Автореферат (Численное моделирование фтороводородных химических лазеров непрерывного и импульсно-периодического действия с интенсификацией процессов смешения реагентов в зоне генерации)

На правах рукописиУДК 544.531Гуров Леонид ВалерьевичЧисленное моделирование фтороводородных химических лазеровнепрерывного и импульсно-периодического действияс интенсификацией процессов смешения реагентов в зоне генерацииСпециальность 01.02.05«Механика жидкости, газа и плазмы»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре «Энергофизические системы» факультета«Комета» Федерального государственного бюджетного образовательногоучреждения высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»Научный руководитель:академик РАН, доктор технических наук,профессорКаторгин Борис ИвановичОфициальные оппоненты:Бирюков Александр Сергеевич,доктор физико-математических наук,профессор, заведующий теоретическимсектором НЦВО РАНКиселёв Александр Сергеевич,кандидат физико-математических наук,главный специалист ОАО «НПО Энергомашимени академика В.П.

Глушко»Ведущая организация:федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Балтийскийгосударственный технический университет«ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова»Защита диссертации состоится « 4 » октября 2013 года в 10 ч. 00 мин.на заседании Диссертационного совета Д 212.125.14 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальныйисследовательский университет)» (МАИ) по адресу: 125993, г.

Москва, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ по адресу:125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4.Автореферат разослан “__” ________ 2013 г.Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 125993,г. Москва, Волоколамское шоссе, д.

4, Учёный совет МАИУченый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.14,кандидат физико-математических наук,старший научный сотрудникГидаспов В.Ю.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияВ настоящее время в мире продолжаются активные работы по совершенствованию технологии создания автономных химических лазеров на молекулах HF и DF сгенерацией в непрерывном, а также в импульсно-периодическом режиме (ИПР). Существуют проекты по созданию энергетических установок космического базированияна основе непрерывного химического лазера на молекулах HF (HF-НХЛ), который, посравнению с DF-НХЛ, обладает более высокими удельными энергетическими характеристиками. Известны упоминания о проектах по созданию установок самолетного,наземного и морского базирования на основе DF-НХЛ (λDF~3.7…4.05 мкм), излучениекоторого по сравнению с HF-НХЛ (λHF~2.6…3.1 мкм), хорошо проходит через атмосферу.

Возможность переключения в ИПР при использовании данных лазеров, когдапри некотором снижении средней мощности могут быть получены сверхвысокиемощности в импульсе, превышающие более чем на порядок соответствующие значения, достигнутые в непрерывном режиме генерации, также представляет отдельныйинтерес как для научных исследований, так и для практических применений (например, экологического мониторинга приземной атмосферы).Известно, что при создании вышеуказанных лазеров существует потенциальнаявозможность повышения их энергетических параметров, в частности их удельногоэнергосъёма (мощности излучения, отнесенной к суммарному массовому расходу рабочих компонентов), посредством оптимизации схемы смешения сверхзвуковых потоков реагентов (окислителя, содержащего атомы F, и вторичного горючего, содержащего молекулы H2 или D2), которые, вступая в химическую реакцию, образуют активную среду.

Результаты теоретических исследований, проведённых в данном направлении, позволили обозначить два основных способа повышения удельного энергосъёма, первый из которых заключается в уменьшении шага смешения сверхзвуковых потоков реагентов, а второй предполагает подачу данных реагентов при пониженном давлении (массовом расходе).На примере сопловой решетки щелевой конфигурации, традиционно используемой во фтороводородных химических лазерах для подачи окислителя и вторичного горючего, практическая реализация указанных способов представляется сложной ипротиворечивой задачей.

Так, уменьшение шага сопел, определяющего шаг смешенияв сопловой решётке данной конфигурации, приводит к нарастанию технологическихсложностей изготовления щелевых сопел, когда намного усложняется решение задачинадежного и равномерного охлаждения конструкции сопловой решетки при условииобеспечения ее прочности и жесткости.

В свою очередь, подача реагентов при пониженном давлении будет сопровождаться формированием в соплах достаточно толстых пограничных слоев (из-за малых значений числа Рейнольдса в критическом сечении сопел, не превышающих 1000), в которых эффективно протекает рекомбинация3атомов фтора. Результаты исследований показывают, что наиболее эффективная генерация излучения при использовании сопловой решётки щелевой конфигурации наблюдается в случае, когда шаг сопел равен 6-7 мм, а средний уровень давления насрезе сопел составляет около 5 Тор.Для DF-НХЛ самолетного, наземного и морского базирования, где, помимодостижения высоких удельных энергетических характеристик, требуется обеспечитьвыхлоп отработанных газов в окружающую атмосферу, предпочтительным являетсясмешение реагентов при повышенном давлении (более 5 Тор) на срезе сопловой решётки.

