На правах рукописи

Чернова Алена Алексеевна

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ГАЗОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН

В ПРЕДСОПЛОВОМ ОБЪЕМЕ РАКЕТНЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Специальность 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск – 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Бендерский Борис Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Емельянов Владислав Николаевич доктор физико-математических наук, профессор Горохов Максим Михайлович

Ведущая организация: Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, г. Новосибирск

Защита диссертации состоится «20» января 2012 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ004.013.01 при Институте прикладной механики УрО РАН, по адресу г.Ижевск, ул. Т. Барамзиной, д.34, e-mail:[email protected], тел.

+7(3412)507939.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной механики УрО РАН Автореферат разослан « » ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета М.Р. Королева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 А.М. 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 труднодоступностью. 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. Кураева, 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 А.М. 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, А.М. 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 10 5 10 6, 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 течений 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.

2. Обосновать применение используемых математических моделей, в том числе моделей турбулентности, предварительно протестировав их, сформулировать допущения.

3. 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.

4. 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 течений 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).

2. Зависимости для расчета коэффициента гидродинамических потерь от конфигурации КС (длины ПО, числа газоходов);

3. 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 канальнощелевом и звездообразном зарядах, их трансформация в ПО в зависимости от коэффициента соотношения расходов К g через щелевой компенсатор (надсопловой зазор) и канал; показано, что взаимодействие вихревых структур с поверхностью торца заряда и соплового дна приводит к появлению особых линий и точек с повышенными 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. Бендерского.

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.

«ХХХII Гагаринские чтения» (Москва, 2006); V Шк.-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН Алемасова В.Е. (Казань, 2006); Х Междунар. нк, посв. 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); ХХI Всеросс. семинара «Струйные, отрывные и нестационарные течения» (Новосибирск, 2007); Междунар. конф. по внутрикамерным 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);

ХХII Всеросс. семинара «Струйные, отрывные и нестационарные течения» (СанктПетербург, 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведена краткая характеристика работы, сформулированы цели и задачи исследований, отмечена научная новизна, практическая значимость полученных результатов, и сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные типы течений, которые реализуются в трактах ракетного двигателя твердого топлива, и модели для их численной реализации. Показаны достоинства и недостатки рассмотренных моделей, приводится аргументация использования пространственных подходов. Приведен анализ работ, посвященных внутрикамерным процессам в РДТТ. Показано, что вопросы моделирования и исследования внутрикамерных процессов в предсопловом объеме остаются недостаточно изученными. Рассмотрены два метода исследования процессов внутренней газодинамики – физический и численный эксперименты, обоснован выбор метода численного эксперимента. Рассмотрены два принципиальных подхода к проведению численного моделирования физических процессов: применение в качестве среды для моделирования авторских программных продуктов и применение в качестве расчетной среды «тяжелых» программных комплексов: Ansys CFX, Solid WORKS Cosmos Flow WORKS, Flow Vision, Fluent, STAR-CD и пр. Указано, что для изучения подробной топологии трехмерных турбулентных течений, процессов теплообмена, протекающих в камере сгорания (КС), оптимальным является применение второго подхода, либо гибрида рассмотренных подходов.

Вторая глава посвящена вопросам математического моделирования внутрикамерных процессов в КС РДТТ. Рассмотрены существующие модели описания внутрикамерных процессов. Обосновано использование модели вязкого сжимаемого газа, сформулированы используемые допущения. Рассмотрены наиболее распространенные методы решения полной системы уравнений, описывающей движение продуктов сгорания в КС РДТТ, обосновано применение пространственного подхода с применением гипотезы квазистационарности.

Дано описание существующих методов моделирования турбулентности (прямое численное моделирование, модели турбулентности). Дается характеристика и анализ применимости наиболее распространенных моделей турбулентности и моделей, представленных в программном комплексе Ansys CFX 11, приводится обоснование использования для моделирования внутрикамерных процессов в РДТТ k, BSL, SST, RNG k моделей турбулентности. Приведена математическая постановка рассматриваемого класса задач.

