Автореферат (Рабочие процессы в ракетном двигателе малой тяги на газообразных компонентах топлива кислород и метан), страница 3

Распределение расходов компонентов по форсункам и каналамзавесы в % от суммарного расхода(n-количество элементов расчетной сетки).Анализ течения и распределения компонентов показал небольшую неравномерность в расходах. В форсунку 6 поступает больший расход метана, в форсунку 4 – больший расход кислорода. Однако отклонение в расходах от номинального значения (16.67% от суммарного) составило не более 12%, что находится в пределах погрешности вычислений. По расходам компонента, идущегона завесное охлаждение, наибольшее отклонение составляет ~3%, что говорит о11равномерности распределения компонента в коллекторе подвода в каналы завесы.Таким образом, распределение компонентов по форсуночной головкеможно считать равномерным, но в дальнейшем полученные небольшие отклонения будут учтены при численном исследовании процессов в полноразмернойКС и сопле, так как даже небольшая неравномерность по распределению компонентов на входе в КС РДМТ может повлиять на качество смесеобразования игорения.В целях уменьшения объема и времени расчета на предварительном этапеисследования рабочих процессов в КС и сопле, а также согласно проведенномуисследованию течений в форсуночной головке, принимаем, что распределениекомпонентов равномерное.

Это позволяет при моделировании перемешиваниягазообразной завесы с ядром потока и определении необходимых расходов дляохлаждения стенок КС использовать секторную расчетную область (1/6 частьКС) с условиями симметрии на границах без учета особенностей течения компонентов в смесительной головке.Моделирование процессов в КС РДМТ в секторной расчетной области.При моделировании процесса горения приняты следующие допущения:расчет проводится без направленной силы тяжести;задача рассматривается в стационарной постановке;стенки – адиабатические;рабочее тело – реагирующая смесь газообразных компонентов;горение происходит по следующим брутто-реакциям:0.273+ 0.542 = 0.153+ 0.12+ 0.035 + 0.065++ 0.41+ 0.03 + 0.076 + 0.10.727+ 0.349 = 0.452+ 0.275+ 0.093 + 0.18 .В качестве модели горения применяется модель рассеивания вихрей (Eddy Dissipation model).

Начальным этапом численного исследования рабочихпроцессов в камере сгорания экспериментального двигателя стал анализ размытия завесы при различных относительных расходах компонента в завесу и соотношениях компонентов в ядре.Моделирование проводилось в секторной области КС (рисунок 6) с1,075. Для проведения численного эксперимента был составлен центральный композитный план собеспечением ротатабельности.В качестве варьируемыхпараметров были приняты коэффициент избытка окислителя нафорсункахи относительныйрасходназавесу0,0001…0,95. За центральную точку приняты следующие параметры: коэффициРисунок 6.

Расчетная область и сетка длямоделирования перемешивания завесы с ядром ент избытка окислителя на фор12потокасунках= 0,75, относительный расход на завесу= 0,45. Постояннымвыдерживался суммарный расход компонентов m∑=64 г/с.По полученным зависимостям (рисунки 7,8) определено, что в случае использования газообразного кислорода в завесе температура стенки камеры сгорания ниже максимально допустимой (1400 К) при значениях в ядре1,21,5 и относительном расходе на завесу0,7. Расчётное давление в камересгорания на таких режимах около 0,6 МПа, тяга 55 Н, удельный импульс 747м/с.

Температура огневого днища находится в районе 2250 К.Кислородная завесаРисунок 7. Температура газа вблизи стенки при кислородной завесеМетановая завесаРисунок 8. Температура газа вблизи стенки при метановой завесеВ случае использования газообразного метана для завесного охлаждениятемпература стенки камеры сгорания ниже максимально допустимой во всемдиапазоне значений избытка окислителя в ядре потокаи относительномрасходе на завесу зав =0,63, при значениях0,75 относительный расходв завесу может быть снижен до зав 0,53. Расчётное давление в камере сгорания на таком режиме составит 0,8 МПа, тяга 99 Н, удельный импульс 1517 м/с.13Очевидно, что метановая завеса эффективнее предохраняет стенку КС отперегрева.

Полученная картина течения продуктов сгорания и размытие завесыуказывает на излишнюю длину цилиндрического участка КС при использовании газообразных компонентов топлива и необходимости изменения геометрических параметров камеры.На следующем этапе исследования использовалась секторная расчетнаяобласть КС с приведенной длиной0,933 м.

