МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ В КАНАЛЕ С МАССОПОДВОДОМ

В современном мире особое внимание уделяется исследованию процессов, происходящих в массоподводящих каналах твердотопливных газогенераторов. Одним из наиболее сложных и малоизученных явлений является интерференция ударных волн, которая может существенно влиять на эффективность и безопасность работы генератора.

Ударные волны представляют собой мощные физические явления, возникающие при сверхзвуковых процессах горения и движениях газов. Их взаимодействие в замкнутых пространствах массоподводящих каналов создаёт уникальную картину интерференции, порождая сложные волновые структуры.

Явление интерференции в таких условиях приобретает особую значимость, поскольку может приводить как к деструктивным последствиям. С одной стороны, правильное управление интерференцией может повысить эффективность работы газогенератора, с другой – неуправляемое взаимодействие волн способно вызвать значительные конструктивные разрушения.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки новых подходов к проектированию массоподводящих систем, способных минимизировать негативное влияние интерференции ударных волн. Понимание механизмов этого явления открывает новые возможности для оптимизации работы газогенераторов и повышения их надёжности.

Данная работа посвящена исследованию особенностей газодинамических процессов в газогенераторе при возникновении ударной волны в работающем газогенераторе и взаимодействии фронта данной волны с массоподводящей поверхностью. На рисунке 1 представлена схема расчётной области газогенератора. Рассматривается

Исследуется влияние ударной волны на параметры внутри газогенератора при взаимодействии ударной волны и массоподводящей поверхности на входной границе. Для решения задач газовой динамики используются уравнения Навье – Стокса, осреднённые по Рейнольдсу для сжимаемого совершенного газа [10, 12] :

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:  = 1000 К,  = 2.4 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 Mesh.

На рисунках 2 - 3 представлены физические поля давления и плотности соответственно. Данные результаты моделирования использовались в качестве начальных условий для задания набегающей ударной волны. В результате анализа данных полей можно сделать вывод, что рассматриваемое течение является установившимся, а решение сошедшимся. Также можно наблюдать сформировавшуюся бочкообразную структуру струи, исходящую из канала газогенератора и зону обратного течения, возникающую перед входной границей из-за незаполненной области.

На рисунках 4 - 7 представлены физические поля распределения давлений и плотности в массоподводящем канале после прохождения ударной волной выходного сечения канала  с давлением  и  соответственно. На рисунках 5, 7 можно наблюдать искажение фронта ударной волны в следствие действия на неё истекающего потока газа из входной границы, чего можно наблюдать дифракцию ударной волны, которая распространяется вдоль истечения потока газа из входной границы.

Заключение

Анализ полученных результатов численного моделирования позволяет сделать вывод, что при прохождении ударной волны через массоподводящую границу происходит поджатие инжектируемого газового потока, что приводит к флуктуациям в последующем течении, увеличению физических параметров внутри камеры газогенератора, а также переходу на неустановившийся режим течения.

Следует отметить, что в процессе подготовки начальных физических полей для последующих расчетов рассматривались как вязкая, так и невязкая постановки, и последующее сравнение показало, что влияние вязкостных эффектов вблизи инжектируемой поверхности незначительно и последующее моделирование можно проводить в невязкой постановке.

Список литературы:

1. Абугов Д.И, Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твёрдого топлива. Учебник для машиностроительных вузов. – М.: Машиностроение, 1987. – 272 с.
2. Алиев А.М., Липанов А.М. Проектирование ракетных двигателей твердого топлива. - М.: Машиностроение, 1995. 400 с.
3. Белов, В.П. Внутрикамерные процессы в ракетных двигателях на твердом топливе: учебное пособие / Балт. гос. техн. ун-т. − СПб., 2018. – 56 с.
4. Борисов В. А. Конструкция и проектирование ракетных дви­гателей твердого топлива: Учебное пособие. — Клнбышев: KуАИ, 1982. — 72 с.
5. Володин В.А. Конструкция и проектирование ракетных двигателей. – М.: Машиностроение, 1971. – 336 с.
6. Волков К.Н., Емельянов В.Н., Тетерина И.В., Яковчук М.С. Газовые течения в соплах энергоустановок Москва.: Физматлит,2017.
7. Волков Е. Б., Мазинг Г. Ю., Сокольский В.Н. Твердотопливные ракеты. – М.: Машиностроение, 1992. – 288 с.
8. Гречух Л.И., Гречух И.Н. Конструкция и проектирование РДТТ. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию. Омск, 2003
9. 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. 512 с.
10. 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.
11. 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.
12. Шишков А.А., Панин С.Д., Румянцев Б.В. Рабочие процессы в ракетных двигателях твёрдого топлива. Справочник Москва.: Машиностроение ,1989. – 240 с.
13. Яскин А.В. Теория устройства ракетных двигателей: учебное пособие. – Бийск: Издательство государственного технического университета, 2013. – 262 с.