Автореферат (Снижение шума блочной сверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива при помощи инжекции воды)

На правах рукописиБАКУЛЕВ Владимир ЛеонидовичСНИЖЕНИЕ ШУМА БЛОЧНОЙ СВЕРХЗВУКОВОЙСТРУИ С ВОЗМОЖНЫМ ДОГОРАНИЕМ ТОПЛИВА ПРИПОМОЩИ ИНЖЕКЦИИ ВОДЫСпециальность 01.02.05 —«Механика жидкости, газа и плазмы»Авторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург — 2016Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.Научный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорМатвеев Сергей КонстантиновичОфициальные оппоненты: Садин Дмитрий Викторовичдоктор технических наук, профессор,Военно-космическая академия им.

А. Ф. Можайского, профессор кафедры контроля качества и испытаний вооружения, военной и специальной техникиЧернышов Михаил Викторовичдоктор технических наук, доцент,Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, заведующий кафедрой «Экстремальные процессы в материалах и взрывобезопасность»Ведущая организация:Балтийскийгосударственныйтехническийуниверситет «Военмех» им. Д. Ф. Устинова(Санкт-Петербург)Защита состоится 23 июня 2016 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.232.30 на базе Санкт-Петербургского государственногоуниверситета по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 28, математико-механический факультет, ауд.

405.СдиссертациейможноознакомитьсявНаучнойбиблиотекеим. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9инасайтеhttps://disser.spbu.ru/disser/soiskatelyu-uchjonoj-stepeni/dislist/details/14/910.html.Автореферат разослан «»Ученый секретарьдиссертационного советаД 212.232.30, д.ф.-м.н., проф.2016 года.Кустова Е. В.3Общая характеристика работыАктуальность темы.Задачи по изучению космоса требуют непрерывного увеличения мощности двигательных установок ракет космического назначения (РКН), чтонеизбежно приводит к росту аэродинамического шума. Акустическое поле,генерируемое РКН во время старта, вызывает сильные виброакустические напряжения как на корпусе ракеты, так и на стартовых сооружениях, что можетпривести к их усталостному разрушению. Также серьезную опасность вызывает факт совпадения частотного спектра акустического излучения струи соспектром собственных частот агрегатов и приборов РКН, что может привести к резонансу.

В настоящее время проблема снижения акустического воздействия на экипаж РКН является одной из главных проблем пилотируемыхполетов.В экспериментальном направлении за последнее время все большеезначение приобретают вопросы снижения акустического излучения высокоскоростных реактивных струй с помощью инжекции воды в слой смешения.Несмотря на достаточно большую историю развития данного метода, ввидутого, что большинство исследований выполнено экспериментально на мелкомасштабных установках с использованием одиночных струй, а также из-заотсутствия расчетных моделей сложно прогнозировать его эффективность приизменении конфигурации сопел.

Так, РКН тяжелого и сверхтяжелого классовимеют, как правило, блочную компоновку сопел двигательных установок первой ступени, что приводит к изменению характера генерации акустическогополя по сравнению с односопловыми двигательными установками. Исследования особенностей излучения шума блочных сверхзвуковых струй крайнеограничены и имеют в основном экспериментальный характер. Так же современные реактивные двигатели преимущественно работают при коэффициентеизбытка окислителя меньше единицы.

В связи с тем, что в соплах происходитохлаждение продуктов горения, состав продуктов горения постепенно замораживается. Это приводит к тому, что в выхлопной струе может произойти догорание выхлопных газов из-за взаимодействия с атмосферным кислородом,что существенно изменяет газодинамические параметры в струе. Источникишума сверхзвуковых струй, вызванные физико-химическими процессами и, вчастности, догоранием топлива, в настоящее время практически не изучены.Таким образом, решение задач по снижению акустических нагрузокпри старте РКН требует разработки новых технических систем для стартовыхкомплексов.

Это делает актуальным исследование снижения акустическогошума блочной сверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива в направлении вверх по течению при помощи инжекции воды в слой смешения.Объектом исследования является блочная сверхзвуковая струя, а предметом исследования — акустический шум блочной сверхзвуковой струи с воз-4можным догоранием топлива, излучающийся в направлении вверх по течению.Целью исследования является снижение акустического шума блочнойсверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива, излучающегося в направлении вверх по течению, при помощи инжекции воды в слой смешения.Поставленная цель достигается решением следующих задач:1.

