Разработка методов расчета рабочего процесса камер дожигания ракетно-прямоточных двигателей на твердых топливах на основе вихревой механики перемежающихся сред

Ракетно-прямоточный двигатель (РПД) занимает промежуточное звено между ракетным двигателем (РД) и прямоточным воздушно-реактивным двигателем (ПВРД), сочетая в себе их рабочие циклы и элементы конструкции, тем самым, в нем наилучшим образом реализованы преимущества ракетного двигателя на твердом топливе (РДТТ) в разгонной ступени и высокие экономические показатели ПВРД в маршевой ступени. В связи с этим применение РПД — это одно из ключевых направлений в решении проблемы повышения дальности и скорости полета ракет с внутриатмосферной зоной эксплуатации.

К настоящему времени накоплен обширный материал по исследованию ПВРД при использовании в силовых установках летательных аппаратов (ЛА), но все равно при проектировании РПД помимо работ, связанных с повышением эффективности стартового режима, то есть РД, проводятся и работы в области ПВРД, которые имеют непосредственное отношение к теме данной диссертационной работы [41]:

— оптимизация газовой динамики тракта двигателей;

— обеспечение устойчивой работы камеры сгорания (КС) и высокой полноты сгорания;

— минимизация весовых характеристик и повышение надежности систем теплозащиты.

Следует отметить, что сложность при проектировании РПД заключается не только во внутренних процессах ПВРД, но и в требовании тесного согласования с ЛА. В отличие от других двигателей ПВРД является аэродинамическим телом и его невозможно создать независимо от ЛА [10].

Одной из основных решаемых диссертантом задач при проектировании РПД ставится следующая: получение максимальной полноты сгорания топлива при минимальных уровнях гидравлических потерь в объеме требуемого размещения интегрированного стартового заряда. Для успешного решения этой задачи необходимо владеть современными представлениями о физических процессах смешения и горения в камерах дожигания (КД) РПД, а также уметь определять теоретически полноту дожигания и другие не менее важные параметры и характеристики КД РПД, не имея экспериментальных данных.

Рассмотрение и исследование КД РПД было начато диссертантом еще в 2008 г. [24, 26, 27] с учетом «нульмерных» решений, а с 2009 г. [57, 60, 62, 111] для описания физических процессов смешения и горения — с учетом «многосредной» вихревой механики.

Актуальность темы

исследования.

Освоением воздушного и космического пространства с помощью плотных слоев земной атмосферы занят весь передовой научный и технический мир [31, 86, 90, 93, 101, 102, 113−115]. А в области современных и перспективных воздушно-реактивных двигателей (ВРД) ракетно-прямоточным двигателям и их камерам газификации, горения и дожигания отводится не последняя роль.

Одной из основных тем диссертации является перекрестное взаимодействие аэродинамических (АД) и газогенераторных (ГГ) струй в КД РПД. При перекрестном взаимодействии АД и ГГ-струй в КД проблема организации рабочего процесса с максимальными значениями полноты сгорания при минимальных гидравлических потерях ранее не изучалась, поэтому исследования в этой области весьма актуальны.

Цель и задачи исследования

.

Целью работы являлось исследование процессов смешения и вторичного горения (дожигания) в КД РПД с построением математической модели расчетов структурных параметров крупномасштабного вихревого механического макросмешения с последующим микротурбулентным дожиганием на основе современных физических представлений вихревой механики перемежающихся сред (ВМПС). Для этого необходимо было решить следующие задачи:

1. Восполнить существующий пробел по физической кинетике макровихревого и микротурбулентного смешения и диффузионного горения по аналогичному, но гомогенному, вихревому горению этот пробел заполнялся, начиная с 50-х гг. прошлого столетия).

2. Рассмотреть и определить круг необходимых для этого математических задач: их уравнений и решений.

3. Получить необходимый набор аналитических решений, определяющих геометрические и теплогазоаэродинамические (ТГАД) параметры и характеристики базовых элементов КД РПД (ядер АД и ГГ-струй, их свободных и пристеночных погранслоев смешения и горения).

4. Разработать методики, алгоритмы и дать примеры расчета базовых параметров КД РПД и ее элементов.

5. Сопоставить с имеющимся экспериментом секций стехиометрического сгорания и полного смешения, полученные решения и расчеты зон отрыва и траекторий АД и ГГ-струй.

6. Оценить роль КД РПД в тягово-экономических характеристиках.

Методы исследования.

Формирование математических моделей вихревого смешения и диффузионного дожигания проводилось на основе экспериментально обоснованных новых физических явлений и постулатов крупномасштабного вихревого механического макросмешения с последующим микротурбулентным дожиганием в следах турбулентного распада крупных вихрей, обусловленных механикой взаимодействующих многих сред, трех уровней их кинетики с примерами парциальных решений до пятого уровня кинетики включительно. Все условно-средние («парциальные») системы уравнений рассматривались с учетом классических уравнений газовой динамики, а также механики сплошной среды, но со своей спецификой для каждой среды.

Научная новизна исследования.

