Параметрическое исследование влияния косых скачков уплотнения на рабочий процесс в сверхзвуковой камере сгорания

Язык труда и переводы:
УДК:
621.452.22
Дата публикации:
07 января 2023, 17:15
Категория:
Секция 03. Основоположники аэрокосмического двигателестроения и проблемы теории и конструкций двигателей летательных аппаратов
Авторы
Аннотация:
Представлены результаты численного моделирования рабочего процесса в сверхзвуковой камере сгорания на водородном горючем. Целью исследования являлась оценка влияния расположения генераторов косых скачков уплотнения на рабочий процесс и интегральные характеристики камеры заданных габаритов. Получена база данных и приведены рекомендации по организации рабочего процесса в сверхзвуковой камере сгорания при различной конфигурации генераторов косых скачков уплотнения.
Ключевые слова:
моделирование, горение, водород, косой скачок уплотнения, сверхзвуковая камера сгорания
Основной текст труда

Повышение эффективности рабочего процесса в сверхзвуковой камере сгорания (СКС) имеет высокий практический интерес [1]. Организация сгорания топлива в сверхзвуковом воздушном потоке с высокой полнотой сгорания ограничена малым временем пребывания рабочего тела в СКС [2]. При этом снижение скорости потока приводит к падению полного давления на выходе из СКС. В открытых литературных источниках предложено большое количество способов организации рабочего процесса [3, 4], одним из которых является специальным образом организованная система косых скачков уплотнения. Указанный способ организации рабочего процесса в СКС позволяет оптимизировать параметры тракта с целью увеличения полноты сгорания и снижения потерь полного давления.

Объектом исследования выбрана СКС прямоугольного сечения, включающая секцию постоянного сечения и секцию с расширением. Длина СКС составляет 300 мм, высота входного сечения — 24 мм, ширина камеры постоянна и составляет 40 мм. Длина первой секции составляет 80 мм, расширение второй секции происходит за счет расположения верхней стенки под углом 3 °. Подача жидкого водорода осуществляется через точечный источник, расположенный на высоте 12 мм от нижней стенки на расстоянии 95 мм от входного сечения. В качестве генераторов косого скачка уплотнения (далее по тексту Генераторы) используются клинообразные выступы высотой 1 мм и углом 30 ° относительно нижней стенки СКС.

Задача решалась в плоской двухмерной постановке. Течение в СКС описывалось с помощью полной системы уравнений Навье — Стокса, состав воздуха соответствовал модельному и описывался как смесь газов O2, N2 и H2O, каждый из которых считался идеальным газом. Для описания вязкости газа использовался закон Сазерленда.

Параметры модельного воздуха на входе задавались следующими: число Маха M = 2,05, статическое давление p = 341 кПа, статическая температура T = 1172 K, концентрации газов CO2 = 0,21, CN2 = 0,53 и CH2O = 0,26. Жидкий водород подавался вдоль нижней стенки СКС со скоростью V = 700 м/с при значении статической температуры T = 300 K. Соотношение массовых расходов модельного воздуха и водорода соответствовало коэффициенту избытка окислителя \alpha =3 .

При проведении параметрического исследования выполнен ряд расчетов с варьированием положения Генераторов. В качестве базового взят расчет рабочего процесса в СКС без Генераторов. В последующих расчетах число и положение (на верхней и нижних стенках СКС) Генераторов варьировалось. Оценка эффективности организации рабочего процесса в СКС проводилась по следующим параметрам: полнота сгорания топлива и коэффициент восстановления полного давления в СКС.

По результатам исследования выявлены следующие закономерности. Увеличение количества Генераторов по длине СКС приводит к увеличению полноты сгорания и снижению коэффициента восстановления полного давления. Расположение Генераторов на обеих стенках позволяет добиться значительного повышения полноты сгорания (от 0,14 до 0,63). При этом эффективность Генераторов снижается при совпадении и слиянии косых скачков уплотнения от различных Генераторов, в то время как коэффициент восстановления полного давления продолжает снижаться.

Результаты проведенного исследования показывают различное влияние генераторов косых скачков уплотнения на рабочий процесс и интегральные характеристики сверхзвуковой камеры сгорания. Для повышения полноты сгорания топлива эффективным оказывается использование Генераторов на верхней и нижней стенках СКС в нескольких сечениях по длине. При этом выявлено увеличение потерь полного давления по длине тракта СКС. С использованием результатов расчета приведены рекомендации к проектированию проточного тракта сверхзвуковой камеры сгорания.

Литература
  1. Обносов Б.В., Сорокин В.А., Яновский Л.С. и др. Конструкция и проектирование комбинированных ракетных двигателей на твердом топливе. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012, 279 с.
  2. Курзинер Р.И. Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей полета. Москва, Машиностроение, 1989, т. 1, 264 с.
  3. Seleznev R. K., Surzhikov S. T., Shang J. S. A review of the scramjet experimental data base. Progress in Aerospace Sciences, 2019, vol. 106, pp. 43–70. DOI: https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2019.02.001
  4. Ванькова О.С., Гольдфельд М.А., Федорова Н.Н. Управление процессами воспламенения и стабилизации горения в сверхзвуковой камере сгорания. Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика, 2016, т. 11, № 2, с. 46–55.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.