МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ ПРИ НАЛИЧИИ ПОДВИЖНОГО ЦЕНТРАЛЬНОГО ТЕЛА В СОПЛОВОМ БЛОКЕ

Энергоустановки различных классов нашли широкое применение в космической и авиационной технике в качестве ускорителей взлёта самолётов, для отделения и увода отработавших ступеней космических ракет, обеспечения мягкой посадки при десантировании грузов, в системах аварийного спасения экипажей летательных аппаратов, в качестве газогенераторов и др. [2, 7, 14].

В качестве топлив в энергоустановках рассматриваемого типа могут использоваться как жидкие, так и твердые топлива. Особенности работы установок, работающих на твердотопливных зарядах, заключается в процессах горения и смешения продуктов сгорания (ПС), а также в газодинамических процессах в камере сгорания, протекающих на фоне изменяемой геометрии из-за выгорания топлива. Выгорание заряда может быть неравномерным в силу неравномерности распределения газодинамических параметров в камере сгорания. Также к особенностям можно отнести то, что скорость горения твёрдого топлива является сложноконтролируемым в процессе эксплуатации установки параметром, так как зависит от давления в камере сгорания. Расход газа через выходное сечение соплового канала и изменение поверхности горения будут обуславливать величину давления в камере сгорания, давление же в свою очередь будет определять скорость горения заряда [9, 12].

На практике часто возникают ситуации, когда необходимо иметь возможность управлять скоростью газового подвода, например, для интенсификации выработки газов в газогенераторе. Для таких режимов необходимо разработать методы регулирования скорости горения в данных установках.

Один из используемых на практике способов регулирования скорости горения твёрдого топлива является изменение проходного сечения выходного сечения. Данный метод основывается на возможности управлять значением давления в камере сгорания, и таким образом влиять на скорость горения [4, 10].

Данная работа посвящена исследованию особенностей газодинамических процессов в газогенераторе при работе системы управления скоростью горения. На рисунке 1 представлена схема расчётной области газогенератора с центральным телом в сопловом канале, ролью которого является перекрытие критического сечения с целью изменения площади проходного сечения. Рассматривается три предельных случая:

1. Вариант a – крайнее левое положение центрального тела соответствующее диаметру проходного сечения равного 21 мм.
2. Вариант b – среднее положение центрального тела соответствующее диаметру проходного сечения равного 18 мм.
3. Вариант c – крайнее правое положение центрального тела соответствующее диаметру проходного сечения равного 22.75 мм.

Рисунок 1. Расчётная область с указанием типов граничных условий

Исследуется влияние положения центрального тела на давления в камере сгорания. Для решения задач газовой динамики используются уравнения Навье – Стокса, осредненные по Рейнольдсу для сжимаемого совершенного газа [11,13]:

где  – вектор скорости осредненного течения с компонентами  – молекулярная и турбулентная составляющие тензора вязких напряжений,  – полная энергия газа,  – его полная энтальпия,  – молекулярная и турбулентная составляющие вектора плотности теплового потока,  – температура,  – удельная теплоёмкость газа при постоянном объёме,  – удельная теплоёмкость газа при постоянном давлении, – молярная масса газа,  – универсальная газовая постоянная. Для замыкания (1) используется модель турбулентности k-ω SST. Выражения для кинетической энергии турбулентности и удельная скорость её диссипации, как правило, связанной с кинетической энергией турбулентности и изотропной диссипацией соотношением [10]:

где – удельная скорость диссипации;  – кинетическая энергия турбулентности;  – генерационный член в уравнении для кинетической энергии;  – турбулентная вязкость; D - коэффициент перемешивания (турбулентно-молекулярной диффузии). Здесь:

Константы модели:

Данная модель хорошо описывает пристенные течения, в том числе, с большими градиентами давления.

Температура горения заряда и массовый расход считаются постоянными и имеют следующие значения:  = 2000 К,  = 40 кг/с. Постановка задачи двухмерная, осесимметричная.

Для построения геометрии был использован КОМПАС-3D.Для получения численного решения было выполнено разбиение геометрических моделей конечно-элементарной сеткой. Данный процесс выполнен в модуле ICEM.