Приводится характеристика и терминология топологии потока, связь с процессами теплообмена. Показаны газодинамические особенности: особые точки, линии и их характеристики.

В третьей главе рассмотрены результаты численного моделирования высокотемпературных течений ПС в ПО КС крупногабаритных РДТТ различных схемных решений и зарядами канально-щелевой формы и типа «звезда», с утопленным соплом.

В разделе 3.1 рассмотрена задача сопряженного теплообмена в четырехсопловом твердотопливном двигателе, снаряженном канально-щелевым зарядом (рисунок 1).

Рисунок 1 – Расчетная схема четырехсоплового РДТТ, снаряженного щелевым зарядом При описании поставленной задачи заданы следующие граничные условия: на входе в центральный канал и на стенках щелей имитатора заряда задавались расход, температура и интенсивность турбулентности; на выходе из патрубков ставились «мягкие» граничные условия. Задавались коэффициент теплопроводности материала стенок и температура окружающей среды. При расчете варьировалось отношение расхода газа через щелевые поверхности заряда к расходу через центральный канал (коэффициент К g ) 0 < K g < 1. Для замыкания полученной системы уравнений использовались модели турбулентности RNG и « k ».

В результате расчета получена структура потока в канале заряда и предсопловом объеме четырехсоплового двигателя при различных значениях коэффициента К g.

Пространственная картина течения в КС, обработанная в виде линий тока, показана на рисунке 2.

Структура предельных линий тока на поверхности соплового дна характеризуется наличием четырех линий растекания (L1) и линий стекания, образующих «седловые» точки S - рисунок 3.

Распределение газодинамических параметров (давления, скорости) по диаметру I приведено на рисунке 4.

вихревая структура вихревая структура отсутствует парная вихревая структура Рисунок 3 – Структура предельных линий тока на поверхности соплового дна а) распределение давления; б) распределение модуля скорости вблизи стенки Рисунок 4 –Распределение внутрикамерных параметров по диаметру I Выявлены три режима течений в области щелевых компенсаторов:

-при первом режиме ( K g < 0,1 ) в щелевом компенсаторе образуется циркуляционная зона за уступом (рисунок 2а); - второй режим ( 0,1 < K g < 0,5 ) - циркуляционная зона за уступом отсутствует. Поток газа, выходящий из щели, взаимодействуя с канальным, разделяется и частично разворачивается, образуя периферийные парные вихревые структуры, смешиваясь с канальным потоком (рисунок 2б); - при третьем ( K g > 0,5 ) - образуется парная вихревая структура в центральном канале (рисунок 2в).

Выявлено, что во всем интервале изменения коэффициента K g на торце заряда возникает особая точка - точка торможения. Критериальное уравнение для определения числа Нуссельта в этой точке имеет вид: Nu = 0,84 Re0,7 K g,61, и справедливо Показано, что увеличение коэффициента K g приводит к повышению числа Нуссельта, рассчитанного в центральной точке торможения на сопловом дне. Получено критериальное уравнение для числа: Nu = 8,4 Re0,4 K g,23, справедливое при Вычислен коэффициент гидродинамических потерь в ПО. Установлено, что коэффициент гидродинамических потерь растет с увеличением коэффициента K g. Получена зависимость коэффициента гидродинамических потерь от коэффициента K g :

= 7,455 K 1,334 Re 0,112, справедливое при 5,3 10 4 Re 2,3 10 5 и 0 < K g 2.

Выявлено, что предельные линии тока на сопловом дне практически не изменяются при увеличении K g в интервале его изменения от 0 до 2.

Проведено сравнение результатов численных расчетов с экспериментом. Сравнивалось течение в ПО в экспериментальной установке с результатами численного моделирования. На рисунке 5 представлены расчетное и экспериментальное (автор эксперимента профессор В.Н. Емельянов) распределения относительного давления на поверхности соплового дна и торца щелевого заряда. Максимальная относительная ошибка составляет 1,5%.

Рисунок 5 – Распределение относительного давления по поверхностям соплового дна и торца В разделе 3.2 рассмотрена задача о пространственном турбулентном течении продуктов сгорания в РДТТ, с "звездообразным" зарядом и утопленным соплом при его относительном радиальном смещении (рисунок 6).

