Численное исследование влияния режимных параметров на характеристики горения в камере ракетного двигателя малой тяги на топливе кислород — метан и кислород — водород

Язык труда и переводы:
УДК:
621.454
Дата публикации:
17 декабря 2021, 22:21
Категория:
Секция 03. Основоположники аэрокосмического двигателестроения и проблемы теории и конструкций двигателей летательных аппаратов
Авторы
Федотова Ксения Викторовна
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Ворожеева Олеся Андреевна
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Ковалев Кирилл Евгеньевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Использование экологически чистых компонентов в ракетных двигателях малой тяги (РДМТ) является в настоящее время перспективным направлением. Проведено численное моделирование процесса горения в камере сгорания модельного РДМТ на компонентах кислород — метан и кислород — водород с использованием редуцированных кинетических механизмов. Полученные результаты могут быть использованы для исследования теплового состояния РДМТ, работающего в импульсном режиме.
Ключевые слова:
ракетный двигатель малой тяги, вычислительная газовая динамика, горение, диффузионное пламя, горение метана, горение водорода
Основной текст труда

Перспективным направлением развития органов управления космическими аппаратами является использование ракетных двигателей малой тяги на экологически чистых компонентах. Для современных РДМТ характерны импульсный режим работы и отсутствие регенеративной системы охлаждения, что приводит к необходимости обеспечения стабильного процесса горения с требуемой адиабатной температурой продуктов сгорания [1]. Таким образом, при создании ракетных двигателей малой тяги (РДМТ), работающих в импульсном режиме, важной задачей является определение условий, обеспечивающих надежное воспламенение и устойчивое высокоэффективное сгорание экологически чистых топливных пар: окислителя кислорода в сочетании с метаном или водородом. Одним из возможных способов стабилизации пламени является подбор соответствующих режимных и геометрических факторов. Таким образом, важной задачей становится разработка математической модели, позволяющей проводить численный расчет параметров неравновесного потока смеси газообразных горючего и окислителя в теплонагруженных камерах сгорания РДМТ.

Рассмотрена модельная камера сгорания ракетного двигателя малой тяги, выполненная по схеме с центральным осевым подводом окислителя и различным количеством боковых отверстий подачи горючего. Проведено трехмерное численное моделирование диффузионного режима горения газообразных метана и водорода в газообразном кислороде в камере сгорания модельного РДМТ, основанное на решении осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье — Стокса, дополненных соответствующими редуцированными кинетическими механизмами [2, 3]. Для замыкания система уравнений дополнена моделью турбулентности k – ε и уравнением состояния идеального газа. Для совместного решения задач турбулентного течения и химической кинетики используется модель распада вихрей EDM (Eddy Dissipation Model) [4], в которой ламинарными скоростями реакции пренебрегают, поскольку считается, что скорость реакции зависит от интенсивности турбулентности в потоке. Проведено параметрическое исследование влияния коэффициента избытка окислителя, а также диаметра и количества струйных форсунок горючего на устойчивость горения негомогенной кислород-метановой и кислород-водородной смеси. В результате математического моделирования получены поля распределения температуры и концентраций продуктов сгорания в камере сгорания модельного РДМТ. Предлагаемый подход к исследованию характеристик рабочего процесса в РДМТ актуален в процессе выполнения многопараметрических исследований, а также на этапе предварительного выбора режимов работы и технического облика данного типа двигательных установок.

Результаты работы могут быть использованы для решения фундаментальных задач, связанных с исследованием особенностей диффузионного режима горения, а также теплового состояния РДМТ на экологически чистых компонентах «кислород — метан» и «кислород — водород», работающих в импульсном режиме.

Литература
  1. Ворожеева О.А., Ягодников Д.А., Агеенко Ю.И. Моделирование и расчет вероятности безотказной работы жидкостного ракетного двигателя малой тяги по температурному запасу // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2018. № 8 (701). С. 79–85.
  2. Батура С.Н., Кукшинов Н.В., Мамышев Д.Л. Численное моделирование горения водорода в сверхзвуковом потоке воздуха с применением различных расчетных моделей // Nonequilibrium processes: Recent accomplishments / еd. by S.M. Frolov, A.I. Lanshin. Москва, 2020. С. 65–67.
  3. Frassoldati A., Cuoci A., Faravelli T., Ranzi E., Candusso C., Tolazzi D. Simplified kinetic schemes for oxy-fuel combustion // Proceedings of the 1st International Conference on Sustainable Fossil Fuels for Future Energy – S4FE 2009. (Rome, Italy, July 2009). Rome, 2009. URL: http://www.cerfacs.fr/cantera/docs/mechanisms/methane-oxygen/Frassoldati/Frassoldati_full%20paper.pdf (дата обращения 01.12.2021).
  4. Magnussen B.F., Hjertager B.H. On Mathematical Modeling of Turbulent Combustion with Special Emphasis on Soot Formation and Combustion // 16th Symposium (International) on Combustion. 1977. Vol. 16. Iss.1. Pр. 719–729.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.