Автореферат (Моделирование внутреннего (завесного) охлаждения ракетного двигателя малой тяги на экологически чистых газообразных компонентах топлива), страница 4

Моделирование на полноразмерной КС с учетом распределения КТ по смесительнойголовкеМоделирование в секторной расчетной области производилось без учета характераввода КТ в КС (компоненты подавались по нормали к сечению КС). Для изучения влиянияраспределения компонентов по смесительной головке на эффективность и тепловоесостояние двигателя использовалась расчетная область полноразмерной КС (рисунок 12),которая включает внутреннюю геометрию каналов окислителя, горючего и компонента,идущего на завесное охлаждение.

Применение такой расчетной области позволяет получитькачественную картину наличия зон перегрева огневого днища и стенок КС. Поэтомуследующим этапом исследования был расчет течения на полноразмерной КС сиспользованием различных моделей горения: Модель диссипации вихря (The Eddy Dissipation model); Модель тонкого фронта пламени (The Flamelet Model).В качестве граничных условий на входе в расчетную область задавались массовыерасходы КТ и расход на завесное охлаждение.

На выходе - давление, полученное изодномерного термодинамического расчета. Для обоих моделей горения применяется SST15модель турбулентности. Расчеты проводились для следующего способа подачи: в центр метан, в периферию - кислород, в завесу - кислород.Результаты расчетов показывают, чтоиспользование подхода к моделированиюгорения, основанного на модели тонкогофронта пламени (The Flamelet Model) нетребуеткорректировкиэмпирическихкоэффициентов, входящих в уравнениятурбулентности и горения, и хорошоописывает процесс горения в РДМТ.Результатымоделированиясиспользованиемподходарассеиваниявихря (The Eddy Dissipation model)существенно зависят от таких параметров,каккоэффициентдиффузиииинтенсивность турбулентности потоков,подаваемых в КС. При соответствующейих корректировке обе модели показываютРисунок 12.

Расчетная область для учетахорошуюсогласованностьсраспределения КТ по смесительной головкеэкспериментом (таблица 3).Таблица 3. Сравнение численного и экспериментального давления в КС для различных моделейгоренияОшибка,№ ,к_эксп,ядрок_расч , атмз%г/сатмEDM FlameletEDM Flamelet1 71,42 0,6386 0,4745 7,3877,4747,6383,282,152 69,95 0,6338 0,4455 7,3427,4217,5142,31,243 63,36 0,5787 0,4244 7,0117,1217,0650,760,84 62,92 0,5789 0,4282 6,9357,1187,0351,421,18Таким образом, для моделирования процесса турбулентного горения в РДМТвозможно использование двух подходов: модели диссипации вихря (The Eddy Dissipationmodel) и модели тонкого фронта пламени (The Flamelet Model).Однако, использование Flamelet модели осложняется тем, что в настоящее времяфлеймлет-библиотеки существуют лишь для ограниченного числа топливных пар.

Это делаетневозможным использование данного подхода для моделирования горения таких широкоиспользуемых в ракетной промышленности топлив как НДМГ+АТ, ММГ+АТ, керосин+ВПВи т.д. Модель тонкого фронта пламени также не применима в случае, когда в качествезавесного охладителя используется сторонний компонент, не входящий в пару КТ (например,когда в ядро потока подаются метан и кислород, а в качестве завесного охладителяиспользуется воздух). Модель рассеивания вихря, в свою очередь, не имеет такихограничений и может быть использована для решения широкого круга задач моделированиягорения.В четвертой главе описан огневой экспериментальный стенд, дается описаниепоследовательности проведения экспериментов, а также представлены основные результатыогневых запусков разработанного двигателя.

Приводятся рекомендации и предложения поорганизации газозавесного охлаждения и расчету РДМТ на ранних этапах проектирования.16Все экспериментальные исследования и огневые испытания разработанногодвигателя проводились на испытательном стенде на кафедре «Ракетные двигатели»факультета «Двигатели летательных аппаратов» МАИ (НИУ).Основными системами стенда являются: система хранения и подачи КТ; автоматизированная система управления; система измерения, регистрации и автоматизированной обработки экспериментальныхданных; система видеотрансляции и видеорегистрации; система водоснабжения и пожаротушения; приточно-вытяжная вентиляция.Основными особенностями работы стенда являются:1) проведение огневых испытаний в условиях атмосферы;2) возможность работы на длительных и импульсных режимах;3) использование только экологически чистых КТ;4) возможность регулирования расходов КТ и расхода компонента, идущего на внутреннеезавесное охлаждение.Экспериментальное исследование энергетических характеристик и тепловогосостояния РДМТ проводилось на различных режимах работы.

Можно выделить 3 основныхэтапа экспериментов: кратковременные огневые испытания на металлической КС скислородной завесой; огневые испытания на металлической КС с воздушной завесой иогневые испытания на композитной КС с воздушной завесой и выходом двигателя настационарный режим работы.На начальном этапе проведена серия кратковременных огневых запусковпродолжительностью 2-3 с.