Граничные условия заданы аналогично задаче, рассмотренной в разделе 3.1. В результате расчета получена структура потока продуктов сгорания в предсопловом объеме КС РДТТ, выявлены газодинамические особенности в камере сгорания Рисунок 6 – Схема РДТТ с утопленным соплом при его радиальном смещении На рисунке 7а, г представлены линии тока в канале заряда при величине эксцентриситета сопла = 0 и = 0,922. Как видно из рисунка радиальное смещение сопла приводит к нарушению симметричной парной вихревой структуры, объединению и укрупнению вихревых структур, что отражается на картине предельных линий тока на входной части утопленного сопла (рисунок 7б,д) и торце заряда (рисунок 7в,е).

Распределение относительной диссипации турбулентной энергии в сечении по лучу заряда представлено на рисунке 8, а локальное распределение турбулентной энергии по сечениям АА и ВВ на рисунке 9. Видно, что диссипация турбулентной энергии достигает максимального значения вблизи стенок канала.

ности утопленного сопла при эксцентриситете эксцентриситете = 0 ; г) линии тока в поперечном сечении при эксцентриситете = 0,922 ; д) предельные линии тока на входной поверхности утопленного сопла при эксцентриситете = 0,922 ; е) предельные линии тока на бронированном торце заряда при эксцентриситете = 0, Рисунок 7 –Влияние эксцентриситета сопла на структуру потока Рисунок 8 – Локальное распределение параметров в поперечном сечении канала заряда а) по радиусу между "лучей" (по диаметру АА); б) по радиусу по "лучам" (по диаметру ВВ).

Численным расчетом подтверждена экспериментально обнаруженная критическая точка в минимальном надсопловом зазоре ( min ) на внешней поверхности утопленного сопла при его радиальном смещении (рисунок 10). В отличие от эксперимента получено критериальное соотношение для числа Нуссельта в этой точке Показано наличие двух локальных максимумов коэффициента теплообмена на торцевой поверхности заряда, для которых вычислено число Нуссельта:

Nu = 1,2 Re 0,8694 Pr 0,12 и Nu = 0,867 Re 0,811 Pr 0, 2, справедливое при 8,1 10 4 Re 6,5 10 5, Nu = 1,4 Re 0,8283 Pr 0, 2 и Nu = 0,8 Re 0,8093 Pr 0, 2, справедливое при 10 5 Re 6,5 10 5, Численным расчетом подтверждено, что увеличение радиального смещения сопла приводит к трансформации течения вблизи его входной поверхности. Критериальное соотношение для определения числа Нуссельта в точке торможения на входной поверхности утопленного сопла имеет вид Рисунок 10 – Верификация течения в области критической точки в минимальном надсопловом Рассмотрено влияние радиального смещения сопла на распределение давления по его поверхности. На рисунке 11 представлено распределение относительного давления по образующей входной поверхности смещенного сопла ( = 0,924, K g = 1 7 ) в плоскости = 90. Показаны результаты физического эксперимента профессора Б.Я. Бендерского, численного эксперимента профессора В.А. Тененева и результаты расчета, проведенного в программном комплексе ANSYS CFX 11.

Рисунок 11 – Распределение относительного давления по образующей утопленного сопла В разделе 3.3 рассмотрена задача о течении продуктов сгорания в заманжетной полости РДТТ с утопленным соплом (рисунок 12). Моделируется стационарное пространственное турбулентное течение сжимаемого газа в заманжетном пространстве, при радиальном смещении утопленного соплового блока.

Граничные условия заданы аналогично задаче, рассмотренной в разделе 3.1. На рисунке 13 в виде линий тока представлена структура потока в заманжетной полости. Видно, что в результате взаимодействия потока с бронированным торцом заряда на поверхности заряда возникают явно выраженные линии стекания, растекания и «особые» точки. На рисунке 13 линии стекания обозначены - L1, точки фокуса – f1, узловые точки – N1, седловая – S1.