Разработка методики проведения экспериментального исследования влияния инжекции воды в слой смешения блочной сверхзвуковой струи наакустический шум, излучающийся в направлении вверх по течению;2. Разработка методики обработки результатов акустических измерений,позволяющей анализировать динамику акустического излучения в зависимости от изменения параметров струи;3. Экспериментальное исследование влияния геометрических характеристик инжекции воды на акустическое поле блочной сверхзвуковой струи,излучающееся в направлении вверх по течению;4.

Экспериментальное определение источников шума блочных сверхзвуковых струй, связанных с догоранием топлива в слое смешения, разработка математической модели излучения и определение влияния инжекцииводы на акустическое излучение этих источников.Научная новизна работы. Основной научный результат диссертационной работы заключается в разработке нового научно-методического обеспечения, позволяющего снизить акустический шум блочной сверхзвуковой струис возможным догоранием топлива, излучающийся в направлении вверх по течению, при помощи инжекции воды в слой смешения:1.

Разработана методика проведения испытаний, которая позволила определить оптимальные с точки зрения снижения шума углы инжекции воды в слой смешения сверхзвуковой блочной струи. Установлено, что инжекция воды под углом 60 относительно оси струи более эффективна вприсопловой зоне модели РКН, тогда как в головной части наибольшееснижение интенсивности акустического излучения наблюдалось при инжекции воды параллельно оси струи;2. Впервые детально исследовано акустическое поле блочных сверхзвуковых струй с догоранием топлива. Установлено, что догорание топливаможет привести к значительному увеличению интенсивности акустического излучения за счет генерации дискретного тона;3. Впервые разработана математическая модель генерации дискретного тона блочной сверхзвуковой струей с догоранием топлива.5Научная и практическая значимость.

Научная значимость заключается в развитии теории акустического излучения сверхзвуковыми струями. Результаты исследования могут быть использованы при проектировании системснижения акустических нагрузок для стартовых комплексов перспективныхРКН тяжелого и сверхтяжелого классов.Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью поставленных экспериментов с наличием дублирующих систем измерения, корректностью применяемых методов и средств обработки результатовэкспериментов, а также качественным совпадением с результатами аналогичных исследований других авторов.Основные положения, выносимые на защиту:1.

Результаты экспериментального исследования снижения акустического шума блочной сверхзвуковой струи, излучающегося в направлениивверх по течению, при помощи инжекции воды в слой смешения;2. Результаты экспериментального исследования особенностей акустического поля блочной сверхзвуковой струи с догоранием топлива;3. Математическая модель генерации дискретного тона блочной сверхзвуковой струей с догоранием топлива.Экспериментальные данные, используемые в работе, помимо автораполучены сотрудниками АО «КБСМ» А. М.

Воробьевым, А. Т. Макавеевым, А. Б. Кузнецовым и сотрудниками филиала ФГУП «ЦЭНКИ» — НИИСКА. Б. Бутом, Т. О. Абдурашидовым.Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: Международнаяконференция по механике «Шестые Поляховские чтения» (Санкт-Петербург,2012 г.); III научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов«Старт в будущее» (Санкт-Петербург, 2013 г.); Научно-технический семинарпо вопросам разработки и создания системы эксплуатации космодрома «Восточный» (Санкт-Петербург, 2013г.); Молодежная конференция «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике» (Звездный городок, 2013г.); Х международная научно-техническая конференция«Технические средства противодействия террористическим и криминальнымвзрывам» (Санкт-Петербург, 2014 г.); Международная научно-практическаяконференция «Безопасность космических полетов» (Санкт-Петербург, 2014 г.);Всероссийская научная конференция «Проблемы газовой и волновой динамики и ракетной техники» (Москва, 2014 г.); Международная конференция помеханике «Седьмые Поляховские чтения» (Санкт-Петербург, 2015г.); X всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействие терроризму» (Санкт-Петербург, 2015 г.);Общероссийская научно-техническая конференция «Седьмые Уткинские чтения» (Санкт-Петербург, 2015 г.).

Результаты также докладывались на научных6семинарах кафедры гидроаэромеханики Санкт-Петербургского государственного университета.Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 9печатных изданиях [1–9], 3 из которых изданы в журналах, рекомендованныхВАК [1–3]. В работе [2] Воробьеву А. М. принадлежит общее руководствонад экспериментальным исследованием; Макавееву А. Т. и Кузнецову А. Б.принадлежит разработка экспериментальной и двигательной установок; Абдурашидову Т. О.