Диссертация (Моделирование пространственных течений в газовых трактах с использованием адаптивных сеток), страница 12

Результатыизмерения давлений для эксперимента №2 представлены на графике 4.10.94Рисунок 4.10 - Результаты измерения давлений в эксперименте №2.Аналогичные результаты для эксперимента №3 приведены на рисунке№.4.11. Излом и не монотонность зависимостей давления всех трёх датчиковв камере ВЗУ связана с возникшим перепадом давления перед сверхзвуковымсоплом.95Рисунок 4.11 - Результаты измерения давлений в эксперименте №2.4.1.2. Численное моделированиеЧисленное моделирование проводилось с целью получения параметровтечения в канале ВЗУ для маршевого режима, а так же определениедопустимого диапазона работы воздухозаборного устройства и полученияхарактеристик воздухозаборного устройства в этом диапазоне.МоделированиеосновногорежимаработыВЗУпроизводитсярешением системы уравнений Эйлера для идеального газа с переменнымпоказателемадиабатывосесимметричномприближении.Эффектдросселирования моделируется изменением геометрии сопловой частивплоть до образования выбитой ударной волны.

После каждого изменениягеометриисоплапроизводитсярасчётдоустановлениятеченияспоследующим разрешением образующихся ударных волн от конусовцентрального тела и отражённых скачков в области горла ВЗУ.96Поле числа Маха и его изолинии в области горла ВЗУ представлено нарисунке 4.12.Рисунок 4.12 – поле чисел М.Распределение статической температуры и показателя адиабаты вдольповерхности конуса представлены на графике ниже.

В серии скачковуплотнения, возникающих на конусах центрального тела, происходитзначительное изменение показателя адиабаты. При этом нельзя разбитьрасчётную область на блоки с фиксированными параметрами среды, так как всвязи со сложной конфигурацией канала встречаются области с течениемПрандтля-Майера, в которых изменение показателя адиабаты происходит нескачкообразно, а плавно.97Рисунок 4.13- Распределения давления и числа М вдоль стенки.Для площади сопла, при которой наблюдается максимальныйкоэффийциент восстановления полного давления при маршевом режиме,была проведёна серия расчётов для получения минимального числа Маханабегающего потока М, при котором наблюдается устойчивая работа ВЗУ.Рисунок 4.14 – Зависимость коэффициентов восстановления полногодавления и расхода от числа М набегающего потока.Для всего диапазона работы ВЗУ были построены зависимостикоэффициента восстанвления полного давления и коэффициента расхода.Изменение знака второй производной кривой коэффициента расхода связанас тем, что при числе М=3.5 перед ВЗУ образовалась выбитая ударная волна,однако в последующей зоне течение ускорилось до сверхзвукового и в горле98воздухозаборника образовалась сверхзвуковая область.

Т.е. несмотря на то,что воздухозаборник запустился и образовалось стационарное течение онработал в нештатном режиме. Картина изолиний Маха этого теченияпредставлена на рисунке ниже.Рисунок 4.15 – Образование выбитой ударной волны.4.1.3. Сравнение результатовСравнение результатов экспериментов и расчётов проводилось длярасчётногорежимаработыдиффузора.Сравниваласьзависимостькоэффициента восстановления полного давления в камере при различныхдиаметрахкритическогосечениясопла.Вэкспериментеплощадькритического сечения сопла определялась положением дросселя, а причисленном моделировании была проведена серия расчётов для геометрий сразными соплами.

Результаты сравнения приведены на графике ниже.99Рисунок 4.16 – Зависимость коэффициента восстановления давления отрадиуса критического сечения.Результаты расчёта с достаточной точностью предсказывают какмаксимально возможный коэффициент восстановления полного давления дляданного ВЗУ, то есть момента выхода ударной волны из горла ВЗУ, так и егозависимость от площади критического сечения сопла.4.2.Моделирование течения в комбинированном ВЗУЦельюработыявлялосьчисленноеопределениехарактеристиккомбинированного воздухозаборного устройства (ВЗУ) при числах Маханабегающего потока в диапазоне М= 4 - 6.

Под работой ВЗУ понимается егофункционирование без выбитой ударной волны перед входом.Общий вид комбинированного ВЗУ представлен ниже. ИсследуемоеВЗУ, состоит из центрального тела, обечайки, пилонов и внутренней трубы.Носовая часть центрального тела образует ступенчатый конус торможения,центральная часть образует внутреннюю поверхность сверхзвукового идозвукового трактов ВЗУ, в которых происходит торможение потока накосых скачках уплотнения. Пилоны, соединяющие центральное тело и100обечайку, образуют внешний и внутренний тракты.

Во внешнем трактепроисходит замедление потока на серии косых скачков уплотнения отконусов центрального тела и обечайки до некоторой сверхзвуковой скорости.Во внутреннем тракте в области центрального тела происходит торможениепотока до дозвуковой скорости. Сверхзвуковой тракт ВЗУ имеет слегкарасширяющуюся форму, дозвуковой тракт состоит из цилиндрической части,обеспечивающей выравнивание параметров перед соплом, и сверхзвуковымсоплом для организации критического сечения на выходе из модели.Рисунок 4.17 – Разрез комбинированного ВЗУ.Расчёт производился в два этапа.

