Диссертация (Численное моделирование рабочего процесса в камере сгорания ракетного двигателя малой тяги с центробежными форсунками), страница 2

Подобная методикаможет послужить существенным шагом к более точному, быстрому, полноценномупроектированию изделия инженером, а также даст толчок оптимизации рабочегопроцесса в РДМТ. Такая методика также сможет, базируясь на данныхоптимального рабочего процесса (с точки зрения эффективности) предложитьтехнические требования к элементу распыливания топлива (форсунке).Необходимо отметить, что дальнейшее развитие двигателей малой тяги ивообщеРДбудетсвязаносиспользованиемэкологическичистыхвысокоэффективных (удельный импульс около 2900 м/с) пар топлива, таких каккислород + водород, керосин + кислород, кислород + метан, ВПВ + керосин, спирт+ кислород [1].

Довольно существенный по этому направлению опытсформировался и продолжает накапливаться в российских и иностранных научныхи промышленных центрах. Среди отечественных организаций можно выделитьОАО «ТМКБ «Союз», конструкторское бюро химического машиностроения имениА.И. Исаева, ФГУП «Научно-исследовательский институт машиностроения»(ФГУП «НИИМаш»).

За рубежом в этой области ведутся работы Boeing, NorthropGrumman Space Technology, Lockheed Martin, EADS, Beijing Aerospace PropulsionInstitute наряду с Space Flight Institute of Power Machinery Shanghai из Китая, INPEв Бразилии, активно продвигаются работы по исследованию РДМТ в ЮжнойКорее.

Важно упомянуть о сложностях, с которыми приходится сталкиваться прииспользовании Ж + Г пары топлив - запас газообразного компонента находится вжидком состоянии, поэтому в системе питания двигательной установки ДУ8требуется предусмотреть наличие газификатора. Задача в большей степеникасается топливных пар, где используется кислород, и решать ее можно по примеруопыта с ДУ для МТКК "Буран".Наиболее сложным по влиянию на рабочий процесс является центробежныйтип распыливания жидкого компонента (скорость подачи и угол распыливания,сильно влияющие на перемешивание компонентов в небольшом объеме, созданиеза счет конуса распыливания обратных токов вблизи смесительной головки,мелкость распыливания и т.п.), этот же вид распыливания является самымраспространенным в РДМТ (во-первых, за счет создания наиболее однороднойсмеси в малом объеме КС).

Таким образом, глубоко важным может бытьисследование зависимости влияния на полноту сгорания параметров подачитоплива именно с помощью центробежных видов форсунок.Важным является исследование влияния различных параметров подачикомпонентов топлива в ядро и на завесу на тепловое состояние стенок конструкции,однако, полноценное исследование этого вопроса связано с анализом частного ивзаимного влияния параметров ввода топлива, конфигурации двигателя, свойствтоплив и материала конструкции.

Это исследование, ввиду масштабности иограниченности объема диссертационной работы, тяжело произвести в ее рамкахтщательным образом. Исходя из этого, в текущей работе изучение рабочегопроцесса идет относительно энергоэффективности двигателя.В данной работе представлена попытка создания методики моделированиярабочего процесса в КС с учетом влияния подачи компонентов топливацентробежными форсунками и завесного охлаждения на примере РДМТ,работающего на паре жидкий керосин + газообразный кислород для разработки исоздания высокоэффективных РДМТ.Кроме того, в диссертационном исследовании рассматривается возможностьсоздания «сквозной» методики моделирования рабочего процесса в КС ипоследующей оптимизации самого рабочего процесса и смесительных элементов.Объектом исследования является рабочий процесс в КС РДМТ сцентробежными форсунками.9Целью работы является построение методики моделирования рабочегопроцесса в КС РДМТ для разработки эффективных РДМТ.Основные задачи, решаемые в диссертационной работе:1.Анализ современного состояния в области разработки расчетныхподходов определения качества смесеобразования.2.Разработка математической модели расчета рабочего процесса в КС сучетом распыливания и завесного охлаждения жидким компонентом топлива.3.Верификация разработанной модели на основе результатов огневыхиспытаний РДМТ и анализ применимости выбранных моделей и используемыхдопущений.4.Разработка методики «сквозного» расчета рабочего процесса в РДМТ иоптимизации элементов ввода топлива.5.Определениезависимостиинтегральныхпоказателейкачестварабочего процесса от параметров ввода топлива.Научная новизна работы состоит в следующем:1.Проведен анализ влияния основных параметров ввода топливафорсунками (распределение капель по диаметрам, компоненты скорости ввода) наполноту сгорания в КС РДМТ.2.Предложенаметодикамоделированиязавесногожидкостногоохлаждения с помощью подхода Лагранжа-Эйлера и проведен анализ влиянияосновных параметров подачи завесного охлаждения (диаметр капель завесы,скорость подачи) на полноту сгорания в КС РДМТ.3.Предложены рекомендации по увеличению полноты сгорания путемоптимизации параметров подачи топлива в КС РДМТ.4.Предложена «сквозная» методика оценки рабочего процесса сосмесеобразованием и сгоранием компонентов топлива в КС и последующейоптимизацией системы смесеобразования.Теоретическая и практическая значимость работы:Усовершенствованнаясмесеобразованияиинженернаясгоранияжидкогометодикатопливарасчетапроцессовпозволяетуточнить10прогнозирование параметров эффективности двигателя.

