Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Различные реализации кольцевых сопел внутреннего и внешнего расширения по ряду характеристик конкурентоспособны с традиционными соплами Лаваля [1, 2]. Обусловлено это наличием центрального тела, которое определяет требуемую структуру потока при сверхзвуковом расширении. В свою очередь, центральное тело в сужающем участке сопла, на первый взгляд, должно существенно увеличить потери на трение, а от его геометрических характеристик зависит неравномерность параметров вплоть до критического сечения. Потери на трение, потери полного давления, неравномерность параметров по тракту сужающей части сопла совместно определяют газодинамическую составляющую коэффициента расхода.
На данный момент закономерностей изменения коэффициента расхода кольцевых сопел в зависимости от конструктивных схем, внутрибаллистических и геометрических параметров в литературе не представлено. Отсутствие подобных результатов исследований обусловлено ограниченным применением кольцевых сопел из-за проблем теплового состояния центрального тела и прежде всего трудностью обеспечения стойкости материалов в зоне критического сечения.
В данной работе приведены результаты численного моделирования газодинамической составляющей коэффициента расхода кольцевого сопла внутреннего расширения с прямым критическим сечением в зависимости от геометрических параметров центрального тела. Указанная схема кольцевого сопла выбрана из условий сопоставления результатов моделирования коэффициента расхода с центральным соплом и одинаковой степенью расширения. Наружный профиль входного участка сопла выполнен по типовым рекомендациям и оставался неизменным. В качестве рабочего тела рассматривался гомогенный газ с параметрами, соответствующими условиям в камере сгорания. Подвод рабочего тела в камеру сгорания осуществлялся равномерно на расстоянии одного калибра от входа в сопло.
Численные исследования проведены средствами программного продукта ANSYS Fluent в адиабатной постановке квазистационарного осесимметричного приближения. Использовался подход, основанный на решении осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье — Стокса, для замыкания которых применялась двухпараметрическая модель турбулентности SST с типовым набором модельных констант, и уравнения состояния идеального газа. Применение указанной модели турбулентности для определения коэффициента расхода сопел с непроницаемыми стенками показано в работах [3, 4]. Стенки сопла и камеры рассматривались гладкими с условиями прилипания и непротекания. Для всех рассматриваемых входных участков сопел параметр y+ варьировался в пределах от 0,4 до 30.
Результаты моделирования показали, что значение коэффициента расхода кольцевых сопел сопоставимо с коэффициентом расхода в двигателе с центральным соплом, а при хорошо обтекаемом профиле входного участка центрального тела может превышать его. Обусловлено это уменьшением неравномерности параметров во входном участке сопла, уменьшением потерь давления. Так, для эллипсоидного или для радиусного входного участка центрального тела коэффициент расхода кольцевого сопла превышает это значение для двигателя с центральным соплом на 0,12 % и 0,1 %, соответственно. Очевидно, что указанные входные участки центрального тела не могут обеспечить полной симметрии профиля скорости в критическом сечении [5] из-за отсутствия симметрии между наружным и внутренним входными участками кольцевого сопла. В целом, неравномерность профиля скорости в критическом сечении кольцевого сопла существенно меньше, чем для двигателя с центральным соплом. Показано наличие отрывных зон в структуре потока для плохо спрофилированных входных участков центрального тела и представлены зависимости газодинамической составляющей коэффициента расхода от геометрических параметров центрального тела.