На рисунке 2 представлено поле распределения давления в камере сгорания при расположении центрального тела по варианту a. Наблюдаются области повышенного давления в центральном канале газогенератора и в донной области камеры сгорания. Данные области давления соответствуют максимальным температурам. Также можно заметить вихревые области, образующиеся в области стенок заряда. Видно, что при данном расположении центрального тела давление в камере сгорания минимальное. На рисунке 3 представлено поле распределения давления в камере сгорания при расположении центрального тела по варианту b. Видно, что при данном расположении центрального тела давление в камере сгорания максимальное, а также из-за перемещения тела вглубь проходного сечения уменьшаются вихревые зоны вблизи стенки заряда. На рисунке 4 представлено поле распределения давления в камере сгорания при расположении центрального тела по варианту с.

На рисунке 5 представлены графики зависимостей давления от различного положения центрального тела в сопловом блоке. По графикам зависимостей можно сделать вывод, что при расположении тела по варианту а в камере сгорания происходят скачкообразные изменения давления, а также наблюдается наименьшее давление, связанное с наибольшим диаметром проходного сечения.

Рисунок 5. Графики зависимости давления внутри камеры сгорания от положения центрального тела

Заключение

Анализ полученных результатов численного моделирования позволяет сделать вывод, что благодаря наличию подвижного центрального тела в сопловом блоке газогенератора можно успешно изменять давление в камере сгорания, тем самым контролировать скорость горения заряда.

Особый интерес в рассматриваемом вопросе представляет исследование нестационарных процессов при перемещении центрального тела в новое положение, а также сопоставление данного метода с газодинамическим методом управления потоком, в котором осуществляется инжектирование газов с поверхности стенок сопла с целью сужения проходного сечения за счёт интенсивного вдува газа в сопловой канал.

Список литературы:

1. Абугов Д.И, Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твёрдого топлива. Учебник для машиностроительных вузов. – М.: Машиностроение, 1987. – 272с.
2. Алиев А.М., Липанов А.М. Проектирование ракетных двигателей твердого топлива. - М.: Машиностроение, 1995. 400с.
3. Белов, В.П. Внутрикамерные процессы в ракетных двигателях на твердом топливе: учебное пособие / Балт. гос. техн. ун-т. − СПб., 2018. – 56 с.
4. Беляева А.С., Тетерина И.В. Моделирование течения газа с частицами в околосопловом пространстве/ Молодежь. Техника. Космос: труды XI Общероссийской молодежной науч.-техн. конф.Т.1/ Балт. гос. техн. ун-т. –СПб.;. – 2019. – Библиотека журнала «Военмех. Вестник БГТУ», № 56. – 403 с.
5. Борисов В. А. Конструкция и проектирование ракетных дви­гателей твердого топлива: Учебное пособие. — Клнбышев: KуАИ, 1982. — 72 с.
6. Володин В.А. Конструкция и проектирование ракетных двигателей. – М.: Машиностроение, 1971. – 336с.
7. Волков К.Н., Емельянов В.Н., Тетерина И.В., Яковчук М.С. Газовые течения в соплах энергоустановок Москва.: Физматлит,2017.
8. Волков Е. Б., Мазинг Г. Ю., Сокольский В.Н. Твердотопливные ракеты. – М.: Машиностроение, 1992. – 288с.
9. Гречух Л.И., Гречух И.Н. Конструкция и проектирование РДТТ. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию. Омск, 2003
10. Губертов А.М., Миронов В.В., Борисов Д.М. и др.; под ред. Коротеева А.С. Газодинамические и теплофизические процессы в ракетных двигателях твердого топлива М.:Машиностроение, 2004. 512с.
11. Запрягаев В.И., Кавун И.Н., Кундасев С.Г. Расчетно – экспериментальное исследование газодинамической структуры сверхзвуковой перерасширенной струи/ Вестник НГУ. Серия: Физика. Том 8, выпуск 4. – 2013.
12. Лавров Л.Н. Конструкции ракетных двигателей на твёрдом топливе/ Л.Н. Лавров и [др.]; под общ. ред. Л.Н. Лаврова. – М.: Машиностроение, 1993. – 215 с.
13. Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Газовая динамика сопел. М.: Наука, 1990 г. 368 с.
14. Шишков А.А., Панин С.Д., Румянцев Б.В. Рабочие процессы в ракетных двигателях твёрдого топлива. Справочник Москва.: Машиностроение ,1989. – 240с.
15. Яскин А.В. Теория устройства ракетных двигателей: учебное пособие. – Бийск: Издательство государственного технического университета, 2013. – 262с.