Комплексное аналитическое исследование структурных геометрических и ТГАД-параметров и характеристик базовых элементов процессов трехмерного взаимодействия и многоуровневой кинетики смешения и диффузионного дожигания АД и ГГ-струй КД РПД проводится впервые, хотя о возможности и необходимости такого эйлерово-лагранжевого подхода говорится в работах известных авторов, начиная с 50-х гг. прошлого столетия [84, 88, 99, 103, 119].

На основании полученных уравнений и решений созданы инженерные методики расчета параметров взаимодействия трех сред (воздушного потока, генераторного газа, продуктов дожигания), включающие нахождение таких сложных, ранее не определяемых теоретически, «бесконстантно», параметров, как полноты дожигания, отрывных зон, а также тягово-экономических характеристик РПД в условиях неполного смешения.

Базовым новым инструментом исследования являются условно-средние интегро-дифференциальные уравнения диффузионного горения и все полученные их аналитические решения при условии трех взаимодействующих сред и их свободного и пристеночного пограничных слоев.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Экспериментальное исследование процессов в КД РПД, их отработка и оптимизация, как по полноте сгорания, длинам стехиометрического сгорания и полного смешения, радиусам разворота струй и т. д., является материально весьма затратной областью науки и техники во всем мире. Полученные решения и алгоритмы позволят сократить в разы опыты слепого поиска, построенного на интуиции и таланте экспериментатора, и значительно ускорит, облегчит и сократит его пути к необходимому результату.

В диссертации, в частности, показано, что суммарная полнота сгорания в КД РПДТ в зависимости от различных геометрических параметров, наблюдаемых в опытах, может быть определена расчетным путем.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждена пошаговым сопоставлением с классическим известным и неизвестным экспериментом (по каждому структурному параметру или характеристике).

В частности, проведено сопоставление с экспериментом полученных решений на физической основе ВМПС для ядер АД и ГГ-струй и геометрий их взаимодействия для свободных, пристеночных погранслоев. Численные значения различных аналитически определенных параметров различными методиками и алгоритмами расчета соответствуют экспериментальным данным.

Положения, выносимые на защиту.

1. Решения статистических уравнений механики перемежающихся сред свободных, пристеночных, струйных, пассивных и горящих вихревых слоев КД РПД и ядер четырех спутных потоков: воздуха, продуктов газификации, продуктов стехиометрического дожигания и потока полного смешения с избыточным воздухом камеры полного смешения РПД.

2. Решения условно-средних уравнений движения механики каждой сплошной среды, определяющие массив ТГАД-параметров всех сред, представляющих интерес в заданной постановке задачи (двухсредного, трехсредного приближений до пятого уровня включительно), включая такие структурные параметры ТГАД-процессов, как интенсивность и полнота диффузионного дожигания, распределение турбулентной скорости поперек свободного слоя, струи и поперек следа распада крупного вихря пятого уровня кинетики.

3. Шесть алгоритмов и методик расчета геометрических и ТГ АД-параметров взаимодействующих АД и ГГ-струй, параметров и характеристик секций камеры стехиометрического горения и полного смешения, включая отрывные зоны.

4. Сопоставление и идентификация аналитических (параметрических и функциональных) зависимостей с зависимостями классического эксперимента (Никурадзе И., Барата М. М., Авдуевского B.C., Расщупкина В. И., Секундова А. Н., Захарова H.H. и др.).

Личный вклад автора.

Автор являлся ведущим разработчиком и ответственным экспериментатором всех представленных направлений исследования, входящих в тематические планы и технические задания ЦИАМ, ИХФ РАН, МГУПИ. Из совместных публикаций в диссертацию включены результаты, полученные автором самостоятельно или при его непосредственном соучастии со своими руководителями, учителями, коллегами. Содержание диссертации и автореферата обсуждено и согласовано с соавторами.

Реализация работы.

Выполненная работа непосредственно связана с тематическими планами НИР и ФППИ ЦИАМ, МАИ, ИХФ РАН и планом аспирантуры МГУПИ и реализована в соответствующих работах вышеприведенных институтов и их публикациях.

Апробация работы.

Результаты работы по мере их получения докладывались на следующих межвузовских, всероссийских и международных конференциях:

1. Межвузовская научно-техническая конференция Московского государственного университета приборостроения и информатики. Москва, 2008 г.

2. Межвузовская научно-техническая конференция Московского государственного университета приборостроения и информатики. Москва,.

2010 г.

3. Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении». Москва, 5−8 октября 2010 г.

4. Всероссийская конференция «Механика композиционных материалов и конструкций, структурно-сложных и гетерогенных сред», приуроченная к 90-летию со дня рождения академика РАН И. Ф. Образцова. Москва, 23−25 ноября 2010 г.

5. III Международная научно-техническая конференцию «Авиадвигатели XXI века». Москва, 30 ноября — 3 декабря 2010 г.

6. XXXV Академические чтения по космонавтике. Москва, 25−28 января.

2011 г.

7. XXXVIII Международная конференция и дискуссионный научный клуб «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT+SE'll». Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 20−30 мая 2011 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, среди которых 3 работы опубликованы в ведущих рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации

.