Рисунок 13 - Структура потока в заманжетной полости, в области минимального зазора Распределение диссипации турбулентной энергии на бронированном торце приведено на рисунке 14а. Локальный максимум диссипации турбулентной энергии находится в области относительного радиуса ~ 0,75. Графическое отображение значений диссипации турбулентной энергии по сечению 1 в зоне локального максимума приведено на рисунке 14б.

Рисунок 14 – Распределение диссипации турбулентной энергии Зафиксирована (рисунок 15) система вихрей, взаимодействующая друг с другом с отчетливым проявлением линий стекания и растекания. Видно хорошее согласование расчетных и экспериментальных данных.

а) – эксперимент выполнен под руководством профессора А.А.Кураева; б) – расчет В четвертой главе рассмотрены результаты численного моделирования течений ПС в ПО КС ТРДУ с торцевым зарядом и многосопловой крышкой. Численное моделирование течений в рассматриваемых камерах (рисунок 16) проводилось на основе пространственных уравнений для сжимаемого газа. Система пространственных уравнений Навье-Стокса осреднена по Рейнольдсу, для замыкания системы уравнений использована рейнольдсовая « k » модель турбулентности. Дискретизация всех расчетных областей произведена с использованием неструктурированных сеток, состоящих из тетраэдров (более 3 млн. ячеек), а также призматических ячеек (1,2 млн. ячеек) для разрешения пристеночных течений.

а) двухсопловой ТРДУ; б) четырехсопловой ТРДУ; в) шестисопловой (2 технологических патрубка) ТРДУ Решается сопряженная задача. На рисунке 17 в виде линий тока представлена структура потока в ПО ТРДУ и предельные линии тока на сопловом дне. Распределение модуля скорости и давлений по радиусам 1 и 2 (рисунок 17д) представлены на рисунке 18.

а) пространственные линии тока в ПО двухсоплового ТРДУ; б) пространственные линии тока в ПО четырехсоплового ТРДУ с углом между патрубками - 900; в) пространственные линии тока в ПО шестисоплового ТРДУ; г) предельные линии тока на поверхности соплового дна двухсоплового ТРДУ; д) предельные линии тока на поверхности соплового дна четырехсоплового ТРДУ с углом между патрубками - 900; е) предельные линии тока на поверхности Рисунок 17 – Структура потока в предсопловом объеме камеры сгорания Для двигателей с 4х сопловой крышкой выявлены в зависимости от углового положения газохода, три основных режима течения: первый режим выявлен для углов между патрубками от 40° до 70° ( 40 o 70 o ) – реализуется течение с образованием двух крупных вихревых структур в межпатрубковой зоне и стоковых вихрей в патрубках (рисунок 19а,б,в); второй режим - для углов между патрубками от 75° до 80° ( 75 o 80 o ) - образуется одна вихревая структура в межпатрубковом пространстве, вблизи соплового дна, выявлена топология с наличием 5 «особых» точек (рисунок 19г,д); третий режим - для углов между патрубками от 81° до 90° ( 81o 90 o ) – течение характеризуется образованием вихревых структур в зоне входа потока в патрубок и образованием, при натекании потока на сопловое дно, пяти «особых» точек (рисунок 19е).

Рисунок 18 – Распределение газодинамических параметров по линиям растекания Как видно из рисунка 19, уменьшение величины угла между патрубками приводит к: увеличению числа линий смешения (12 вместо 6). Выявлено образование четырех точек типа «седло». Наблюдается уменьшение относительных размеров вихревой структуры в межпатрубковом пространстве ПО.

а) угол между газоходами 40; б) угол между газоходами 50; в) угол между газоходами 60; г) угол между газоходами 70; д) угол между газоходами 80; е) угол между газоходами Увеличение угла между патрубками приводит к изменению коэффициента гидродинамических потерь в камере – рисунок 20а. Получена аппроксимационная зависимость для определения коэффициента гидродинамических потерь от величины угла между патрубками : = 0,00003 4 + 0,007 3 0,732 2 + 32,34 507,3.

На рисунке 20б приведены зависимости величины коэффициента гидродинамических потерь от длины ПО четырехсоплового ТРДУ.

