Влияние формы заряда твердого топлива на осаждение конденсированной фазы

Язык труда и переводы:
УДК:
621.454.3
Дата публикации:
01 января 2022, 13:37
Категория:
Секция 07. Развитие космонавтики и фундаментальные проблемы газодинамики, горения и теплообмена
Авторы
Беляева Анастасия Сергеевна
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Яковчук Михаил Сергеевич
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Брыков Никита Александрович
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Тетерина Ирина Владимировна
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Аннотация:
В ракетных двигателях твердого топлива используются рабочие тела, содержащие помимо газовой фазы жидкие и твердые частицы. Это приводит к возникновению течений продуктов сгорания с частичками металла, оттекающих от поверхности твердого топлива. В работе рассматривается обтекание поворотного управляющего сопла ракетного двигателя потоком продуктов сгорания, содержащим частицы конденсированной фазы. Траектории твердых частиц рассчитываются в известном поле течения. Получена зависимость осаждения конденсированной фазы на стенки соплового блока при различных углах поворота сопла для разных форм каналов заряда. Сделаны выводы о влиянии формы заряда твердого топлива на осаждение конденсированной фазы.
Ключевые слова:
поворотное управляющее сопло, частицы, твердое топливо, конденсированная фаза
Основной текст труда

Смесь твердых частиц различных форм и размеров с жидкостью или газом широко применяются в ракетных двигателяях твердого топлива (РДТТ) различного типа и назначения [1]. Использование металлосодержащих топлив в конструкциях со сложной геометрией, таких как проточный тракт РДТТ, может приводить к нарушению работоспособности двигателя [2]. Связано это с осаждением частиц конденсированной фазы на ограничивающие поверхности, что приводит к интенсивной эрозии соплового блока, дополнительным потерям удельного импульса, увеличению уноса массы теплозащитного материала [3]. В настоящее время все эти проблемы, связанные с двухфазным потоком, до сих пор решаются и остаются актуальными.

В данной работе рассматривается численное моделирование обтекания поворотного управляющего сопла с передним центром качания потоком продуктов сгорания, содержащим частицы конденсированной фазы. Сравниваются результаты расчета траекторий частиц и влияние их размеров на осаждение на внутренние поверхности камеры сгорания (КС) и соплового блока при истечении продуктов сгорания из цилиндрического и щелевого каналов.

Решение задачи выполняется средствами программного обеспечения ANSYS. Для построения сетки был использован модуль ANSYS ICEM CFD [4]. В данной работе была исследована применимость разных типов сеток по форме ячейки: одна сеточная модель имела блочную структуру и состояла только из плоских прямоугольников, другая сетка имела блочную структуру лишь в частях с неподвижной геометрией, а в области изменения геометрии была неструктурированна и состояла из треугольных элементов.

В качестве граничных условий для задачи были заданы температура и массовый расход на входной границе; на выходной границе были заданы атмосферное давление и температура окружающего воздуха. Расчеты проводились на основе осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье — Стокса, для замыкания которых применяется k−ε-модель турбулентности с пристеночными функциями. В качестве рабочей среды выбран воздух со свойствами совершенного газа.

Траектории частиц рассчитывались в известном (вычисленном заранее) поле течения газа. Воспламенение и горение металлов происходят уже в потоке газов, оттекающих от поверхности твердого топлива. Каждая индивидуальная частица определяется своими геометрическими и физическими параметрами. В данной работе были рассмотрены частицы трех разных размеров.

В работе рассчитаны траектории частиц и влияние их размеров на осаждение на внутренние поверхности КС и соплового блока при истечении продуктов сгорания из цилиндрического и щелевого каналов. Получены данные о количестве осевших частиц (в %) при различных углах поворота сопла для разных форм каналов заряда. По полученным результатам можно сделать следующие выводы.

  1. За счет инерционных свойств более крупных частиц они осаждаются на стенки соплового блока. Мелкие частицы, в основном, уносятся потоком.
  2. Инерционное выпадение частиц чаще всего приходится на лобовую поверхность утопленного сопла, поэтому при проектировании двигателя этой области необходимо уделять большее внимание.
  3. При использовании более сложной формы канала заряда твердого топлива осаждение частиц сильно увеличивается. Если в случае щелевого канала при отклонении сопла на 0° осело 15 % тяжелых частиц от общего количества, то такой же процент тяжелых частиц в случае цилиндрического канала осел на стенки соплового блока только при повороте на 6°.

В заключение отметим, что поворот сопла интенсифицирует процессы переноса и осаждения частиц на наветренной части сопла. Полученные данные помогут прогнозировать движение k-фазы в канале заряда твердого топлива и ее осаждение на лобовую поверхность сопла. Поскольку сопло является самым теплонапряженным элементом, данная информация будет крайне полезна при проектировании сопловых блоков.

Грант
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-79-00100.
Литература
  1. Волков К.Н., Емельянов В.Н., Тетерина И.В., Яковчук М.С. Газовые течения в соплах энергоустановок. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2017. 326 с.
  2. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Течение газа с частицами. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. 360 с.
  3. Черный Г.Г. Газовая динамика. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 424 с.
  4. Денисов М.А. Компьютерное проектирование. ANSYS. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2014. 77 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.