 %. Для подвода охладителя к рубашке камеры вследствие подобной конструкции подводящего коллектора на участке тракта охлаждения, примыкающем к коллектору, неравномерность распределения расходов по каналам составляет несколько десятков процентов. Имеются результаты экспериментальных исследований для ряда двигателей, когда неравномерность распределения расхода компонента топлива через периферийные форсунки может достигать 30 % и более.
Случайные флуктуации гидравлических характеристик форсунок и каналов тракта охлаждения приводят к изменению характера распределения по ним компонентов топлива. Существующие в настоящее время расчетные алгоритмы и инженерные методики определения гидравлической неравномерности основаны на детерминированных математических моделях, т.е. в предположении, что все однотипные форсунки имеют абсолютно идентичные гидравлические характеристики. Вследствие того, что ряд входных параметров при проектных расчетах являются, по сути, случайными величинами, то математическое моделирование и расчет необходимо вести в стохастической постановке. Это позволит не только более точно определить математические ожидания расчетных критериев, но и вычислять вероятность достижения того или иного результата. В контексте рассматриваемой в диссертационной работе предметной области исследований это приведет к повышению надежности и энергетического совершенства камеры при обоснованном назначении допусков на гидравлические характеристики применяемых смесительных элементов.
Актуальность применения рассматриваемых методов в технике подтверждается созданием научного сообщества под названием Non-Deterministic Simulation for CFD based methodologies (NODESIM-CFD), проведением ряда конференций под эгидой AIAA и других организаций. Также показательно, что в состав этого сообщества входят такие гиганты машиностроения, как ОАО «НПО Сатурн», «Airbus», «MAN», «DLR» и другие. Робастное проектирование позволяет снизить чувствительность функциональности изделия к разбросу случайных величин. При этом достигается:
уменьшение зависимости от случайных параметров;
увеличение допусков при производстве компонент;
повышение надежности конструкции;
учет разброса входных параметров.
Решение выше указанной задачи осуществлялось автором в рамках НИР ВГТУ № ГБ 2007.26 (Гос. регистр. 01.2.007 07564).
Основной целью диссертационной работы является исследование влияния случайных вариаций граничных условий на характеристики теплофи-зических процессов в камерах сгорания энергетических установок.
Исходя из поставленной цели работы и на основе анализа состояния вопроса были определены следующие задачи аналитического и расчетно-теоретического исследования:
создание методики недетерминированного моделирования теплофизи-ческих процессов в камере сгорания одной из самых теплонапряженных энергетических установок - жидкостного ракетного двигателя;
экспериментальные исследования процессов распределения компонентов топлива по форсункам систем смесеобразования камер сгорания;
расчетно-теоретическое обоснование вероятностного характера параметров неравномерности распределения топлива по форсункам смесительной головки, определяющего значительную неоднородность распределения параметров тепломассопереноса в огневом пространстве камеры, как следствие, неравномерность тепловых потоков в стенку камеры, для разработки методических основ тепловой защиты и внутреннего и наружного охлаждения в условиях случайных вариаций расходов через форсунки;
расчет горения и определение характеристик диссоциированной газовой смеси продуктов сгорания с учетом стохастической гидравлической неравномерности распределения топлива по форсункам смесительной головки;
реализация методики расчета потерь полноты сгорания с использованием недетерминированного термодинамического расчета с учетом стохастического характера распределения топлива по форсункам смесительной головки, уточнение моделей гидравлической неравномерности коллекторов камеры и распределения расходов по каналам регенеративной системы охлаждения.
Методы исследований основаны на теории математического моделирования, теории вероятностей, теории искусственных нейронных сетей, численных методах в динамике жидкостей, теории горения в камере ЖРД, гидродинамике и теплопереносе ньютоновских жидкостей.
Научная новизна работы.
-
Разработана методика расчета теплофизических параметров функционирования систем смесеобразования и охлаждения, учитывающая стохастические вариации гидравлических характеристик форсунок и каналов тракта охлаждения.
-
Предложены принципы создания стохастических математических моделей процессов распределения компонентов по форсункам систем смесеобразования как основных подготовительных процессов, определяющих характеристики многокомпонентных смесей химически реагирующих продуктов сгорания. Разработана стохастическая математическая модель распределения компонента по каналам регенеративной системы охлаждения для уточнения параметров теплового состояния конструкции.
-
Получена стохастическая математическая модель процесса горения при соосно-струйной подаче кислородно-метанового топлива в камере ЖРД, проведен расчет горения в камере сгорания ЖРД в стохастической постановке с использованием метода Монте-Карло.
-
Разработана методика определения потерь полноты сгорания с использованием недетерминированного термодинамического расчета.
Достоверность результатов подтверждается применением в расчетных исследованиях фундаментальных законов гидродинамики и теплообмена, обобщением большого массива экспериментальных данных. Стохастические методы расчета применяются для решения задач тепломассообмена с использованием фундаментальных законов явлений переноса. Адекватность математических моделей оценивалась сопоставлением с экспериментом по общепринятым методикам идентификации расчетных результатов.
Практическая значимость работы.
-
Прогнозирование уровня гидравлической неравномерности распределения компонента по каналам рубашки охлаждения необходимо для назначения необходимых расходов охладителя.
-
Прогнозирование уровня гидравлической неравномерности распределения компонента по форсункам смесительной головки необходимо для определения тепловых потоков в стенку с учетом неравномерности распределения соотношения компонентов и расходонапряженности, определяемых работой смесительной головки.
-
Моделирование процесса горения необходимо для оптимизации гидравлических характеристик форсунок для повышения полноты сгорания.
-
Разработанные алгоритмы стохастического моделирования позволяют повысить качество смесеобразования и надежность наружного и внутреннего охлаждения камеры ЖРД.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Российской конференции «Компьютерные технологии автоматизированного проектирования систем машиностроения и аэрокосмической техники» (Воронеж, 2007), Российской конференции, посвященной 105-летию со дня рождения основателя КБХА С.А. Косберга (Воронеж, 2008), 49 научно-технической конфе-
ренции профессорско-преподовательского состава, сотрудников, аспирантов, студентов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2009), 50 юбилейной научно-технической конференции про-фессорско-преподовательского состава, сотрудников, аспирантов, студентов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2010), Российской научно-технической конференции «Ракетно-космическая техника и технология 2010» (Воронеж, 2010), 51 научно-технической конференции профессорско-преподовательского состава, сотрудников, аспирантов, студентов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2011), научной конференции «Талантливая молодежь Воронежской области» (Воронеж, 2011).
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы:
в ОАО «КБ химавтоматики» при разработке методики расчета раздающих коллекторов и расходной неравномерности, методов расчета гидравлических характеристик смесительных головок ЖРД;
в ФГУП «Турбонасос» при прогнозировании энергетических характеристик турбонасосных и насосных агрегатов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числеЗ - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,5] - недетерминированная математическая модель регенеративной системы охлаждения; [2] - недетерминированная модель определения потерь полноты сгорания; [4] - недетерминированная модель теплофизических процессов в огневом пространстве камеры; [6] -методика моделирования процессов теплообмена в энергетической установке замкнутого цикла.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений и списка литературы, включающего 117 наименований. Основная часть работы изложена на 130 страницах, содержит 68 рисунков и 17 таблиц.
