Диссертация (Численное моделирование рабочего процесса в камере сгорания ракетного двигателя малой тяги с центробежными форсунками)

Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образования«Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)»на правах рукописиСтрокач Евгений АлександровичЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССАВ КАМЕРЕ СГОРАНИЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ СЦЕНТРОБЕЖНЫМИ ФОРСУНКАМИСпециальность 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательныхаппаратов»Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорКозлов Александр АлександровичМосква - 20172ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………..5ГЛАВА 1. РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВАСМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ (ОБЗОР)……….…………………………...…………..…131.1.

Эмпирические подходы к определению мелкости распыливания…...……….141.1.1. Распыливание центробежными однокомпонентными форсунками………...141.1.2. Распыливание двухкомпонентными центробежными форсунками…………161.2. Численные методы моделирования двухфазных течений……………………..181.2.1. Со свободной поверхностью………………………………………...…………191.2.2. Подход Эйлера – Лагранжа…………………………………………………….201.2.3. Моделирование процессов дробления и смесеобразования в современныхпакетах вычислительной гидрогазодинамики……………………………………….221.3. Описание распределения капель по диаметру……….…………………………311.3.1.

Эмпирические методы………………………………………………………….321.3.2. Метод максимальной энтропии………………………………………………..321.3.3. Подход дискретной функции плотности вероятности………………………..331.3.4. Подход стохастических моделей дробления………………………………….341.4. Выводы по главе……………………………………………………………….….34ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ……………….…………………………….372.1. Физическая картина течения в форсунке…………………………………….….392.2. Физическая картина течения в КС………………………………………………392.2.1.

Распределение компонентов………………………………………..…….……392.2.2. Распыление топлива………………………………………………………….…412.2.3. Горение топлива………………………………………………………...………422.2.4. Течение в охлаждающей завесе…………………..……………………………43ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КСРДМТ………………………………………………………...…………….......………463.1. Допущения, принятые при разработке модели рабочего процесса в КСРДМТ……………………………………………………………………………….….473.2. Требования, предъявляемые к модели рабочего процесса в РДМТ………..…4833.3. Уравнения, использующиеся для описания рабочего процесса………..……....493.3.1 Основные уравнения потока и модели турбулентности……………………....493.3.2. Методы моделирования движения капель жидкой фазы, испарения,дробления, теплообмена………………………………………………………………523.3.3.

Моделирование горения………………………………………………………..553.4. Реализация численного исследования в Ansys CFX……………………...……..613.4.1. Расчетная область и сетка………………………………………………………613.4.2. Модели вторичного дробления………………………………………………...633.4.3. Расчетное исследование оптимального соотношения скоростей междуфорсунками. Сравнение с термодинамическим расчетом………………………….643.4.4.

Исследование влияния дисперсности распыливания жидкого компонентатоплива на полноту сгорания…………………………………………………...……673.4.5. Исследование влияния на эффективность параметров подачи топлива в ядропотока……………………………………………………………….…………….........753.4.6. Исследование влияния на эффективность параметров подачи топлива в ядропотока и на завесное охлаждение………………………...…………..…………........793.4.7.

Выводы по главе…………………………………………………………….…..84ГЛАВА4.ВЕРИФИКАЦИЯМАТЕМАТИЧЕСКОЙМОДЕЛИРАСЧЕТАРАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КС РДМТ. МЕТОДИКА «СКВОЗНОГО» РАСЧЕТАПРИ ОЦЕНКЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В РДМТ…………………………...….….864.1. Верификация разработанной математической модели рабочего процесса…...864.1.1.

Допущения и особенности численного эксперимента…….……………….…864.1.2. Расчетная область, сетка, граничные и начальные условия……..……………884.1.3. Результаты моделирования и сравнение………………………………………914.1.4. Выводы и рекомендации……………………………………………………….964.2. Методика «сквозного» расчета при рассмотрении рабочего процесса вРДМТ………………………………………………………………..………...……….974.2.1. Описание методики…………………………………………………………......974.2.2. Однокомпонентные жидкостные центробежные форсунки…………...…....1044.2.3.

Двухфазные центробежные форсунки……………………………………….10644.2.4. Описание методики на примере использования…………….……………….1084.2.5. Вопросы верификации и дальнейшего развития методики…………………114ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………116СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ………………………………………………………….118СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………………..119ПРИЛОЖЕНИЕ 1…………………………...………………………………………..1355ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследования:Быстрый рост заинтересованности и амбициозность планов лидеров научнотехнического прогресса в космической отрасли в векторе совершенствованиясистем обороны, научных исследований, связи, метеорологии, получения новыхзнаний о космосе и его объектах, ведут к все большему развитию и всеусложняющимсятребованиямккосмическимсредствам,позволяющимосуществлять функционирование таких систем.