Снизить падение удельного энергосъёма, которое в подобном случае неизбежно [1], позволяет решение вопроса о возможности уменьшения шага смешения реагентов.В случае HF-НХЛ космического базирования давление на срезе сопловой решётки может быть достаточно малым (менее 5 Тор), поскольку проблема обеспечениявыхлопа отработанных газов в окружающее пространство здесь отсутствует. Учитывая ограниченный запас топлива, привлекательным для данного лазера является организация смешения реагентов при пониженном давлении, когда плотность массовогорасхода (массовый расход, отнесенный к площади среза сопловой решётки) такжепринимает малые значения.Очевидно, что, с учётом отмеченных недостатков щелевых сопел, использование в подобных лазерах сопловой решётки щелевой конфигурации не является оптимальным.

Более перспективным представляется использование специальных сопловых решёток, геометрические особенности которых способствуют интенсификациипроцессов смешения реагентов, что выражается в увеличении поверхности контактаистекающих струй окислителя и вторичного горючего. К подобному классу относятсярассматриваемые в настоящей работе сопловые решётки с зубчатыми соплами [2], атакже сопла HYLTE (HYpersonic Low TEmperature nozzle) [3].Изначально разработанные для использования в HF-НХЛ космического базирования сопла HYLTE примечательны наличием широкой донной области, способствующей дальнейшему расширению потоков за срезом сопел до ещё более низких давлений.

Отсюда, в свою очередь, создается предпосылка к получению эффективнойгенерации излучения на обертонных переходах молекулы HF ( от~ 1.25…1.45 мкм),HFкоторая априори требует понижения давления в активной среде. В подобном лазере засчёт двукратного уменьшения длины волны генерируемого излучения вдвое снижается дифракционный предел расходимости излучения (~λ), что приводит к увеличениюяркости в дальней зоне в 4 раза (~λ-2).Важным этапом, предшествующим внедрение указанных сопловых решёток вконструкцию НХЛ для реализации натурных экспериментов, является проведениечисленных экспериментов, направленных на оптимизацию геометрических параметров сопел, а также газодинамических параметров подаваемых реагентов для получения более высоких удельных энергетических характеристик лазерного излучения при4сохранении высокого оптического качества активной среды. К настоящему времени,несмотря на интенсивное развитие вычислительной техники, в мировой литературеотсутствуют какие-либо свидетельства о проведении численных расчётов энергетических характеристик фтороводородных НХЛ с сопловыми решётками, реализующимиинтенсификацию процессов смешения, когда для адекватного описания течения в соплах и активной среде необходимо использование трехмерных расчётных моделей.По всей видимости, это связано с широкой популярностью двухмерных расчётныхмоделей для решения аналогичных задач, однако использование подобных моделейоправдано лишь в случае рассмотрения НХЛ с щелевой сопловой решёткой.

Достаточно ограниченные данные о результатах экспериментов, в которых рассматривались зубчатые сопла и сопла HYLTE для формирования активной среды, подчеркивают необходимость проведения численного моделирования, которое позволяет нетолько оценить интегральные энергетические параметры, но и также получить детальное представление о характере распределения интенсивности формируемого излучения вдоль по потоку активной среды.Целью работы является теоретическое исследование удельных энергетическихпараметров автономных фтороводородных непрерывных и импульсно-периодическиххимических лазеров, в которых для формирования активной среды используются перспективные сопловые решётки, способствующие интенсификации процессов смешения потоков окислителя и вторичного горючего.Объектом исследования являются автономные непрерывные химические HFи DF-лазеры с различными конфигурациями сопловой решётки (щелевой, зубчатой,HYLTE), работающие на различных топливных композициях и генерирующие излучение в непрерывном, а также в импульсно-периодическом режиме.Предметом исследования являются физико-химические процессы, происходящие в составных частях НХЛ, начиная от камеры сгорания до входа в диффузор;методы математического моделирования этих процессов; сравнительные энергетические характеристики, полученные для HF- и DF-НХЛ с традиционной щелевой сопловой решёткой и с сопловыми решётками перспективных конфигураций, обеспечивающими интенсификацию процессов смешения потоков окислителя и вторичногогорючего.Методом исследования является численный эксперимент, проводимый посредством совокупности расчётных программ на основе стандартных и разработанных соискателем численных моделей, позволяющих в трехмерной постановке описатьфизико-химические процессы в соплах и активной среде HF- и DF-НХЛ.5Научная новизна исследования1.