Автореферат (Моделирование пространственных течений в газовых трактах с использованием адаптивных сеток), страница 4

Расчётная картина течения, поле числа Маха.Сравнениерезультатовэкспериментов и расчётов проводилосьдлярасчётногорежимаработыдиффузора. Сравнивалась зависимостькоэффициента восстановления полногодавления в камере при различныхдиаметрах критического сечения сопла.В эксперименте площадь критическогосечениясоплаопределяласьположением дросселя, а при численноммоделировании была проведена сериярасчётов для геометрий с разнымисоплами.Сравнениеполученныхрезультатов приведено на рисунке 8 иРисунок 8. Зависимость коэффициентапоказывает, то расчёт с достаточнойвосстановления давления от радиусаточностьюпредсказываюткаккритического сечения.максимально возможный коэффициентвосстановления полного давления для данного ВЗУ, то есть момента выхода ударнойволны из горла ВЗУ, так и его зависимость от площади критического сечения соплаПриводятся результаты оптимизации геометрии и определение характеристиккомбинированного воздухозаборного устройства, схема которого представлена на рисунке9.

Исследуемое ВЗУ, состоит из центрального тела, обечайки, пилонов и внутреннейтрубы. Носовая часть центрального тела образует ступенчатый конус торможения,центральная часть образует внутреннюю поверхность сверхзвукового и дозвуковоготрактов ВЗУ, в которых происходит торможение потока на косых скачках уплотнения.Пилоны, соединяющие центральное тело и обечайку, образуют внешний и внутреннийтракты. Во внешнем тракте происходит замедление потока на серии косых скачковуплотнения от конусов центрального тела и обечайки до некоторой сверхзвуковойскорости. Во внутреннем тракте в области центрального тела происходит торможениепотока до дозвуковой скорости. Сверхзвуковой тракт ВЗУ имеет слегка расширяющуюсяформу, дозвуковой тракт состоит из цилиндрической части, обеспечивающейвыравнивание параметров перед соплом, и сверхзвукового сопла для организациикритического сечения на выходе из модели.16Рисунок 9.

Разрез комбинированного ВЗУ.Расчёт производился в два этапа. На первом этапе были построены моделидозвукового и сверхзвукового трактов эквивалентных осесимметричных ВЗУ, длякоторых была проведена серия расчётов. На основании этих расчётов исходная геометриябыла скорректирована для работы обоих трактов ВЗУ в широком диапазоне скоростей безобразования отрывных зон и с максимальным коэффициентом восстановления давленияна маршевом режиме. Результаты расчёта зависимостей коэффициента восстановлениядавления и коэффициента расхода в дозвуковом и сверхзвуковом трактах приведены нарисунке 10.а)б)Рисунок 10.

Зависимости коэффициентов расхода и восстановления давления отчисла Маха для а) – дозвукового тракта, б) – сверхзвукового тракта.Проведенасериятрёхмерныхпараметрическихрасчётовдляопределениязависимостиинтегральныхпараметров от угла атаки, а так жедопустимого максимального углаатаки, при котором возможнаработа ВЗУ. Расчёты показала, чтонормальнаяработаВЗУобеспечивается при углах атакиα=[0º, 9º]. При α=9º появляетсяРисунок 11. Зависимости коэффициентов расходаи восстановления давления от угла атаки.17небольшая дозвуковая зона в верхней части горла, а при α=10º образовывается выбитаяударная волна.

Стоит отметить, что при угле атаки 8º исчезает ударная волна от первогоконуса центрального тела, имеющего угол полураствора 7.7 градусов. Таким образом,падение эффективности воздухозаборного устройства, связанное с исчезновением первойударной волны, усугубляется возрастающим сопротивлением самого воздухозаборногоустройства.Для проведения наземных испытаний перспективного кислородно-водородногодвигателя была спроектирована газодинамическая труба, которая должна обеспечиватьбезотрывный режим течения продуктов сгорания в сопле при давлении в камере 60-66бар.

Испытания проводились для моделей двигателя с соплом, содержащим толькорегенеративную часть (короткий вариант) и с полным соплом, содержащим какрегенеративную, так и радиационно охлаждаемые части. При испытаниях полного соплана выходе из ГДТ создавалось дополнительное разрежение посредством использованиягазового эжектора. В случае короткого варианта сопла давление, создаваемое вбарокамере только за счёт эжектирующего эффекта продуктов сгорания, меньше давленияна кромке сопла, т.е.