а)зависимость от величины угла между патрубками; б) зависимость от длины ПО Рисунок 20 - Зависимость коэффициента гидродинамических потерь для различных угловых Получена зависимость числа Нуссельта в центральной точке торможения от величины угла между патрубками: Nu = 0,0047 3 + 1,5443 2 149,45 + 4626,2.

В разделе 4.3 рассмотрены особенности внутренней газодинамики шестисоплового ТРДУ. Приведена топология течения ПС в ПО. Выявлено 4 особых точки типа «седло» в периферийной части соплового дна, одна узловая точка в центре соплового дна, 2 линии стекания и восемь линий растекания. Отмечено повышение значений газодинамических параметров (давления, температуры, теплового потока) в области точек типа «седло».

В разделе 4.4 представлены результаты расчета течения рабочего тела в двухпатрубковой камере. Структура характеризуется наличием вихрей в межпатрубковом пространстве и образованием, при натекании потока на сопловое дно, трех «особых» точек (N1, N2, S1 рисунок 17). Точки N1, N2 являются «узловыми» точками и образуются вследствие разворота потока в межпатрубковой области, а точка S – точкой типа «седло».

Анализ результатов исследований структуры потока в ПО двухпатрубковой КС (рисунок 17а) показывает, что при длинах предсоплового объема l 0,5 наблюдается несимметрия течения в ПО (рисунок 21). Получено аппромаксионное уравнение для расчета гидродинамических потерь в камере от величины относительного радиуса кривизны дна: = exp(- 0,0026 R ).

а) K = 0,3 (симметричное течение); б) K = 0,8 (несимметричное течение) В результате расчетов показано, что профиль продольной составляющей скорости по поперечному сечению камеры начинает изменяться на расстоянии (0,3 0,5) d до отверстий газоходов. Вследствие этого при проведении расчетов возможно уменьшать длину ПО до (0,3 0,5) d.

Анализ выявил следующие общие закономерности топологии течений для многосопловых ТРДУ с зарядом торцевого горения, вне зависимости от числа газоходов: 1) на рисунке 22 приведено положение особых точек на поверхности соплового дна для двигателей с 2, 4 и 6 газоходами. Отметим, что течение во всех рассмотренных конструкциях характеризуется образованием центральной точки торможения;

2) выявлено три режима течения газа в двух- и четырехсопловом двигателях при различных длинах ПО; 3) получено критериальное соотношение для числа Нуссельта в центральной точки торможения на сопловом дне всех рассмотренных ТРДУ:

Nu = 5,5 Re 0, 43 Pr 0,31.

Исследование влияния величины начальной турбулентности потока газа на теплообмен в ПО показало, что относительное число Нуссельта, определенное в центре соплового дна, практически равно единице. Аппроксимационная зависимость имеет вид: Nu / Nu Tu =0 = 0,9488 + 0,0306 ln (Tu ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам работы можно сделать следующие выводы и привести результаты:

Выявлен механизм возникновения парных вихревых структур в канальнощелевом и звездообразном зарядах, их трансформация в ПО в зависимости от коэффициента соотношения расходов K g через щелевой компенсатор (надсопловой зазор) и канал.

Получены критериальные соотношения для определения числа Нуссельта:

в центральной критической точке на сопловом дне крупногабаритного РДТТ с в особых точках на входной поверхности утопленного сопла при его радиальном смещении: Nu = 1,233 Re 0,849 Pr 0, 2, при = 0,5, 3 10 5 Re 5,5 10 5, 0,33 K g 1 и в особой точке на поверхности бронированного торца заряда звездообразной формы РДТТ с утопленным соплом при его радиальном смещении:

в особой точке на поверхности утопленного сопла в области минимального надсоплового зазора от числа Рейнольдса и коэффициента K g : Nu = 0,1 Re0, 2 K g 0,15, в центральной точке торможения на сопловом днище многосоплового ТРДУ с зарядом торцевого горения: Nu = 5,5 Re 0, 43 Pr 0,31 ;

в центральной точке торможения на сопловом днище многосоплового ТРДУ с торцевым зарядом в зависимости от углового положения газоходов:

Nu = 1,5443 2 149,45 + 4626,2.

