Численное моделирование динамического взаимодействия продуктов сгорания энергетического конденсированного материала с элементами проточного тракта сложной формы

Язык труда и переводы:
УДК:
621.454.3
Дата публикации:
17 декабря 2021, 23:03
Категория:
Секция 03. Основоположники аэрокосмического двигателестроения и проблемы теории и конструкций двигателей летательных аппаратов
Авторы
Коптев Илья Иванович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Федотова Ксения Викторовна
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Гоголь Даниил Владиславович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Проведено численное моделирование течения высокотемпературных продуктов сгорания энергетического конденсированного материала (ЭКМ) в канале сложной формы с застойными зонами в программном комплексе ANSYS Fluent. Для различных вариантов ЭКМ проведен анализ влияния геометрических и режимных факторов на характеристики потока. Рассмотрены альтернативные подходы к моделированию двухфазных течений в каналах с нестационарной геометрией, продемонстрированы их преимущества и недостатки.
Ключевые слова:
ракетный двигатель на энергетических конденсированных материалах, вычислительная гидрогазодинамика, внутрибаллистические характеристики, двухфазный поток
Основной текст труда

Несмотря на широкое использование методов вычислительной газовой динамики для решения как фундаментальных, так и прикладных задач в различных областях техники, в области моделирования особенностей течения продуктов сгорания в проточном тракте ракетных двигателей на энергетическом конденсированном материале (ЭКМ) остаются сложности. Данные сложности связаны с тем, что в указанном типе двигательных установок одновременно протекают ряд взаимосвязанных нестационарных и нелинейных физико-химических процессов. Учет особенностей течения продуктов сгорания осложняется отслеживанием изменяющегося со временем положения поверхности ЭКМ, которое в общем случае зависит от параметров течения реагирующего потока. Движение трехмерной и осесимметричной поверхностей может сопровождаться топологическими изменениями, что значительно затрудняет алгоритмы интегрирования [1]. Кроме того, отсутствие возможности учета действительных характеристик высокотемпературного двухфазного реагирующего рабочего тела приводит к несоответствию результатов численного моделирования и экспериментальных данных.

Работа посвящена моделированию нестационарных процессов в проточном тракте ракетных двигателей на ЭКМ. Актуальность данной работы связана с большими затратами на отработку и испытание ракетных двигателей на основе ЭКМ. Необходимость проведения множества испытаний на различных режимах, а также сложность определения параметров течения в камере сгорания и сопле рассматриваемых двигательных установок приводит к значительной стоимости этапа отработки, которую можно снизить за счет применения методов вычислительной газовой динамики. Цель работы — провести обобщение и анализ методик численного моделирования нестационарных процессов в каналах сложной и переменной формы. В частности, были рассмотрены и изучены следующие результаты и задачи:

  • результаты доработки программного комплекса SIGMA, которые применяются для моделирования многомерных нестационарных турбулентных химически-реагирующих до-, транс-, сверхзвуковых газовых потоков в областях сложной криволинейной почти регулярной формы с учетом внутреннего и внешнего течения [2];
  • результаты написания комплексов прикладных программ на ЭВМ, использующий стандарт многопотоковой обработки информации OpenCL [3], и методы расчета;
  • задача расчета внутрибаллистических характеристик бессоплового ракетного двигателя на ЭКМ с применением осредненных уравнений внутренней баллистики в нестационарной постановке [4].

На основе проведенного анализа выполнена серия расчетов модельного ракетного двигателя на ЭКМ в программном комплексе ANSYS Fluent и проведена оценка соответствия модели общедоступным результатам экспериментальных исследований ракетных двигателей на ЭКМ. Практическая ценность проведенного исследования и его результатов состоит в повышении эффективности разработки научной и конструкторской документации, а также сокращении затрат на испытание и отработку ракетных двигателей на ЭКМ.

Литература
  1. Кирюшкин А.Е., Миньков Л.Л. Моделирование внутрикамерных процессов в ракетном двигателе на твердом топливе с учетом движения поверхности горения // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2021. № 71. С. 90–105.
  2. Димитриенко Ю.И., Захаров А.А., Коряков М.Н. Компьютерное моделирование нестационарных трехмерных процессов горения зарядов и течения продуктов сгорания в трактах РДТТ // Материалы XII Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (NPNJ'2018). (Алушта, 24–31 мая 2018 г.). М.: Изд-во МАИ, 2018. Т. 1. С. 121–123.
  3. Егоров М.Ю., Егоров С.М., Егоров Д.М., Мормуль Р.В. Численное моделирование нестационарных и нелинейных внутрикамерных процессов при срабатывании ракетного двигателя на твердом топливе специального назначения. Часть 1. Постановка вычислительного эксперимента // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2016. № 47. С. 53–72.
  4. Милёхин Ю.М., Ключников А.Н., Попов В.С. Сопряженная задача моделирования внутрибаллистических характеристик бессопловых РДТТ // Физика горения и взрыва. 2013. Т. 49. № 5. С. 77–85.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.