безотрывный режим течения может быть достигнут безиспользования дополнительного эжектора.Расчёт работы ГДТ проводился на неструктурированной сетке со сгущением ячеекв областях критического сечения сопла, соединения сопла и барокамеры и вдоль стенкисопла. Моделирование производилось в предположении осесимметричного течения ирабочего тела, подчиняющегося уравнению состояния идеального газа с заданноймолярной массой и зависимостью показателя адиабаты от температуры. Расчётыпроводились с целью определения параметров в ГДТ при установившемся режиметечения, а так же определения параметров запуска и остановки ГДТ и процессов,протекающих в них. Для определения параметров при установившемся режиме течениязадавались постоянные параметры в камере сгорания, соответствующие основномурежиму работы двигателя и равные P0=6.2МПа, T0=3596К.Рисунок 13 – Распределение числа Маха в газовой трубе (невязкое течение)Расчёты проводились для невязкого и вязкого течений газа.

Несмотря на схожиепараметры запуска и остановки ГДТ, картины течений (рис.13, рис.14), получившиеся приданных расчётах, имеют существенные различия. При невязком расчёте во время запускатечение газа происходит преимущественно по периферийной области сопла (вблизистенки), при запуске выхлопного тракта наблюдается картина течения, состоящая из ярковыраженных косых скачков уплотнения и замыкающей ударной волны.Рисунок 14 – Распределение числа Маха в газовой трубе (вязкое течение)Расчёт запуска и остановки ГДТ сравнивался с результатами, полученными прииспытаниях модельного двигателя.

В проведённых экспериментах производился запуск18двигателя с быстрым увеличением давления в его камере сгорания, работа настационарном режиме и плавное уменьшение давление в камере сгорания двигателя. Принекотором давлении происходит отрыв течения в сопле, в этот момент двигательотключается и эксперимент прекращается. Моделирование проводилось с моментазапуска двигателя до момента возникновения неавтомодельности течения в сопле.При расчётах было получено, что автомодельное течение в сопле образуется придавлении в камере сгорания в 5.4 МПа, срыв потока происходит при давлении в 2.9 МПа,что с хорошей точностью согласуется с экспериментальными данными.Основные результаты работы1. Разработаны и реализованы алгоритмы для построения триангуляции Делоне сограничениями для расчётной области, заданной криволинейными границами.Разработаны и реализованы алгоритмы увеличения и уменьшения разрешающейспособности триангуляции.

Разработаны алгоритмы адаптации расчётной сетки кособенностям течения.2. Разработан метод расчёта пространственных высокоскоростных течений вязкогои невязкого газа с переменной теплоёмкостью, основанный на TVD-модификации методаГодунова.3. Разработан программный комплекс для численного моделирования вязких иневязких течений газа с изменяющимися теплофизическими параметрами и проведена еговерификация.4. Проведены экспериментальные исследования нестационарных процессов ввысокоскоростном воздухозаборном устройстве в широком диапазоне входныхпараметров.

Выполнено сравнение с результатами численного моделирования.5. На основании численных расчётов проведена оптимизация характеристиквысокоскоростных воздухозаборных устройств при работе на различных режимах и приразличных углах атаки.6. Выполнено численное моделирование нестационарных процессов вгазодинамических трубах, разработанных для испытаний перспективного кислородводородного двигателя с соплом, включающим только регенеративную часть, и с соплом,включающим регенеративную и радиационно-охлаждаемую части.

Получены величиныдавлений перехода в автомодельный режим работы и срыва течения в газодинамическойтрубе при различных циклограммах работы.19Список публикаций соискателя по теме диссертацииI. Научные труды, опубликованные в ведущих рецензируемых научных изданиях,рекомендованных ВАК Минобрнауки России (2):1. А.С. Рощин, А.В. Ананьев, Д.М. Борисов, И.В. Лаптев «Моделированиеэффективности процессов горения топлива в до- и сверхзвуковых потоках в каналахэнергоустановок сложной формы» Журнал «Известия РАН. Энергетика», № 4, 2012 г., с.117-125.2.

Рощин А.С., Ананьев А.В., Борисов Д.М. «Влияние учёта термодинамикиреального газа на решение задачи Римана при высоких температурах» Журнал «ВестникМосковского авиационного института», 2014,т.21, №4.II. Другие научные труды, опубликованные по теме диссертации (4):1.

Рощин А.С., Миронов В.В. «Применение метода Годунова для расчёта задачгазодинамики на неструктурированных сетках» XVII Международная конференция поВычислительной механике и современным прикладным программным системам, 2011г.2. Рощин А.С. «Моделирование физико-химических процессов в прямоточномдвигателе» Труды 53-й научной конференции МФТИ. 2011 г.3. Рощин А.С. «Исследование эффективности гиперзвукового прямоточноговоздушно-реактивного двигателя в одномерном приближении» Труды 52-й научнойконференции МФТИ. 2010 г.4. Рощин А.С.

«Определение газодинамическим способом параметров впрямоточном двигателе со сверхзвуковым горением» Труды 51-й научной конференцииМФТИ. 2009 г.20.