Получена зависимость коэффициента гидродинамических потерь:

от величины коэффициента K g и числа Рейнольдса для многосоплового двигателя с канально-щелевым зарядом: = 7,455 K g,334 Re 0,112 при 5,3 10 4 Re 2,3 10 5 и для многосопловых ТРДУ с зарядом торцевого горения от:

относительного радиуса кривизны соплового дна: = exp(- 0,0026 R ) ;

Создана, апробирована и верифицирована методика численного моделирования внутренней газодинамики и теплообмена в предсопловом объеме крупногабаритных РДТТ с зарядами сложной формы, многосопловым днищем, утопленным соплом при его радиальном смещении, с использованием которой получена пространственная структура турбулентного потока продуктов сгорания в камере различной геометрии и компоновки. Выявлен ряд газодинамических особенностей структуры потока. Показано, что характер образования на поверхности соплового дна «особых» точек (количество, тип, особенности теплообмена) зависит как от газодинамических, так и от конструктивных параметров двигателя.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ

РАБОТЫ

1. Бендерский Б.Я., Чернова А.А. Моделирование высокотемпературных внутрикамерных процессов в многосопловых энергетических установках // Химическая физика и мезоскопия. 2010. Т.12, №3. С. 301 – 306.

2. Бендерский Б.Я, Саушин П.Н., Чернова А.А. Пространственная газовая динамика в узлах энергетических установок летательных аппаратов // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2011, №1. С. 8 – 11.

3. Бендерский Б.Я, Саушин П.Н., Чернова А.А. Моделирование внутрикамерных процессов в многосопловых энергетических установках // Общероссийский научно-технический журнал «Полет». 2011, №1. С. 31 – 34.

4. Бендерский Б.Я., Чернова А.А. Влияние конструктивных особенностей камеры сгорания на распределение газодинамических параметров в энергетической установке // Тез. докл. ХХI Всеросс. семинара «Струйные, отрывные и нестационарные течения». Новосибирск : Параллель. 2007. С. 30-31.

5. Чернова А.А. Теплообмен в предсопловом объеме камеры сгорания ракетного двигателя с торцевым зарядом // Сб. тр. Шестой Всеросс. конф. «Внутрикамерные процессы и горения в установках на твердом топливе и в ствольных системах»

(ICOC-2008). Ижевск : ИПМ УрО РАН. 2008. С. 136 - 140.

6. Бендерский Б.Я., Чернова А.А. Верификация программного комплекса Ansys CFX 11 на примере задач газодинамики энергетических установок летательных аппаратов // ХХII Всеросс. семинара «Струйные, отрывные и нестационарные течения». СПб. : ИПЦ. 2010. С. 26- 7. Benderskiy B.Y., Chernova A.A. Numerical modelling of internal processes in multi-nozzle power system // Inter. Conf. the Methods of Aerophysical Research: Abstr.

Pt. I Ied. V.M. Fomin. Novosibirsk : Parallel. 2010. Р. 45-46.

8. Benderskiy B.Y., Chernova A.A. Numerical modelling of internal processes in multi-nozzle power system // Inter. Conf. the Methods of Aerophysical Research: Proc. Pt.

I Ied. V.M. Fomin. Novosibirsk : Parallel. 2010. Р. 82-86.

9. Сараева А.А. (Чернова А.А.) Исследование влияния геометрии соплового дна ракетного двигателя с торцевым зарядом на газодинамику предсоплового объема // Материалы ХХХIV Уральского семинара по механике и процессам управления «Механика и процессы управления». Екатеринбург : УрО РАН. 2004. С. 97.

10. Сараева А.А. (Чернова А.А.) Исследование влияния кривизны соплового дна ракетного двигателя с торцевым зарядом на газодинамику предсоплового объема // Материалы Всеросс. нпк «Вторые Уткинские чтения». СПб. : ИПЦ, БГТУ. 2005.

С. 107-108.