ТТтхлло-пфптттхп лллтлит тхо пт) лттоттт*ст ттталтт* т’тто" о t>t тталттлт> лпилтгп nvvvp ia. i4,jriyi wvivjri j. no oow^^raijvij mvvin i Jiu-ia, wijrivivcA литературы из 121 наименования, содержит 42 рисунка, 1 таблицу. Общий объем работы 177 страниц, включая рисунки и таблицу.

Во введении формируются задачи исследованияв первой главе проводится обзор и анализ компоновочных схем и конструкций, где применяются факела дожиганияво второй главе описывается вихревая механика перемежающихся сред (ВМПС), которая дает возможность описать физические процессы смешения и горения в КД РПДв третье и четвертой главах доказывается адекватность ВМПС соответственно по свободному и пристеночному погранслоямв пятой главе дается постановка задач по определению параметров и характеристик КД РПДТв шестой главе приводятся алгоритмы и методики, а также численные примеры определения параметров и характеристик КД РПДТ с учетом ВМПС.

Благодарности.

Хочу выразить благодарность своему научному руководителю д.т.н., профессору Прудникову Александру Григорьевичу за постановку задач и помощь в организации работы и обсуждении результатов.

Благодарен своим коллегам по совместным работам и публикациям: Абашеву В. М., Ерохину Б. Т., Захарову H.H., Кадомкину В. В., Нечаеву Ю. Н., Севериновой В. В., Сурикову Е. В., Третьякову П. К, Федосову Ю. А., за постоянную поддержку и помощь в проведении исследований, испытаний и в обсуждении результатов данной работы.

выводы.

1. Получены параметрические и функциональные решения на основе «бесконстантных» моделей ВМПС для следующих видов классических погранслоев: свободного, пристеночного, струйного, трубного.

2. Разработанные шесть алгоритмов расчета геометрических и ТГАД-параметров всех базовых элементов КД (АД и ГГ-струй, свободных и пристеночных слоев и их отрывных зон секций камеры дожигания стехиометрического горения и полного смешения) позволяют создавать КД с относительными длинами от 1 до 10 калибров по диаметру камеры в зависимости от конечной цели поставленной задачи (1 калибр для встречных АД и ГГ-струй, 10 калибров для камеры полного смешения с избыточным воздухом) с потерей удельного импульса тяги ГГ-струй. В случае 1 калибра теряется часть удельного импульса тяги ГГ-струй, а при 10 калибрах приобретается от 10 до 15% добавки удельного импульса тяги только за счет равномерного потока камеры полного смешения.

3. Полученные результаты при алгоритмах расчета по трехмерному взаимодействию АД и ГГ-струй показали следующее:

— минимальное число ГГ-струй для длин КД (7−8 калибров), обусловленных длиной стартового заряда, равно четырем;

— увеличение числа ГГ-струй в такой КД с 2-х до 4-х повышает коэффициент полноты сгорания на 10%;

— оценка влияния в линейном приближении увеличения числа ГГ-струй в такой КД до 6-ти показывает повышение коэффициента полноты сгорания в пределах точности расчета.

4. Полученный алгоритм расчета траекторий АД и ГГ-струй определяет оптимальное по условию полноты дожигания расположение ГГ-струй на днище ГГ, которое дает возможность их попадания в центральную область воздушного потока.

5. Полученные примеры расчета и сопоставление с экспериментами на моделях натурных КД показали, что для простейшей организации эффективного процесса дожигания ГГ-струй с воздушным потоком в КД необходимо нижнюю пару ГГ-струй поместить в верхнюю часть камеры, где проходит после разворота ядро воздушного потока, а третью ГГ-струю поместить на нижнюю часть окружности расположения сопел с риском прожечь нижнюю стенку КД из-за прилипания к ней факела пламени этой ГГ-струи в силу известного эффекта Коанда.

6. Аналитическое решение на основе ВМПС интенсивности и полноты диффузионного дожигания единичной ГГ-струи продуктов неполного первичного горения показало наличие на начальном участке (Ьакела пламени.

Г 1 * л.

КД РГТДТ (т.е. в конце ядра ГГ-струи) слабый рост полноты сгорания от 0,5 до 0,75. Экспериментальное значение на этих же конечных сечениях было равно 0,73.

7. Аналитические решения разворота АД-струй показали возможность существования двух режимов разворота: с двумя зонами отрыва от стенок КД для турбулентной (вихревой) ГГ-струи и безотрывное обтекание с изломом линий тока для идеальной не турбулентной ГГ-струи. Определены параметры этих зон отрыва и их свободных и пристеночных погранслоев, обеспечивающих условие прохождения ГГ-струй без дополнительного охлаждения стенок КД.

8. Алгоритмы решений показали, что абсолютного оптимума параметров КД не существует. Для максимальных параметров ВЗУ ковшового типа оптимальным углом входа является 60°. Для максимального давления донной тяги (на крышке ГГ) оптимальным является вход АД-струй под прямым углом, но при этом АД-сопротивление рукавов ковшового ВЗУ будет максимальным.