Автореферат (Расчетно-экспериментальное исследование течения совершенного газа в резонаторе пульсирующего детонационного двигателя)

На правах рукописиЛарионов Сергей ЮрьевичРАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯСОВЕРШЕННОГО ГАЗА В РЕЗОНАТОРЕ ПУЛЬСИРУЮЩЕГОДЕТОНАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯСпециальность 05.07.05 – «Тепловые, электроракетные двигателии энергоустановки летательных аппаратов»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2012Работадвигателей"выполненанаМосковскогокафедре"Теорияавиационноговоздушно-реактивныхинститута(национальногоисследовательского университета).Научный руководитель:доктор технических наук,профессорРутовский Владимир БорисовичОфициальные оппоненты:Полев Анатолий Сергеевичдоктор технических наук, профессор,ФГУП «ЦИАМ им.

П.И. Баранова»,начальник отделаСоколов Виктор Евгеньевичкандидат технических наук,ОАО «НПО «Молния», зам. гл. конструктораВедущая организация:ФГУП «Центральный аэрогидродинамическийинститут им. проф. Н.Е. Жуковского»Защита диссертации состоится «18» июня 2012 г. в 13 час. 00 мин. назаседании диссертационного совета Д 212.125.08, созданного на базеМосковского авиационного института (национального исследовательскогоуниверситета), 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.СдиссертациейможноознакомитьсявбиблиотекеМосковскогоавиационного института (национального исследовательского университета)«МАИ».Автореферат разослан «___»2012 г.Ученый секретарьдиссертационного советад.т.н., профессорЮ.В.Зуев2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.Современные тенденции развития двигателестроения обуславливаютсоздание двигательных установок с максимальными, предельнодопустимымирабочимипараметрами, поэтому исследованиеперспективных силовых установок (СУ) как традиционных, так иальтернативных схем, работающих на различных принципах получения тяги,является сейчас весьма актуальным.

В настоящее время как у нас в стране,так и за рубежом большое внимание уделяется поиску и исследованиюразличных схем перспективных СУ для летательных аппаратов (ЛА)различного целевого назначения. Импульсные силовые установки воздушнореактивного типа отличаются простотой конструкции и ожидаемыминизкими производственными затратами.

Высокие ожидаемые техникоэксплуатационные характеристики таких двигателей предопределяютширокие возможности по их применению в боевых системах, в первуюочередь в составе СУ для крылатых ракет и самолетов.Одной из возможных схем реализации таких установок являетсяпульсирующий детонационный двигатель (ПуДД). Пульсирующий процесс втаком двигателе осуществляется за счет возбуждения резонансныхвысокочастотных автоколебаний в газодинамическом резонаторе ПуДД,периодическизаполняющимсяспециальноподготовленнойтопливовоздушной смесью, а выделение тепла, увеличивающее амплитудуэтих колебаний, происходит за счет детонационного сгорания смеси вударных волнах, специальным образом формируемых в резонаторе.Среди ключевых вопросов, которые имеют место при созданииподобных ПуДД, можно выделить:– вопросы смесеобразования и предварительной подготовкиэкзотермически активной топливовоздушной смеси;– возможность осуществления самовоспламенения топливовоздушнойсмеси и организации высокочастотного сгорания этой смеси при высокойполноте сгорания;– разработка математических моделей сложных физико-химическихпроцессов, происходящих в отдельных элементах двигателя;– проведение с использованием этих математических моделейоптимизационных исследований геометрических и газодинамическихпараметров отдельных элементов ПуДД;– экспериментальная отработка элементов ПуДД.В связи с вышесказанным возникает необходимость всестороннегоизучения и анализа данного типа двигателя, как в целом, так и отдельных егоэлементов в частности.Целью работы является проведение расчетно-экспериментальныхисследований резонатора тягового модуля (ТМ) пульсирующегодетонационного двигателя на различных режимах работы и анализ влияниягеометрических параметров модели на ее тяговые характеристики.3Основные задачи, решаемые в диссертационной работе:1.

Обзор и анализ имеющихся работ по традиционным (ударноволновым) методам определения параметров рабочего процесса ихарактеристик тяговых модулей ПуДД в целях получения сведений об общейэффективности применения ПуДД в реактивной авиации. Определениевозможностей улучшения тягово-экономических и габаритно-массовыххарактеристик ТМ ПуДД за счет использования сверхвысоких параметроврабочего процесса, применения эжекторных усилителей тяги и др. средств.2.

