Научный отчет № 5209

Название: Разработка и исследование перспективных двигательных систем с различными режимами горения для авиационно – космической техники. Этап 2. Газодинамический и термодинамический анализ эффективности рабочего процесса в камере сгорания и термохимических реакторах при использовании технологии ТКТ.
Авторы: Левин В.А., Марков В.В., Афонина Н.Е., Громов В.Г., Мануйлович И.С., Смехов Г.Д., Хмелевский А.Н.
Аннотация: Разработана технология численного моделирования взаимодействия сверхзвуковых потоков различного химического состава с газовыми разрядами, основанная на представлении разряда локальным источником энерговыделения заданной интенсивности иконфигурации. Эта технология базируется на комплексе программ численного интегрирования уравнений Навье-Стокса для нескольких моделей газовой среды и совокупности баз данных по термодинамическим, транспортным и кинетическим свойствам индивидуальных газов. Проведено численное исследование стационарного и нестационарного воспламенения и горения керосиновоздушной смеси для условий экспериментов в тестовом канале с использованием трех термически равновесных газофазных моделей. Определено влияние мощности, расположения и конфигурации теплового источника на изучаемые химические и газодинамические процессы, а также на основании полученных для нестационарных течений данных определены характерные времена нагрева газа, воспламенения керосиновоздушной смеси и распространения пламени в канале. Установлено, что для большинства конфигураций теплового источника мощностью Pd = 0.5 – 1.0 кВт/cм топливная смесь воспламеняется в отрывной зоне за уступом. При этом полнота сгорания находится в пределах 0.04 - 0.2, а ее максимум, вычисленный при мощности теплоподвода 1.0 кВт/cм приходится на центр отрывной зоны. Проанализировано влияние мощности теплоподвода и его расположения на воспламенение смеси и эффективность горения и получено, что для теплоподвода перед уступом с мощностью Pd =3.5 кВт/cм и выше смесь возгорается, а полнота сгорания в рассмотренных случаях не превосходит 0.045. Проведено экспериментальное исследование особенностей течения газовых смесей в осесимметричных моделях тяговых модулей на базе кольцевого сопла с дефлектором в виде внутренней полузамкнутой полости с условным диаметром ДУ 70 мм и формой выхлопного сопла в виде конуса с полууглом раствора 45°, минимальным диаметром основания d=66.4 мм и длиной 15 мм вдоль оси симметрии, при ширине критического сечения кольцевого сопла h*=3.05 и 4.4 мм и при давлениях торможения в пределах 10-15атм. Получены новые данные в случае течения воздуха и установлено, что: время запуска кольцевых сопел в исследованных режимах продувок составляет 7-9 мс, а рабочее время квазистационарного режима истечения - не менее 50 мс.; за времена запуска формируется осесимметричный кольцевой поток на входе кольцевого сопла; надежно регистрируется сигнал изменения величины тягового усилия и сигналы с датчиков давлений в дозвуковом и сверхзвуковом участках проточного тракта, которые являются базовыми для тестирования и верификации соответствующих расчетных моделей течения. В экспериментах с продуктами сгорания стехиометрической ацетиленовоздушной смеси качественная картина процесса подобна наблюдаемой при течении воздуха, но его временные характеристики отличны. На основе уравнений Эйлера сформулирована математическая модель, разработан вычислительный алгоритм и программа расчета, а также сформирована расчетная область и сетка, соответствующие по геометрии и размерам установке НИИ механики МГУ в различных конфигурациях. Проведено численное исследование течений в модели тягового модуля с кольцевым соплом и дефлектором в форме сферического сегмента воздухом комнатной температуры и высокотемпературными продуктами сгорания ацетиленовоздушной смеси при критическом сечении кольцевого сопла 3 и 4.4 мм и нескольких значениях давления в реакторе для пяти различных форм подводящих каналов, в том числе с наличием уступа, а также с его частичным или полным отсутствием. Получены нестационарные поля параметров потока, а также зависимости от времени газодинамических параметров в характерных точках области течения и интегральных характеристик тягового модуля. В случае воздуха проведено сравнение расчетов с экспериментами и показано хорошее соответствие как по величине силы, действующей на тяговую стенку, так и по значениям давления в ряде точек внутри газодинамического тракта установки. Выявлены неизвестные ранее закономерности, среди которых нестационарный характер поведения звуковой линии вблизи кольцевого сопла и формирование вихревых застойных зон как в полости дефлектора, так и в подводящем канале в окрестности кольцевого сопла. Проведены расчеты со скорректированной по результатам анализа полей скорости формой подводящего канала и показана возможность реализации в нем течения без застойных зон. Результаты исследования иллюстрированы графиками временных зависимостей параметров и полями газодинамических параметров. Расчеты показывают, что математическая модель и разработанные программы являются эффективным и надежным инструментом численного моделирования течений в установке.
Год публикации: 2013 г.
Объём: 72 с.
Научный руководитель: Левин В.А.
Ключевые слова: теоретическое и экспериментальное исследование, уравнения Эйлера, уравнения Навье-Стокса, математические модели, численный метод, камера сгорания, конверсин, проточный стабилизатор горения, ПВРД, экспериментальная установка, реактивное двигательное устройство, кольцевое сопло, горение, детонация, электрический разряд, тяговые характеристики.