11. Чернова А.А. Влияние кривизны соплового дна ракетного двигателя с торцевым зарядом на газодинамику предсоплового объема // Научные труды Междунар. молод. нк «ХХХII Гагаринские чтения». М. : МАТИ. 2006. Т.8. С. 220-222.

12. Чернова А.А. Влияния геометрии соплового дна ракетного двигателя с торцевым зарядом на газодинамику предсоплового объема // Материалы V Шк.семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН Алемасова В.Е. Казань : КазНЦ. 2006. С. 21-22.

13. Саушин П.Н., Чернова А.А. Исследование газодинамических процессов в предсопловом объеме и соплах ракетного твердотопливного двигателя // Материалы Х Междунар. нк, посв. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева. Красноярск : СибГАУ. 2006. С. 80.

14. Саушин П.Н., Чернова А.А. Исследование влияния конструктивных параметров камеры сгорания на газодинамические процессы в РДТТ // Научные труды Междунар. молод. конф. «XXXIII Гагаринские чтения». М. : МАТИ. 2007. Т.8.

С. 49-50.

15. Саушин П.Н., Чернова А.А. Газодинамика предсоплового объема и сопел РДТТ // Материалы Общеросс. нтк «Третьи Уткинские чтения». СПб. : ИПЦ, БГТУ.

2007. Т.1. С. 119-121.

16. Бендерский Б.Я., Чернова А.А. Численное моделирование газодинамических процессов в камере сгорания ракетного двигателя // Тез. докл. конф. молодых ученых «Численные методы в математике и механике». Ижевск : ИПМ УрО РАН. 2007.

С. 40-43.

17. Чернова А.А. Моделирование газодинамических и теплофизических процессов в камере сгорания и газоходах РДТТ // Материалы VI Шк.-семинара молодых ученых и специалистов академика РАН Алемасова В.Е. Казань : КазНЦ. 2008.

С. 293-294.

18. Черепов В.И., Бендерский Б.Я., Чернова А.А. Физическое моделирование внутрикамерных процессов в регулируемом двигателе на холодном воздухе // Материалы Всеросс. нтк Ракетно-космические двигательные установки. М. : МГТУ им.

Н.Э. Баумана. 2008. С. 35-36.

19. Бендерский Б.Я., Саушин П.Н., Чернова А.А. Газодинамика и теплообмен предсоплового объема камеры сгорания и сопел РДТТ // Сб. докл. VII Конференции молодых ученых «КоМУ-2008». Ижевск : ФТИ УрО РАН. 2008. С. 66-67.

20. Чернова А.А. Моделирование внутрикамерных процессов в энергоустановках с использованием программного комплекса ANSYS CFX 11 // Тез. VI Междунар.

конф. «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве».

Тирасполь : Приднестровский университет. 2009. С. 65.

21. Чернова А.А. Газодинамика и теплообмен в камере сгорания РДТТ // Научные труды Междунар. молод. нк «XXXIII Гагаринские чтения». М. : МАТИ. 2009.

Т.8. С. 185-186.

22. Чернова А.А. Пространственная газодинамика в предсопловом объеме многосоплового ракетного двигателя // Матер. докл. V Всеросс.й нтк «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АнТЭ-2009». Казань : КазНЦ. 2009. С. 401-405.

23. Саушин П.Н., Чернова А.А., Шаклеин А.А. Моделирование газодинамических процессов и теплообмена в энергоустановках с использованием программного комплекса Ansys CFX 11 // Тез. докл. 8 Междунар. конф. Авиация и космонавтика 2009. М. : МАИ-Принт. 2009. С. 175-176.

24. Чернова А.А. Теплообмен в предсопловом объеме камеры сгорания РДТТ // Матер. Всеросс. молод. нк «Мавлютовские чтения-2009». Уфа : УГАТУ. 2009.

С.11-12.

Чернова А.А. Процессы динамики газа в многосопловых энергетических установках. Эксперимент и расчет // Научные труды Междунар. молод. нк «XXXVI Гагаринские чтения». М.: МАТИ. 2010. Т.8. С. 200-202.