Многоуровневая математическая модель течения газа в сопловом канале с центральным телом

Язык труда и переводы:
УДК:
533.697.4
Дата публикации:
31 декабря 2021, 19:15
Категория:
Секция 07. Развитие космонавтики и фундаментальные проблемы газодинамики, горения и теплообмена
Авторы
Каун Юлия Владимировна
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Брыков Никита Александрович
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Аннотация:
Исследовано истечение сверхзвуковой неизобарической струи в условиях взаимодействия со спутным потоком. Составлена многоуровневая математическая модель, позволяющая исследовать структуру газодинамического течения в окрестности центрального тела соплового канала во всем диапазоне высот полета летательного аппарата. Математическая модель включает расчет тяговых характеристик летательного аппарата, исследование особенностей взаимодействия струи с центральным телом и спутным потоком.
Ключевые слова:
многоуровневая математическая модель, сопловой канал, центральное тело, спутный поток, неизобарическая струя
Основной текст труда

Изучение газодинамических процессов сопловых установках ракетных двигателей проводилось неоднократно экспериментально при стендовых, огневых, лётных и других видах испытаний, или численно с применением методов математического моделирования. Создание полномасштабных экспериментальных моделей авторегулируемых высотных сопел с использованием современных технических решений относится к разряду весьма дорогостоящих работ, что приводит к увеличению значимости проводимого численного эксперимента. В связи с этим, при изучении газодинамических процессов в ракетных двигателях, актуально применение методов математического моделирования. Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается применением фундаментальных законов механики жидкости и газа при разработке математических моделей. После выбора математической модели проверяется ее корректность для данных задач на примере сравнения результатов численного и физического экспериментов.

Основная задача заключалась в разработке многоуровневой математической модели, которая описывает газодинамические процессы при работе соплового блока с центральным телом в условиях полета в различных слоях атмосферы [1].

При численном расчете неизобарических спутных струй обычно предполагается, что поток перед головным скачком уплотнения в спутном потоке является невозмущенным, т. е. не учитывается обтекание летательного аппарата. При образовании отошедшей ударной волны возможны две ситуации: расстояние отхода ударной волны от кромки выходного сечения сопла больше или меньше длины летательного аппарата. В первом случае необходимо рассматривать течение с отошедшей ударной волной, возникающей перед конфигурацией летательный аппарат + струя. Во втором случае течение, построенное в приближении идеального газа, может существенно отличаться от реального, из-за образования в последнем значительной зоны отрыва пограничного слоя на корпусе летательного аппарата [2].

В первом приближении задача решалась в плоской двумерной постановке. Идеальный контур или форма внешней образующей аэродинамической насадки определяется с помощью адиабатической теории сверхзвуковых течений. Затем, в зависимости от того, является ли поток нерасширенным или перерасширенным, выполняется либо анализ течения расширения Прандтля-Майера, либо анализ системы скачков уплотнения для определения угла пересечения границы потока с кромкой первичного сопла. По результатам анализа перерасширенного (недорасширенного) потока определяется угол наклона падающего с кромки скачка уплотнения (волны разрежения), параметры которых позволяют установить контур внешней границы, образующей первичное сопло [3].

Так как в основе принципа работы сопла с центральным телом лежит способность «подстраиваться» под изменяющееся атмосферное давление, то важным пунктом исследования является рассмотрение задачи о структуре сверхзвуковой струи газа, истекающей из сопла в спутный поток [4].

При истечении недорасширенной струи в спутный поток давление вдоль границы струи становится переменным. Сверхзвуковой спутный поток оказывает сильное влияние на газодинамическую структуру струи с большой степенью нерасчетности, поскольку перед струей образуется криволинейная ударная волна, а давление вдоль границы струи оказывается переменным. С увеличением числа Маха набегающего потока происходит уменьшение центрального скачка, а отражение висячего скачка можно считать регулярным.

В результате были получены картины течений при взаимодействия сверхзвуковой неизобарической струи с центральным телом в условиях спутного потока. Определены интегральные характеристики потока на выходе из высотного сопла внешнего расширения. Рассчитана тяговая характеристика на различных высотах полета сверхзвукового сопла с центральным телом.

Грант
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (грант Российского научного фонда «Разработка микро-, мезо- и макромасштабных моделей нестационарных процессов тепломассообмена в сопловых каналах аэрокосмической техники», 2021–2023 гг. № 21-79-00100).
Литература
  1. ГОСТ 4401–81. Атмосфера стандартная. Параметры. М.: Изд-во стандартов, 2004.
  2. Авдуевский В.С., Ашратов Э.А., Иванов А.В., Пирумов У.Г. Газодинамика сверхзвуковых неизобарических струй. М.: Машиностроение, 1989. 320 с.
  3. Kaun Yu.V., Brykov N.A., Chernyshov M.V. Numerical simulation of gas flow in nozzle channels with a central body // Journal of Physics: Conference Series Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2094. Art. ID 042083. DOI: 10.1088/1742-6596/2094/4/042083
  4. Aerospike nozzle design. Available at: http://www.aerorocket.com/MOC/MOC.html (accessed October 16, 2021).
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.