Диссертация (Моделирование пространственных течений в газовых трактах с использованием адаптивных сеток), страница 13

Параметры набегающего потока соответствовали параметрамвоздуха на высоте h=20000м (T = 220K, P=1200Па), скорость потокасоответствует числу маха М=6.108Расчётная геометрия проточного тракта представлена на рисунке ниже.Рисунок 4.26 – общая схема сверхзвукового ВЗУ.В ходе двумерных расчётов, как было описано в прошлой главе, былаполучена необходимая площадь критического сечения выходного сопла,обеспечивающая работу ВЗУ в требуемом диапазоне работы.

Для даннойфиксированной геометрии были проведены расчёты для углов атаки вдиапазоне α=[0,10].Расчёты показала, что нормальная работа ВЗУ обеспечивается приуглах атаки α=[0,9]. При α=9 появляется небольшая дозвуковая зона вверхней части горла, а при α=10 образовывается выбитая ударная волна.Картины числа Маха в сечении, проходящем через ось симметрии,представлены на рисунке.Рисунок 4.27 – Картины чисел М при полёте на маршевом режиме с угламиатаки 0(сверху) и 6(снизу) градусов.109Стоит отметить, что при угле атаки 8 градусов частично исчезаетударная волна от первого конуса центрального тела, имеющего уголполураствора7.7градусов.Такимобразомпадениеэффективностивоздухозаборного устройства, связанное с исчезновением первой ударнойволны,усугубляетсявозрастающимсопротивлениемсамоговоздухозаборного устройства.Зависимости коэффициента восстановления полного давления икоэффициента расхода от угла атаки приведены на графике 4.28.Рисунок 4.28 - Зависимости коэффициента восстановления полного давленияи коэффициента расхода от угла атаки.4.4.

Моделирование запуска выхлопного тракта для модели двигателяРД-0146Для проведения наземных испытаний кислородно-водородного ЖРДРД-0146,предназначенногодляракетоносителя«Ангара»быласпроектирована газодинамическая труба, которая должна обеспечиватьбезотрывный режим течения продуктов сгорания в сопле ЖРД 60-66 бар.Целью данных расчётов является исследование динамики запуска этой ГДТ,а так же исследование условий образования отрыва и определение110необходимого давления в камере сгорания ЖРД, необходимого дляавтомодельного течения в его сопле.Испытания проводились для моделей ЖРД с соплом, содержащимтолько регенеративную часть (короткий вариант) и с полным соплом,содержащим как регенеративную, так и радиационно охлаждаемые части.ПрииспытанияхполногосопланавыходеизГДТсоздавалосьдополнительное разряжение посредством использования газового эжектора.В случае короткого варианта сопла давление, создаваемое в барокамеретолько за счёт эжектирующего эффекта продуктов сгорания, меньшедавления на кромке сопла, т.е.

безотрывный режим течения может бытьдостигнут без использования дополнительного эжектора.Расчёт работы ГДТ проводился в следующих предположениях:- осесимметричного течения;- рабочее тело – идеальный газ с теплофизическими параметрами,являющимися функцией только температуры;- сила тяжести не оказывает существенного влияния на характертечение.Дискретизациярасчётнойобластипроводиласьприпомощинеструктурированной сетки со сгущением ячеек в областях критическогосечения сопла, соединения сопла и барокамеры и вдоль стенки сопла.Построенная расчётная сетка представлена на рисунке 4.29.Рисунок 4.29– Расчётная сетка в начальный момент времени.111Схема ГДТ для испытаний двигателя РД-0146 представлена на рисунке4.30. При расчёте задавалась температура торможения в камере сгорания –3596К и статическое давление на выходе из диффузора – 30кПа.

В качествегаза использовались продукты сгорания, заданные молярной массой изависимостью показателя адиабаты от температуры.Рисунок 4.30– Схема выхлопного тракта.Расчёты проводились с целью определения параметров в ГДТ приустановившемся режиме течения, а так же определения параметров запуска иостановки ГДТ и процессов, протекающих в них. Для определенияпараметров при установившемся режиме течения задавались постоянныепараметры в камере сгорания, соответствующие основному режиму работыдвигателя и равные P0=6.2МПа, T0=3596К.

Картины течения чисел Маха истатического давления в этом случае представлены на рисунках 4.31 и 4.32.Рисунок 4.31 – Распределение числа Маха.Рисунок 4.32 – Распределение статического давления.Расчёт запуска и остановки ГДТ сравнивался с результатами,полученными при испытаниях модельного двигателя, проведённых в НИЦРКП. В проведённых экспериментах производился запуск двигателя, сбыстрым увеличением давления в его камере сгорания, работа настационарном режиме и плавное уменьшение давление в камере сгорания112двигателя.

