Автореферат (Моделирование внутреннего (завесного) охлаждения ракетного двигателя малой тяги на экологически чистых газообразных компонентах топлива), страница 5

Для описания процесса горения в РДМТ использовалась модель рассеивания вихря(The Eddy Dissipation Model). Для данных КТ и компонента, используемого для охлажденияКС, горение происходит по следующей брутто-реакции:0.0898167СН4+0.17961645О2+0.7275053N2=0.0038167CO+0.086CO2++0.0015248H2+0.17748H2O+0.7269491N2+0.0011124NO+0.0017833O2++0.0012572OHТаблица 5. Сравнение расчетных и экспериментальных характеристик РДМТ№РасхожРасхождение, ,к ,ог.ст.

,ядроздение посг/сатмКпо ог.ст. ,к ,%рэрэ%14050,9 0,3363 1,334,774,5451844164012,4240 53,95 0,3702 1,384,978 4,8382,914781555534060,60,4371,555,285,4212,61334151011,68450 69,77 0,5228 1,895,765129713342,8545 72,05 0,5968 1,866,4866,16,311051175620(Расхождение результатов численного моделирования с экспериментальнымиданными по давлению в КС составляет ~ 6%, а по температуре стенки - ~ 12%, чтосвидетельствует об удовлетворительном согласовании расчетных и экспериментальныхзначений.В ходе численного моделирования внутрикамерных процессов в РДМТ на режиме,когда в качестве завесного охладителя использовался газообразный кислород, обнаруженызоны повышенных температур вблизи огневого днища, наличие которых подтвердилосьоплавлением кромок термопар и появлением цветов побежалости на металле смесительнойголовки (рисунок 17).Рисунок 17.

Распределение температуры огневого днища и состояние смесительнойголовки после испытаний (красным выделено пятно перегрева)Моделирование горения в РДМТ указало на наличие зон перегрева стенки КСвблизи критического сечения. В ходе проведения экспериментов данные расчетаподтвердились уносом материала в области критического сечения КС (рисунок 18).Рисунок 18. Распределение температуры на внутренней стенке КС и состояние КС послеиспытанийДалее проводилось сравнение численных и экспериментальных данных по картинамраспределения температур. Полученная в ходе численного исследования зона пониженнойтемпературы, обусловленная течением завесы с з = 0.6, подтвердилась в ходеэкспериментального исследования (на термограмме также присутствует полоса,соответствующая течению завесы) (рисунок 19).21Рисунок 19.

Термограмма КС и распределение температуры на внешней стенке КС. з =0.6Местоположение зоны перегрева КС для з =0.336 также подтвердилось натермограмме, сделанной во время огневого запуска (рисунок 20).Рисунок 20. Термограмма КС и распределение температуры на внешней стенке КС.з =0.336Повторяющиеся пятна перегрева на внутренней стенке КС также являютсядополнительным характерным признаком удовлетворительного согласования результатовчисленного и натурного эксперимента (рисунок 21).Рисунок 21.

Пятна перегрева на внутренней стенке КСКачественная оценка и количественный анализ указанных данных показывает, что вцелом расчетные и экспериментальные результаты согласуются с удовлетворительной22точностью, достаточной для оценки интегральных параметров двигателя на стадиипредварительных расчетов при проектировании РДМТ с внутренним газозавеснымохлаждением.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ1. На основании анализа литературных источников даны следующие рекомендациипо организации завесного охлаждения в РДМТ: параметр вдува должен быть ~1; щелизавесы следует располагать между форсунками; охладитель следует подавать вдоль стенкикамеры сгорания (угол выхода охладителя равен нулю); в случае наличия козырькаотношение толщины стенки над щелью к высоте щели должно быть ℎ/ ≪1.2. В работе предложена математическая модель рабочего процесса РДМТ сзавесным охлаждением, основанная на численном решении уравнений Навье-Стокса.Основные рекомендации, относящиеся к методикам построения сеток и заданию граничныхусловий, могут быть применимы к задачам расчета РДМТ, работающих на газообразномкислородно-метановом топливе:В случае если конструкция смесительной головки обладает свойствами симметриичисленное моделирование внутрикамерных процессов проводится в секторнойрасчетной области.

Этот метод предварительного расчета позволяет получитьинтегральные характеристики РДМТ с минимальными затратами времени ивычислительных мощностей.Для более точного прогнозирования температурного состояния огневого днища истенок КС рекомендуется использование полноразмерной расчетной области,которая включает в себя гидравлическую часть смесительной головки и расчетнуюсетку с "загущением" (с большим количеством ячеек) в пристеночных областях, гдевозможны зоны перегрева конструкции.Для численного моделирования теплового состояния РДМТ достаточной является+сетка с =5. Однако, если внутренняя геометрия позволяет сохранить качество+ , то рекомендуется использоватьрасчетной сетки при уменьшении значения +сетку с <1.Для описания турбулентности рекомендуется модель SST со значениеминтенсивности турбулентности потоков КТ - ≈0.5.Для моделирования процесса турбулентного горения в РДМТ, работающего нагазообразных компонентах топлива, рекомендуется использовать модель тонкогофронта пламени (The Flamelet Model).