Численный эксперимент былверифицирован кратковременными огневыми пусками, проведенными на основании рекомендаций, выработанных на начальном этапе расчетного исследования. Было выявлено, что экспериментальное значение давления в КС выше расчетного на ≈30%, что не является удовлетворительным. Такие результаты свидетельствуют о необходимости уточнения рекомендуемых разработчикамиANSYS CFX эмпирических коэффициентов, используемых при моделированиипроцессов течения и горения, для каждого конкретного случая. В выбранноймодели горения EDM проведено уточнение модельного коэффициента , входящего в выражение для скорости образования продуктов сгорания:(10)где R - скорость образования продуктов, М - молекулярная масса, - стехиометрический коэффициент реагирующего вещества, A, B - эмпирическиекоэффициенты, k –кинетическая энергия турбулентности, - скорость турбулентной диссипации.Для получения интегральных характеристик, близких к экспериментальным, значение модельного коэффициента должно составлять0,5…1,0.

После корректировки расхождение расчетного и экспериментального значениядавлений в КС не превышает ~8%, что является удовлетворительным согласованием экспериментальных и расчетных данных (рисунок 9).Расчетное значение давленияв КС ркр, атм11109876Полученное значение5Линия идеального совпадения445678910эЭкспериментальное значение давления в КС р к , атм11Рисунок 9. Сравнение экспериментальных и расчетных значений давленияв КС.14После наладки модели был проведен численный эксперимент и выявленырежимы работы РДМТ, позволяющие провести более длительные огневые запуски.

В частности, проведенное исследование влияния схемы подачи компонентов на уровни температур показало, что при использовании обратной схемыподачи компонентов (метан по периферии форсунок, кислород в центр) температура огневого днища снижается в сравнении с прямой подачей компонентов.Моделирование в секторной расчетной области производится без учетахарактера входа компонентов в КС. Для изучения влияния характера распределения компонентов по форсуночной головке на эффективность работы двигателя в дальнейшем использовалась расчетная область полноразмерной КС, включающая внутреннюю геометрию каналов окислителя, горючего и компонента,идущего на завесное охлаждение.

Применение такой расчетной области позволяет получить качественную картину наличия зон повышенных температурвблизи стенки при наличии небольшой неравномерности распределения компонентов по смесительной головке и учете характера входа компонентов в КС.Численное исследование процессов в РДМТ с учетом распределения компонентов по смесительной головкеВ ходе численного эксперимента установлено, что вблизи огневого днища образуется зона повышенных температур. При подаче газифицированныхкомпонентов фронт пламени находится близко к смесительной головке и появляются обратные токи.

Проведено исследование влияния формы юбки, формывыходного сопла форсунки при восстановительном и при окислительном ядрепотока на распределение температуры вблизи огневого днища смесительнойголовки. Рассматривались разные способы подачи компонентов в форсунки(рисунок 10) и несколько конфигураций юбки (рисунок 11), так как предположительно форма огневого днища может влиять на характер обратных токовпродуктов сгорания.а)а) конструкция №1б) конструкция №2б)в) конструкция №3Рисунок 10. Схемаподачи компонентовв форсунки:а) нормальная;б) обратнаяРисунок 11.

Конструкции юбки: а) коническая формаднища, диффузорный сопловой выход форсунок, б) коническая форма днища, конфузорный сопловой выходфорсунок, в) сферическая форма днища, конфузорныйсопловой выход форсунок15Результаты расчетов сведены в таблицу 1. При обратной подаче компонентов наблюдается снижение максимальной температуры около огневогоднища. Определены конфигурации юбки и способ подачи компонентов, позволяющие провести длительные эксперименты: обратная подача компонентов,конструкция №1 и конструкция №3.Таблица 1. Уровни температур вблизи огневого днища Tг.днmax .РежимФорма огневого Подача комTг.днmax,завṁотнднищапонентовКαфорскислород1,40,83000Нормальная0,10,93400Конструкция №11,40,83465Обратная0,10,815701,40,92580НормальнаяКонструкция №20,10,93295Обратная0,10,93450Нормальная0,10,93490Конструкция №3Обратная0,10,92300В полноразмерной постановке исследовался также газогенераторный режим работы двигателя, когда в форсунки идет только метан, на завесу подаетсявесь расход кислорода, соотношение компонентов3.