На первом этапе были построенымоделидозвуковогоисверхзвуковоготрактовэквивалентныхосесимметричных ВЗУ, представленных на рисунке ниже, для которых былапроведена серия расчётов. На основании этих расчётов исходная геометриябыла скорректирована для работы обоих трактов ВЗУ в широком диапазонескоростей. Так же для дозвукового ВЗУ, аналогично пункту 4.1.2, былаопределенагеометриясопловогоблока,прикоторомреализуетсянаибольший коэффициент восстановления полного давления в камере.101Рисунок 4.18 – Схема сверх- и дозвуковых трактов комбинированного ВЗУ.Распределение числа Маха для расчётного режима работы дозвуковоготракта ВЗУ представлено на рисунке ниже. Косые скачки уплотнения отконусов центрального тела при таком режиме приходят на обечайку. Вдольтракта статическая температура потока повышается до 2020 К, а показательадиабаты падает до 1.3.Рисунок 4.19 – Распределение числа М в дозвуковом тракте.102Распределение числа Маха в сверхзвуковом тракте ВЗУ для расчётногорежима работы представлено ниже.

В сверхзвуковом тракте происходитнезначительноеизменениестатическойтемпературыдо600К.Соответствующее изменение показателя адиабаты воздуха в интервале 1.381.4позволяетиспользоватьтермодинамическуюмодельвоздухаспостоянным показателем адиабаты.Рисунок 4.20 – Распределение числа М в сверхвуковом тракте.Дляполучившихсягеометрийбылипостроенызависимостикоэффициентов восстановления полного давления и расхода во всёмдиапазоне работы ВЗУ. Значения расходов через соответствующие сеченияВЗУ, полные давления в невозмущённом потоке и в трактах ВЗУпредставлены в таблицах №№ для сверхзвукового и дозвукового трактовсоответственно.

Соответствующие этим таблицам графики зависимостейкоэффициента восстановления полного давления и расхода приведены награфиках №4.21.M44.555.566.5G1, кг/с8.039.0310.0411.0312.0413.1G2, кг/с4.996.768.7210.3311.8813.1P0, Па3886987409001354469238178040419276641275P01, Па21820038390063280093960013080001626100103φ0.621420.7486160.8685260.9365370.9867111σ0.5613610.5181540.4671940.3944950.3236080.244848Рисунок 4.21.Диапазон работы ВЗУ при данной геометрии ограничен снизу и сверхудозвуковым трактом. Максимальное число М полёта – 6, минимальное – 4.5.M4.555.56G1, кг/с9.03210.0411.0412.04G2, кг/с6.678.511.0411.69P0, Па740900.5135447023817824041928P01, Па200000280000400000450000Рисунок 4.22.104φ0.7384850.8466140.9239130.97093σ0.2699420.2067230.1679410.111333Запирание ВЗУ происходит из-за того, что при данном давлении вкамере перед соплом дозвукового тракта ВЗУ расход газа через это сопломеньше расхода, приходящего в камеру через горло.

В результатепроисходит повышение давления в камере из-за чего замыкающий прямойскачок выходит из горла воздухозаборного устройства и преобразуется ввыбитую ударную волну.Расходгаза,проходящийчерезгорлоВЗУопределяетсяисключительно положением ударных волн от центрального тела. Расходчерез сопло может быть вычислен из формулы:Gmp 0 Fy  T0,где:m - константа, зависящая от типа газа (для воздуха примерно 0,04),p 0 - давление торможения в камере;F – критическая площадь сечения сопла;T0 - температура торможения.1 k  1  k 1y   k2 1   1 2k 1Для запуска при меньших числах М полёта при данной конфигурацииВЗУпредлагаетсяиспользоватьперепусквоздуха,схематическоеизображение одного из вариантов которого приведено на рисунке ниже. Засчёт перемещения профилированного кольцевого конуса в области горладиффузора открывается ряд каналов, воздуха по которым из-за большегодавления в области горла выходит наружу. Затем посредством того же105профилированногокольцаотверстияперекрываютсяидиффузорфункционирует в обычном режиме.FmРисунок 4.23- схема «перепуска».Расчёт течения в ВЗУ на расчётном режиме полёта М=6 проводился впредположении пространственного течения невязкого газа, подчиняющегосясистеме уравнений Эйлера.

Расчёт производился на неструктурированнойсетке, состоящей из 1.5 10 7 тетраэдров, построенной с использованиемпрограммы netgen [51]. Моделирование производилось TVD модификациейметода Годунова, второго порядка по пространству и по времени.Результаты расчёта для полей чисел Маха и статических температур всечениях, проходящих через ось симметрии центрального тела длядозвуковогоКоэффициентисверхзвуковогорасходасоставилтрактов0.97,представленыкоэффициентынарисунках.восстановлениядавления – 0.1 и 0.3 для дозвукового и сверхзвукового трактовсоостветственно.106Рисунок 4.24 – Распределение числа М и статической температуры вдозвуковом тракте.107Рисунок 4.25 – Распределение числа М и статической температуры всверхзвуковом тракте.4.3.Определение характеристик ВЗУ при полёте под углом атакиДлямоделипрямоточноговоздушно-реактивногодвигателя,рассчитанного на число Маха полёта М=6, была проведена серияпараметрических расчётов для определения зависимости интегральныхпараметров от угла атаки аппарата, а так же допустимый максимальный уголатаки при котором возможна работа ВЗУ.Расчётпроизводилсятеплофизическимивпараметрами,предположенииявляющимисяидеальногофункциейгазастолькотемпературы.