Автореферат (Численное и экспериментальное моделирование процессов в двухфазном жидкостно-газовом эжекторе применительно к испытаниям реактивных двигателей)

На правах рукописиЗАРАНКЕВИЧ ИЛЬЯ АНДРЕЕВИЧЧИСЛЕННОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕПРОЦЕССОВ В ДВУХФАЗНОМ ЖИДКОСТНО-ГАЗОВОМЭЖЕКТОРЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ИСПЫТАНИЯМ РЕАКТИВНЫХДВИГАТЕЛЕЙСпециальность:05.07.05-"Тепловые, электроракетные двигателиэнергоустановки летательных аппаратов"АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017иРабота выполнена в федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего образования «Московский авиационныйинститут (национальный исследовательский университет)».Научный руководитель:доктор технических наук, профессор,Козлов Александр Александрович.Официальные оппоненты:Стасенко Альберт Леонидович,доктортехническихнаук,профессор,Федеральноегосударственноеунитарноепредприятие«Центральныйаэрогидродинамическийинститутименипрофессора Н.Е.

Жуковского», главный научныйсотрудник.Арефьев Константин Юрьевич,кандидат технических наук, ФГУП "Центральныйинститут авиационного моторостроения им. П.И.Баранова", старший научный сотрудник отделааэрокосмических двигателей.Ведущая организация:Федеральное казенное предприятие «Научноиспытательный центр ракетно-космическойпромышленности»Защита состоится «26» декабря 2017г. в 15:00 часов на заседаниидиссертационного совета Д212.125.08, созданного на базе федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшегообразования«Московскийавиационныйинститут(национальныйисследовательский университет)» по адресу: 125993, Москва, А-80, ГСП-3,Волоколамское шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшегообразования«Московскийавиационныйинститут(национальныйисследовательский университет)»https://mai.ru/upload/iblock/c11/jj02.10.2017.

pdfАвтореферат разослан: «_____» ________________ 2017г.Ученый секретарь диссертационногосовета Д212.125.08доктор технических наук, профессорЗуев Юрий Владимирович2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертации.В условиях непрерывного роста цен на энергоносители оптимизация иповышение эффективности испытаний ракетных и авиационных двигателейявляется неотъемлемой задачей для развития авиакосмической отрасли. Впроцессе создания и эксплуатации ракетных и авиационных двигателей, и ихагрегатов большое значение имеет подтверждение агрегатом расчетныхпараметров при различных внешних условиях и режимах работы.

Длямоделирования работы агрегатов в реальных условиях проводится множествоиспытаний и проверок. Один из важнейших видов испытаний – высотные(испытания агрегата при различных давлениях окружающей среды от вакуума доатмосферного). Подобные испытания имитируют поведение агрегатов иустройств, при пониженном давлении и позволяют получить данные недоступные при обычных (атмосферных) условиях работы двигателя.

Какизвестно, режим работы сопла ЖРД сильно зависит от давления на его срезе, принесоответствии давления расчетному режиму двигатель работает наперерасширенном или на недорасширенном режиме. Подобные режимы работынапрямую влияют на тягу и удельный импульс создаваемые двигателем.Отдельно из РД стоит выделить ЭРД, так как условия их эксплуатации неподразумевают работы в атмосфере и испытания их работы проводятся только ввакууме. Для авиационных двигателей также проводятся высотные испытания.Помимо этого, разряжение применяется при проверке кавитационного запасанасосных агрегатов и баковых систем. Общая схема высотных испытанийзаключается в следующем: объект помещается в замкнутый объем – вакуумнаякамера, в которой создается пониженное давление и производится тестовыезапуски, при не существенном влиянии газоприхода продуктов сгорания надавление в вакуумной камере, во время работы двигателя вакуумные насосы неработают.

Если же объем истекающего из сопла газа во время испытаний ведетк существенному повышению давления, то вакуумные насосы работаютпостоянно. В большей части вакуумных насосов присутствуют трущиеся ивращающиеся части, что существенно снижает их ресурс. Часть насосовиспользует в качестве смазывающего вещества масло, которое в видемелкодисперсных частиц выбрасывается в атмосферу вместе с откачаннымвоздухом. Помимо этого, при испытаниях двигателей приходится работать сгорячим газом и механические вакуумные насосы не используются приподобных испытаниях.

В настоящее время для обеспечения разряжения привысотных испытаниях применяются струйные аппараты - эжекторы, в некоторыхслучаях генератором рабочего тела эжектора может выступать и сам двигатель,но в основном используется жидкость. Использование жидкости позволяет нетолько увлечь за собой газ из вакуумной камеры, но и при необходимостиохладить его также происходит снижение вредных выбросов, эжектор работаетв качестве нейтрализатора, принцип действия жидкостных нейтрализаторовзаключается в пропускании отработанных газов через слой жидкости, чаще всего- воду.