Однако, в случае, если использование данноймодели невозможно (отсутствует флеймлет-библиотека для топливной пары КТ),рекомендуется использование модели диссипации вихря (The Eddy Dissipationmodel) со значением коэффициента кинематической диффузии КТ ≈10-3÷10-2 м2/с.3.Результатычисленногомоделированияхорошосогласуютсясэкспериментальными данными (расхождение составляет ~6% по давлению в КС и ~12% потемпературе стенки). Разработанная методика моделирования позволяет: для даннойконструкции смесительной головки определить наиболее оптимальные по критерияммаксимального уд и ограничении температуры стенки до 1400 К схемы подачи КТ, а такжепараметры смесеобразования: найти расходы на форсунки и в завесу.4.

Разработан и создан экспериментальный РДМТ, работающий на газообразныхметане и кислороде. Проведены огневые испытания разработанного РДМТ с выходомдвигателя на стационарный режим работы по температуре стенки с использованием тольковнутреннего завесного охлаждения. Определен потребный расход охладителя для надежнойзащиты стенок КС: з >50%.23Основные публикации по теме диссертационной работы:1. Хохлов А.Н., Богачева Д.Ю., Заранкевич И.А. Экспериментально-теоретическая модель дляисследования эффективности завесного охлаждения с использованием методов планированияэксперимента // Материалы XIX научно-технической конференции молодых ученых испециалистов. 14-18 ноября 2011, Королев: РКК "Энергия" им.

С.П.Королева, 2013, - с .220224.2. Воробьев А.Г., Боровик И.Н., Хохлов А.Н., Богачева Д.Ю. Разработка экспериментальнорасчетной системы исследования эффективности завесного охлаждения жидкостногоракетного двигателя малой тяги. [Электронный ресурс] // Электронный журнал "ТрудыМАИ", № 52 (5 апреля 2012 г).URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=29479.1. Богачева Д.Ю., Боровик И.Н. Анализ факторов, влияющих на эффективность завесногоохлаждения камеры сгорания ЖРДМТ // Молодежь. Техника. Космос: труды IVОбщероссийской молодежной науч.-техн.

конф. Балт. гос. техн. ун-т. – СПб.: БГТУ"ВОЕНМЕХ", 2012, с. 27-29.4. Коватева Ю.С., Богачева Д.Ю. Оценка теплового состояния камеры сгорания ЖРДМТ,работающего на экологически чистых компонентах топлива. [Электронный ресурс] //Электронныйжурнал"ТрудыМАИ",№65(19июня2013г).URL:http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=40191.5. Богачева Д.Ю., Прохоров А.В., Козлов А.А.

Процесс сбора и анализа результатовиспытаний ЖРДМТ // Математическое моделирование и информационные технологии //Восьмая международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодыхученых "Энергия-2013": Материалы конференции. В 7 т.Т.

5, Ч. 1. - Иваново: ФГБОУ ВПОИвановский государственный энергетический университет им. В. И. Ленина, 2013, - с. 6-9.6. Богачева Д.Ю., Боровик И.Н. Математические модели для расчета соотношениякомпонентов топлива в пристеночном слое камеры сгорания жидкостного ракетногодвигателя малой тяги. [Электронный ресурс] // Электронный журнал "Труды МАИ", № 73 (25марта 2014 г).URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=48483.7. Козлов А.А., Богачева Д.Ю., Боровик И.Н.

Исследование тепловой эффективностизавесного охлаждения стенки камеры сгорания ракетного двигателя малых тяг // ВестникМГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Машиностроение", № 1 (94). - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана,2014, - с. 80-92.8. Чудина Ю.С., Боровик И.Н., Козлов А.А., Богачева Д.Ю., Воробьев А.Г., Заранкевич И.А.,Ташев В.П., Казеннов И.С. Экспериментальное исследование характеристик ЖРД тягой 500Нна топливе керосин-ВПВ // Вестник МГТУ им.

Н.Э. Баумана. Сер. "Машиностроение", № 4(97). - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014, - с. 83-98.Авторские свидетельства:9. Богачева Д. Ю., Боровик И. Н. Автоматическая обработка и анализ результатов огневогоиспытания жидкостного ракетного двигателя малой тяги. Свидетельство о государственнойрегистрации программы для ЭВМ № 2012614661 от 24 мая 2012 г.10.

Богачева Д.Ю., Коватева Ю.С. Математическая обработка и графическое отображениерезультатов огневых экспериментов при исследовании внутрикамерных процессов вжидкостном ракетном двигателе малой тяги, работающего на газообразных метане икислороде. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013615725 от 19июня 2013 г.24.