Корректное численноемоделирование с помощью коммерческого комплекса ANSYS CFX сравнимо поточности оценки показателей эффективности в РДМТ с экспериментальнымиданными, позволяет дополнить и/или заменить экспериментальное исследование,позволяет определять параметры эффективности КС РДМТ с приемлемой дляинженерной практики точностью.Методы исследования:При решении рассматриваемых задач использовались численные методымоделирования процессов газовой динамики, реализованные в коммерческомпакете ANSYS CFX.Положения, выносимые на защиту:1.Результаты численного математического моделирования рабочегопроцесса КС РДМТ с учетом завесного охлаждения.2.Результаты оценки влияния параметров подачи компонентов топливана интегральные показатели качества рабочего процесса в КС РДМТ.3.Методика «сквозного» расчета со смесеобразованием и сгораниемжидкого и газообразного компонентов топлива и последующей оптимизацииэлементов ввода компонентов топлива.Достоверностьполученныхрезультатов,выводовирекомендаций,сформулированных в диссертации, обеспечивается:использованием общеизвестных научных положений и методовисследований;использованием фундаментальных положений газовой динамики;применением сертифицированных программных средств численныхрасчетов различных приложений механики сплошной среды (Ansys CFX);согласованиемрезультатовчисленногоэкспериментальными данными.Основным вкладом диссертанта является:экспериментас111.

Разработка математической модели рабочего процесса в РДМТ накомпонентах керосин - газообразный кислород с учетом распыливания, испарения,горения компонентов топлива.2. Проведение оценки результатов работы математической модели рабочегопроцесса и картины течения в КС при сравнении результатов физического ичисленных экспериментов.3. Разработка "сквозной" методики расчета рабочего процесса в КС РДМТ ипоследующей оптимизации смесительных элементов. Критический анализперспектив, преимуществ и недостатков методики.4.

Проведение численного исследования влияния параметров вводакомпонентов топлива (параметры распределения капель, компонент скорости) наполноту сгорания топлива.5. Рекомендации по дальнейшему повышению качества рабочего процесса врассматриваемом экспериментальном двигателе и в двигателях подобнойразмерности, системы смесеобразования и компонентами топлива.Апробациярезультатовработы-основныерезультатыработыобсуждались на:- 14 международной конференции «Авиация и космонавтика - 2015» (МАИ(НИУ), г.

Москва, 2015);- Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения 2016» (МАИ (НИУ), г. Москва, 2016);- Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых испециалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении». (Москва,ЦИАМ, 26-28 мая 2015 г.)- Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения 2017» (МАИ (НИУ), г. Москва, 2017);Публикации: по теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 4в рецензируемых изданиях, 8 в соавторстве.12Структура и объем диссертации: работа состоит из введения, четырех глав,заключения, списка сокращений, списка использованных источников, приложения,всего 144 страницы, 47 рисунков, 12 таблиц.Краткое содержание работы:Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачиисследования, отражены научная новизна, практическая значимость, приведенынаучные положения, выносимые на защиту.В первой главе представлен обзор литературных источников, посвященныхисследованиям в области смесеобразования центробежными форсунками и расчетадвухфазных задач.Вторая глава посвящена объекту исследования и оценке допущений,применяемых в текущей работе.В третьей главе описаны расчетные исследования смесеобразования ивлияния различных параметров на эффективность рабочего процесса, а такжеметоды моделирования рабочего процесса, используемые в данной работе.В четвертой главе производится верификация разработанной моделирабочегопроцессапосредствомсравнениярезультатоврасчетасэкспериментальными данными.

Приводится описание «сквозной» методикиоценки качества рабочего процесса и оптимизации конструкции смесительныхэлементов и параметров подачи топлива в РДМТ.Заключение содержит основные результаты и выводы диссертационнойработы.Работа выполнена при поддержке Министерства образования и наукиРоссийской Федерации в рамках государственного задания 13.7418,2017/БЧ.13ГЛАВА 1. РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВАСМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ (ОБЗОР)Смесеобразование, вне всяких сомнений, играет основополагающую роль вформировании течения в КС, а значит, напрямую влияет на энергетическиепоказатели двигателя.

В то же время, расчетная оценка рабочего процессанепосредственно внутри КС уже давно, если позволяют ресурсы, производится спомощью численного моделирования (у которого есть неоспоримые преимуществапри расчете таких задач), то расчет процессов смесеобразования может опиратьсяна некоторые из многочисленных подходов оценки параметров распыливания. Этои эмпирические методики, и различные подходы, используемые в связке счисленным моделированием течения в элементах системы смесеобразования.Возникает вопрос выбора метода оценки параметров качества распыливания.