Разработка методики расчета течения газового потока в резонатореТМ ПуДД на основе использования численных методов решения уравненийНавье-Стокса для режимов работы без сжигания топлива в резонаторе.3. Получение экспериментальных данных для указанных режимовработы ТМ ПуДД (без сжигания топлива в резонаторах), необходимых дляпроверки предлагаемой методики расчета газового потока в резонаторе(режимы "холодных продувок").4.

Определение оптимальных геометрических и газодинамическихпараметров модели по критерию максимальной тяги на основе полученных врезультате экспериментального этапа работы данных.5. Проведение сравнительного анализа вероятных конструктивныхсхем совместного использования резонаторов с помощью разработаннойметодики расчета течения газового потока.Научная новизна полученных в работе результатов заключается вследующем:1. С помощью разработанной методики проведено моделированиерабочего процесса в ТМ без сжигания топлива. Получены новые результатыпо параметрам рабочего процесса в области исследования.2. Впервые исследована возможность совместного использованиярезонаторов применительно к некоторым конструктивным схемам.3. Получены новые данные по результатам экспериментальныхисследований. Определена качественная картина течения рабочего тела врезонаторе ПуДД для режима "холодной продувки".Достоверностьиобоснованностьполученныхрезультатовэкспериментальных исследований подтверждается использованием точныхприборов и тестовыми опытами с применением сертифицированных средствизмерений.

Достоверность результатов проведенных в работе исследований ирасчетов течения в резонаторе ТМ ПуДД подтверждается согласованием сэкспериментальными данными.Основным вкладом диссертанта является предложенная методика расчетатечения газового потока в резонаторе ТМ ПуДД. Автор принимал участие впроведенных экспериментальных исследованиях моделей ТМ ПуДД, а такжепроведении их анализа.Практическая ценность и реализация.Разработанная методика позволяет моделировать и проводить анализрабочего процесса в резонаторе ТМ ПуДД в нестационарной постановке наперсональном компьютере с приемлемыми вычислительными и временными4ресурсами. На основании полученных при выполнении работы результатов,определены оптимальные геометрические и газодинамические параметрымодели, которые позволят составить более эффективную программуследующего – "горячего" этапа экспериментальных исследований (сосжиганием топлива в резонаторе).Апробация работы.Основные результаты работы докладывались и обсуждались:– на семинарах «Рабочий процесс ВРД» кафедры «Теория воздушнореактивных двигателей» Московского авиационного института;– на XXXI академических чтениях по космонавтике, посвященных 100летию со дня рождения академика С.П.

Королева, Москва, МГТУ им. Н.ЭБаумана, 2007 г.;– на XXXII академических чтениях по космонавтике, Москва, МГТУ им.Н.Э. Баумана, 2008 г.Основные положения, выносимые на защиту:1. Разработанная методика расчета течения газового потока в резонатореТМ ПуДД без сжигания топлива (режим "холодной продувки") наоснове использования численных методов решения уравнений НавьеСтокса.2.

Результаты расчета параметров рабочего процесса в резонаторе ТМ,полученные посредствомматематического моделирования и ихверификация с полученными экспериментальными данными.3. Сравнительная оценкавозможных вариантов использованиярезонаторов тяговых модулей ПуДД применительно к предлагаемымконструктивным схемам.4. Результаты экспериментальных исследований высокочастотногопульсирующего тягового модуля на режимах "холодных продувок" (безсжигания топлива).Публикации.По материалам диссертации опубликовано 4 научные работы.Структура и объём работы.Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов ивыводов, списка используемой литературы.

Общий объём диссертациисоставляет 123 страницы. Библиографическийсписокиспользуемойлитературы насчитывает 67 наименований.Автор выражает искреннюю благодарность своему научномуруководителю – д.т.н., проф. Рутовскому В.Б., а также профессору кафедрытеории авиационных двигателей ВВА им. Н.Е.

Жуковского и Ю.А. Гагариназаслуженному деятелю науки и техники РФ, д.т.н. Нечаеву ЮлиануНиколаевичу – за ценные замечания в процессе работы.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность работы, формулируетсяцель исследования, отмечается научная новизна работы, дается ее краткаяхарактеристика и формулируются основные положения, выносимые назащиту.5В первой главе проведен обзор исторических предпосылок создания ипроанализированы существующие тенденции и направления развития иприменения пульсирующих двигателей.Впервые идея создания пульсирующих воздушно-реактивныхдвигателей (ПуВРД) была высказана и запатентована в 1906 г.