Обезвреживаются растворенные вредные вещества: альдегиды, оксиды3серы, высшие оксиды азота, задерживается сажа, жидкие аэрозоли (компонентынесгоревшего топлива). Более полное поглощение примесей может бытьдостигнуто только использованием растворов NH3, NaOH, NaCO3, МnO4,этаноламинов или твердых сорбентов.В общем виде эжектор представляет из себя струйный аппарат, ресурскоторого представляет из себя время эрозии отверстия под воздействием водыили газа и охлажденных продуктов сгорания реактивных двигателей.Данная работа посвящена созданию инженерной методики проектированияжидкостно-газовыхэжекторовсдвухфазнымрабочимтеломипрофилированным сверхзвуковым соплом с использованием пакетовприкладных программ гидрогазодинамики, рассмотрено применениежидкостно-газовых двухфазных эжекторов для создания разряжения припроведении высотных испытаний реативных двигателей, проведен анализ ранеепроделанных работ в данной сфере.

Основными характеристиками вакуумныхэжекторов и насосов являются: абсолютное давление в откачиваемом объеме,массовый или объемный расход откачиваемого газа. Помимо перечисленных,для оценки эффективности эжекторов применяется параметр - коэффициентэжекции, который представляет собой отношение массового расхода жидкости кмассовому расходу эжектируемого газа. Объект исследования в работерассматривается не только как устройство для создания вакуума, но и какустройство для смесеобразования, в частности для создания двухфазной струи сзаданными параметрами, с возможностью применения для подачи компонентовтоплива в камеры сгорания реактивных двигателей в том числе ГПВРД.Таким образом, исследование повышения эффективности двухфазныхструйных аппаратов является актуально научно-технической задачей дляавиационно-космической отрасли.

Это прежде всего, связано с отсутствиемсовременной инженерной методики численного моделирования процессовформирования рабочего тела в двухфазных жидкостно-газовых струйныхаппаратах. Кроме того, в настоящее время используются методики расчета,основывающиеся на экспериментальных коэффициентах, при этом развитиеинструментов компьютерного моделирования позволяет проводить численноемоделирование двухфазных потоков с высокой точностью при низкихматериальныхзатратах.Совершенствованиеметодикрасчетаиэкспериментальная проверка результатов численного моделирования процессовв двухфазных жидкостно-газовых струйных аппаратах является актуальнойнаучной задачей.Объектомисследования является жидкостно-газовый двухфазныйэжектор с сверхзвуковым соплом и регулируемыми проходными сечениямижидкости и газа (для коррекции расходов компонентов и определения влияниягеометрических характеристик на удельные параметры двухфазного жидкостногазового эжектора).Целью работы является развитие и совершенствование методикичисленного расчета и экспериментального исследования процессов в эжекторес двухфазным рабочим телом, для повышения эффективности стендовогооборудования, уменьшение вредных выбросов и снижение материальных затрат4при проведении испытаний реактивных двигателей и их агрегатов путемсовершенствования процесса разработки двухфазных жидкостно-газовыхструйных эжекторов большой и малой производительности, с применениемчисленного и экспериментального моделирования внутренних процессов.Основные задачи, решаемые в диссертационной работе:1.

Анализ современного состояния и перспектив развития двухфазныхжидкостно-газовых эжекторов с учетом применения в авиационной иракетной сфере.2. Оптимизация конструкции струйной форсунки для формированиядвухфазного потока на входе в камеру смешения эжектора.3. Определение влияния характеристик двухфазного рабочего тела наудельные параметры эжектора.4. Выбор оптимальных условий расчета двухфазного эжектора в пакетахприкладных программ гидрогазодинамики.5. Верификация результатов расчета по экспериментальным данным, наоснове сравнения расходов, давлений компонентов и параметров струи навходе и выходе из эжектора для оценки адекватности использованныхматематических моделей, с учетом допущений и граничных условий,принятых при расчетах.6. Разработка рекомендаций по проектированию двухфазных жидкостногазовых эжекторов с использованием пакетов прикладных программвычислительной гидрогазодинамики и экспериментально полученныхданных.Научная новизна работы заключается в следующем: Проведен сравнительный анализ применения ЖГСА для высотныхиспытаний РД в сравнении с уже существующими ЖГСА и ГГСА. Проведен анализ влияния взаиморасположения элементов эжекторана его производительность. Проведен анализ влияния дисперсности рабочей жидкостисмесительного элемента эжектора на удельные параметры ЖГСА. Разработана методика численного моделирования рабочего процессажидкостно-газового двухфазного эжектора в пакетах прикладныхпрограмм гидрогазодинамики с учетом параметров струи. Проведена оценка погрешности экспериментальных данных исравнение их с результатами численного моделирования процессовв двухфазном –жидкостно-газовом эжекторе. Даны рекомендации по моделированию двухфазных ЖГСА дляповышения эффективности проведения высотных испытаний РД иобщепромышленного применения.Практическая значимость работы.