Эти задачи, стоящие остро сейчас,и, как считается, обретут особенную важность в будущем, требуют наличияуправляемости и мобильности этих систем. Функции управления осуществляютсяисполнительнымиорганамисистемыуправлениялетательногоаппарата.Ориентация аппарата в пространстве, его передвижение, управление траекториейосуществляют составляющие таких исполнительных органов – ракетные двигателималых тяг (РДМТ). Поэтому исследования в области создания и улучшенияпоказателей таких двигателей являются важнейшим направлением в деятельностипредприятия или научно – исследовательской группы космической отрасли.Разработка высокоэффективных РДМТ, таким образом, стоит в ряду самыхважных тенденций развития, ведь увеличение эффективности двигателей малойтяги увеличивает и время пребывания летательного аппарата (ЛА) на орбите.

Припроектировании разработчик сталкивается с целым рядом сложностей, основанныхна процессах, происходящих в горячей части двигателя – камере сгорания (КС).Это и взаимодействие газовой и капельной фаз в случае жидкостных двигателей, ивысокие градиенты температур и давлений в области смесительной головки КС,диффузионное и конвективное перемешивание, повышенная турбулентностьпотока. Чуть дальше от форсунки большое влияние начинают приобретатьпроцессы горения, а значит, и большие значения диффузии компонентов, высокиетепловые потоки, и т.п.

Важной задачей также становится поддержаниеблагоприятного теплового состояния стенок конструкции, что во многомопределяет работоспособность и эффективность РДМТ [1-4]. Кроме того, вусловиях двигателей малой тяги безальтернативным видом защиты стенки от6повышенных тепловых потоков является внутреннее охлаждение. Еще однойважной особенностью рабочего процесса в РДМТ является ограниченность объемарабочегопространства.Этозаставляетвмалыхразмерахреализоватьэнергетический потенциал компонентов и организовать эффективную защитуконструкции от нагрева. Эти задачи осложняются импульсным типом работыРДМТ, при котором нестационарные эффекты прогрева стенки, зажигания,колебания параметров подачи топлива становятся определяющими.Принимая во внимание описанные трудности, можно видеть, наскольковажным является для разработчика получение полной информации о рабочемпроцессе в горячей части РДМТ за относительно малое количество времени и принаименьших материальных затратах.

Частично решить эту задачу позволяютполучившие распространение к настоящему моменту численные методыразработкиипроектирования.Ониобладаютпреимуществамипередэкспериментальными исследованиями двигателей и процессов в них, а также посравнению с аналитическими зависимостями, разработанными с помощьюэкспериментальной верификации, и имеющими не всегда широкую областьприменения [4]. Однако, моделирование с помощью численных подходов требуетразработки модели применительно к рабочему процессу и последующей ееэкспериментальной верификации.Степень разработанности темы определяется тем, что проведено ужедостаточно большое количество частных работ, посвященных рабочему процессув КС РДМТ [4, 5-15], однако небольшое количество из них посвящено построениюметодики моделирования процессов в РДМТ, где один из компонентов подается вКС в жидком состоянии, а другой – в газообразном (в особенности, при учетецентробежного способа подачи и завесного охлаждения жидким компонентом).Примерами таких работ на отечественном научном поле являются работы почисленному моделированию, проведенные на базе ЮУрГУ [10 – 13], ГНЦ ФГУПим.

Келдыша [4], а также некоторые работы МАИ [16-18]. Исследователи, помимопрочего, сходятся в использовании приближения дискретных частиц (подходаЛагранж - Эйлера) для моделирования распыливания жидкостей. У ведущих7предприятий аэрокосмического комплекса имеется и опыт разработки РДМТ с Г-Ги Ж-Г компонентами - проектирование РДМТ-200К (17Д16, созданный вНИИМаш) [12,19,20], некоторые разработки ОАО "ТМКБ "Союз", КБ химическогомашиностроения им. А.М. Исаева [21 – 24].Актуальность, как бы то ни было, приобретает задача создания и развитияполноценной инженерной методики, которая учитывала бы влияние параметровподачи топлива, внутреннее завесное охлаждение, а также все наиболее важныефизические процессы, происходящие в РДМТ, и эта методика должна бытьреализована с помощью численных методов моделирования.