Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Основой проектирования жидкостных ракетных двигателей является термодинамический расчет. Цель термодинамического расчета — получение данных, необходимых для определения секундного расхода топлива и характерных размеров сечений камеры и других агрегатов двигателя, а также для расчета газодинамических процессов и процессов теплообмена [1]. Такими данными являются удельные параметры камеры, параметры потока — температура, давление, скорость и др., термодинамические и теплофизические свойства рабочего тела и его состав. В совокупности указанные величины обычно называют термодинамическими характеристиками.
На этапе проектирования в процессе термодинамического расчета необходимо решать широкий круг задач, связанных с обеспечением высокой экономичности двигателя, приемлемых массогабаритных характеристик и требуемого уровня надежности, а также с сокращением сроков и стоимости этапа проектирования.
Из этого круга задач наиболее часто встречаются на практике:
Также стоит отметить, что результаты термодинамического расчета являются основой для последующих расчетов, а также для определения оптимального контура камеры.
В связи с вышесказанным, можно сделать вывод, что получение достоверных результатов термодинамического расчета является крайне важной задачей проектирования. Далее рассмотрим методы, с помощью которых может быть решена данная задача.
Традиционным методом является модель идеального ракетного двигателя. Он заключается в следующем:
Рассмотрим метод, используемый в программном комплексе Ansys CFX.
Ansys CFX — это профессиональный аналитический комплекс для решения термо-, гидро-, газодинамических задач. В нем используется более 16 моделей турбулентности. Решатели ANSYS CFD основаны на методе контрольных объемов, в котором расчетная область разбивается на множество локальных элементов. Для каждого локального элемента записывается система законов сохранения массы, импульса и энергии в интегральной форме, которая затем преобразуется к системе алгебраических уравнений относительно искомых величин — плотности, скорости, температуры и др. в центрах расчетных ячеек.
В Ansys реализованы модели и уравнения макроскопической кинетики, подробно описание которых представлены в источниках [3–4], а также в руководстве к программе [5].
Для сравнения обоих методов были проведены расчет в специализированном программном комплексе (СПК) TERRA [6] и в Ansys CFX. Были проведены расчеты двух топливных пар водород–кислород и керосин–кислород. Исходные данные были следующие:
Для топливной пары водород–кислород: 1) давление на входе 6 МПа; 2) коэффициент избытка окислителя 0,74; 3) геометрическая степень расширения 500.
Для топливной пары керосин–кислород: 1) давление на входе 8 МПа; 2) коэффициент избытка окислителя 0,82; 3) геометрическая степень расширения 500.
Также стоит отметить, что для расчета в Ansys были построены 3D модели камер по известному контуру, а также дополнительно введены массовые доли компонентов и температура на входе в камеру. Реакции задавались согласно уравнению Аррениуса для водород–кислорода из [7], для керосин–кислорода аналогично из источника [8].
В результате расчета в СПК TERRA были получены основные термодинамические параметры продуктов сгорания в камере, а также основные интегральные параметры двигателя, такие как удельный импульс тяги, температура и давление в характерных сечениях камеры. В Ansys помимо перечисленных параметров также были получены поля распределения интегральных параметров по сечению камеры.
Полученные данные были сопоставлены с фундаментальным справочником В.П. Глушко [9]. Сравнение для обеих топливных пар с СПК TERRA показали расхождение по компонентному составу менее чем в 0,1 %, а по интегральным параметрам менее чем 0,3 %. Что касается Ansys, то компонентный состав отличается в среднем на 5 %, для топливной пары водород-кислород отличие по удельному импульсу 3 %, а по температуре около 10 %. Для топливной пары керосин–кислород компонентный состав отличается также в среднем на 5 %, по удельному импульсу — 4 %, а по температуре расхождение значительное и составляет порядка 30 %.
Таким образом, можно сделать вывод, что моделирование рабочего процесса в Ansys CFX позволяет получить поля распределения параметров по камере, однако из-за завышенной температуры мы получаем завышение удельного импульса тяги. Для углеводородных топлив завышение температуры является значительным и при достоверно известной максимальной температуре в Ansys есть опция по ее ограничению [5]. Не смотря на малую точность, Ansys позволяет проводить расчеты рабочих процессов с учетом реакций, протекающих внутри камеры.