При некотором давлении происходит отрыв течения в сопле, вэтот момент двигатель отключается и эксперимент прекращается. Значениястатических давлений в камере сгорания, измеренных в ходе эксперимента,приведено на рисунке 4.33.Рисунок 4.33 – Статические давления в камере сгорания модельногодвигателя.Моделирование проводилось с момента запуска двигателя до моментавозникновения неавтомодельности течения в сопле. Циклограмма работыдвигателя, используемая при расчёте, приведена на рисунке 4.34. Основнымотличием от эксперимента является меньшее время работы на стационарномрежиме.113Рисунок 4.34 – Циклограмма работы модельного двигателя, задаваемая врасчёте.Расчёты проводились для невязкого и вязкого течений газа. Несмотряна схожие параметры запуска и остановки ГДТ, картины течений,образующиеся при данных расчётах, имеют существенные различия. Приневязкомрасчётевовремязапускатечениягазапроисходитпреимущественно по периферийной области сопла (вблизи стенки), призапуске выхлопного тракта наблюдается картина течения, состоящая из ярковыраженных косых скачков уплотнения и замыкающей ударной волны(рисунок 4.32).

В то же время при вязком расчёте во время запускаобразуется отрыв потока в области сопла, течение идёт преимущественно вцентре, при установлении стационарной картины течения ярко выраженнымиостаются только первые несколько ударных волн, замыкающая ударнаяволна отсутствует (рисунок 4.35, 4.36).114Рисунок 4.35 – проуесс запуска ГДТ.Рисунок 4.36 – течение газа в ГДТ при установившемся режиме работыдвигателя.При расчётах было получено, что автомодельное течение в соплеобразуется при давлении в камере сгорания в 5.4 МПа, срыв потокапроисходит при давлении в 2.9 МПа.Сравнение полученных результатов проводилось с результатами,полученными в ходе испытаний РД-0146 с данной ГДТ, проведённых в НИЦРКП в 2013 году. В ходе испытаний измерялось статическое давление вкамере сгорания, а так же установленных равномерно вдоль тракта ГДТ.

Награфиках видны два всплеска давления, соответствующие прохожденияударных волн при запуске ГДТ и остановке.Рисунок 4.37– Изменение давления вдоль тракта ГДТ, эксперимент115Схема ГДТ для испытания укороченного варианта сопла представленана рисунке 4.38.Рисунок 4.38– схема ГДТ для испытаний РД-0146 с укороченным соплом.Расчёты ГДТ для укороченного варианта двигателя проводились в техже предположениях, что и для полного варианта. Единственным отличиемявляется отсутствие эжектора в схеме с укороченным вариантов, в результатечего в качестве параметров на правой границе расчётной области задавалосьусловие противодавления p=1атм.При расчётах не удалось добиться стационарного безотрывноготечения в сопле. При давлении в камере сгорания в 65МПа отрыв возникаетна расстоянии 150мм от кромки сопла. При повышении давления до 70МПаобразуется существенно нестационарный режим течения, при которомотрывы в сопле возникает на расстоянии в 100-150мм и исчезают.

Картинатечения для числа Маха в некоторый момент времени представлена нарисунке 4.39. Распределение давления вдоль стенки представлено на рисунке4.40.116Рисунок 4.39 – образование отрывной зоны в процессе запуска.М6543210-5050150250350450х, мм 550Рисунок 4.40 – Распределения числа М вдоль стенки сопла.Испытания данной ГДТ проводилось в НИЦ РКП в 2013 году. Впроцессе экспериментов произошло потемнение неохлаждаемой части сопла(рисунок 4.41), которое может быть объяснено образованием отрыва в этойзоне.117Рисунок 4.41 – Потемнение кромки сопла, возникшее при экспериментальномзапуске.118ЗаключениеВ результате проведённого исследования получены следующиерезультаты:1.

Разработаны и реализованы алгоритмы для построения триангуляцииДелонесограничениямирасчётнойобласти,заданнойкриволинейными границами. Разработаны и реализованы алгоритмыувеличения и уменьшения разрешающей способности триангуляции.Разработаны алгоритмы адаптации расчётной сетки к особенностямтечения.2. Разработанметодрасчётапространственныхвысокоскоростныхтечений вязкого и невязкого газа с переменной теплоёмкостью,основанный на TVD-модификации метода Годунова.3.

Разработан программный комплекс для численного моделированиявязких и невязких течений газа с изменяющимися теплофизическимипараметрами и проведена его верификация.4. Проведеныэкспериментальныеисследованиянестационарныхпроцессов в высокоскоростном воздухозаборном устройстве вшироком диапазоне входных параметров.

Выполнено сравнение срезультатами численного моделирования.5. На основании численных расчётов проведена оптимизацияхарактеристик высокоскоростных воздухозаборных устройств приработе на различных режимах и при различных углах атаки.6. Выполнено численное моделирование нестационарных процессов вгазодинамическихтрубах,разработанныхдляиспытанийперспективного кислород-водородного двигателя с соплами,включающими только регенеративную часть и регенеративную срадиационно-охлаждаемой частями.

Получены величины давленийперехода в автомодельный режим работы и срыва течения вгазодинамической трубе при различных циклограммах работы.119СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Абрамович, Г.Н. Прикладаная газовая динамика, T1-2. Москва:"Наука" Физматлит, 1976. ISBN 5-02-014015-5; ISBN 5-02-014962-4.2. Куликовский,А.Г.,Погорелов,Н.В.иА.Ю.Семенов.Математические вопросы численного решения гиперболическихсистем уравнений.