Использовалась следующая схема подачи компонентов: в центр метан, в периферию - кислород, в завесу - кислород.После проведения серии экспериментов было выявлено, что наибольшемутемпературному воздействию подверглось огневое днище смесительной головки. На металлевидна картина цветов побежалости, подтверждающая наличие высокотемпературныхобратных токов и зон повышенных температур вблизи огневого днища.Первый этап кратковременных огневых запусков позволил верифицироватьматематическую модель и уточнить значения эмпирических коэффициентов (интенсивностьтурбулентности и коэффициент диффузии), входящих в уравнения модели турбулентности игорения.Вторым этапом экспериментов стало исследование теплового состоянияконструкции РДМТ с использованием в качестве завесного охладителя воздуха, какобещающего более низкие температуры стенки и огневого днища и позволяющего провестиболее длительные эксперименты (температура горения метана и воздуха при к =1 МПа и =1составляет 2267 К).

Продолжительность огневых запусков составила 5-15 сек.Использовалась следующая схема подачи компонентов: в центр - метан, в периферию кислород, в завесу - воздух.Использование воздушной завесы позволило снизить температуру огневого днищапри работе на "жестком режиме" по соотношению КТ в ядре потока и увеличитьдлительность огневого запуска.

В таблице 4 приведено сравнение температур огневого днищадля кислородной и воздушной завесы.17Таблица 4. Сравнение температур огневого днища для кислородной и воздушной завесыЗавеса,од №1,од № 2,од № 3,од № 4,ядрозсКККККислородная31,010,74371200850838818Воздушная51,070,744849854658881Для оценки энергетической эффективности РДМТ использовался расходныйкомплекс :к ∙ кр(14)=На рисунке 13 представлены экспериментальные результаты по определениюэнергетической эффективности РДМТ с металлической КС для кислородной и воздушнойзавесы.Рисунок 13. Зависимость расходного комплекса от суммарного коэффициента избыткаокислителя в КС на различных режимахПри подаче в завесу кислорода в исследуемом диапазоне изменения наблюдаетсяувеличение расходного комплекса по сравнению с подачей в завесу воздуха.Таким образом, использование воздушной завесы обеспечивает менеетеплонапряженный режим работы конструкции РДМТ, но в то же время существенноснижает эффективность работы двигателя (≈ на 20 %) по сравнению с кислородной.На третьем этапе экспериментов для обеспечения выхода двигателя настационарный режим работы по температуре стенки и определения необходимого расходаохладителя для надежной защиты стенок КС было принято решение провести огневыезапуски на КС, изготовленной из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ).Теплостойкость такого материала допускает нагрев стенки до температуры ≈2000 К, чтопозволяет провести исследования в широком диапазоне варьирования з .Для оценки теплового состояния конструкции во время проведения огневыхзапусков использовалась тепловизионная камера.

Испытания показали существеннуюнеравномерность распределения завесного охладителя для з >0.48, которая подтверждаетсяснимками, сделанными во время экспериментов (рисунок 14).18з =0.6з =0.57з =0.53з =0.52з =0.49з =0.436з =0.393з =0.37з =0.336з =0.3Рисунок 14. Термограмма стенки КС, сделанная во время запусков (в К)Для стационарного режима работы двигателя получена зависимость максимальнойтемпературы стенки КС и огневого днища от относительного расхода на завесу (рисунок 15).С увеличением расхода на завесное охлаждение температура стенки снижается.Рисунок 15.

Зависимость максимальной температуры стенки КС ототносительного расхода на завесное охлаждениеДля надежного охлаждения стенок КС расход газообразного воздуха долженсоставлять не менее 50 % от суммарного расхода КТ.Т. к. разработанный двигатель испытывался на разных режимах с использованиемразличных компонентов в качестве завесного охладителя, то для оценки полнотыпреобразования КТ в КС двигателя в ПС, использовалась зависимость коэффициентарасходного комплекса от суммарного коэффициента избытка окислителя в КС (рисунок16).19 определяется как:(15)тгде - расходный комплекс камеры РДМТ; т - теоретический расходный комплекс,зависящий от конкретного вида топлива.

=Рисунок 16. Зависимость коэффициента расходного комплекса от суммарногокоэффициента избытка окислителя в КС на различных режимахМаксимальное значение , полученное в ходе экспериментального исследованияРДМТ составило 0,96. Однако, достижение такого высокого значения осложняетсянеобходимостью обеспечения допустимого температурного режима. Время запуска дляданного эксперимента составило лишь 3 сек.Для оценки применимости разработанной математической модели проведеноколичественное и качественное сравнение результатов численных и натурных экспериментов.Сопоставление результатов моделирования с данными эксперимента выполнено дляконкретных огневых запусков с выходом двигателя на стационарный режим работы потемпературе стенки (таблица 5). Сравнение проводилось при моделировании полноразмернойКС для следующей схемы подачи КТ: в центр - метан, в периферию - кислород, в завесу воздух.