Исследование тепло-массообмена и излучения в турбулентных химически активных струях авиационных и ракетных двигателей

Актуальность темы

.

Появление в связи с развитием авиационной и ракетной техники мощных высокотемпературных химически активных выхлопных струй поставило перед наукой ряд проблемных задач как фундаментального, так и прикладного характера. Фундаментальность таких задач непосредственно связана с экологией, т. е. влиянием химически агрессивных компонентов в составе этих струй на локальное и глобальное изменение климата. К таким задачам следует, прежде всего, отнести задачу нейтрализации агрессивных компонентов в составе струй, поскольку они, активно реагируя с кислородом и азотом земной атмосферы, необратимо нарушают её баланс.

К прикладным задачам относятся задачи чисто технического плана, которые решаются наукой в целях обеспечения высокой эффективности и надёжности разрабатываемой авиационной и ракетно-космической техники. К таким проблемным задачам относятся:

— проблема разработки мощных авиационных и ракетных двигательных силовых установок, в том числе, прямоточных гиперзвуковых двигателей с организацией процесса горения в сверхзвуковом воздушном потоке;

— проблема разработки и создания мощных стационарных газотурбинных установок промышленного назначения;

— проблема входа космических летательных аппаратов в атмосферу планеты с гиперзвуковыми скоростями;

— проблема разработки и создания мощных научно-исследовательских сверхзвуковых высокотемпературных газодинамических стендовпроблема обнаружения летательных аппаратов любого класса по излучению высокотемпературных выхлопных струй (оборонная задача).

Сегодня решению этих задач уделяется пристальное внимание в связи с проектированием авиационных, ракетно-космических и других систем нового поколения. В этой связи разработка методов и средств решения таких комплексных многопараметрических задач является актуальной проблемой науки и техники.

Объект исследования.

Основным объектом исследования являются турбулентные сверхзвуковые струи с неравновесными химическими реакциями и математическое моделирование физико-химических процессов, проходящих в них.

Успешное решение этой проблемной задачи неразрывно связано с изучением сложнейших процессов газовой динамики высокоскоростных течений, тепло — массообмена, излучения, неравновесной химической термодинамики, и др.

Методы исследования.

Результаты работы получены на основе сочетания метода математического моделирования и экспериментальных исследований.

В теоретических исследованиях использовались модели на основе уравнений Навье-Стокса, осредненных по Фавру, которые решались с помощью эффективных численных методов.

В результате математического моделирования составлена полностью связанная система уравнений, включающая уравнения Навье-Стокса (Рейнольдса), уравнения неразрывности химических компонентов, уравнения для турбулентных характеристик и уравнения теплопереноса излучением.

В частности моделирование процессов турбулентных течений реализовано на базе использования специально разработанной модели турбулентности, учитывающей эффекты высокоскоростной сжимаемости.

При математическом моделировании инфракрасного излучения струй ракетных двигателей использована методика, основанная на решении уравнение переноса монохроматического излучения при выполнении условия локального термодинамического равновесия.

При расчете функций пропускания для неоднородных сред использован метод Куртиса-Годсона.

Физическое моделирование указанных выше процессов проводилось на различных стендах с использованием в качестве рабочего тела воздуха, а также продуктов горения в воздушно-реактивных и ракетных двигателях.

Цели и задачи диссертации.

Целью работы являлось исследование тепло-массообмена и излучения в турбулентных химически активных струях авиационных и ракетных двигателей.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:

— создание математической модели сверхзвуковых турбулентных струй с неравновесными химическими реакциями;

— разработка и анализ моделей турбулентности для высокоскоростных течений;

— разработка физико-химической модели горения углеводородных топлив и догорания продуктов сгорания в атмосфере;

— разработка эффективных численных методов решения системы газодинамических уравнений, включающей уравнения Навье-Стокса (Рейнольдса), уравнения неразрывности химических компонентов, уравнения для турбулентных характеристик и уравнения переноса излучения;

— экспериментально-теоретическое исследование сверхзвуковых струйных течений и выхлопных струй авиационных и ракетных двигателей;

— верификация разработанной математической модели и предложенных численных методов расчета струйных течений с применением различных моделей турбулентности, химической кинетики и переноса излучения;

— проведение сопоставления и анализа полученных результатов экспериментальных и численных исследований для струй авиационных и ракетных двигателей при различных условиях полета летательного аппарата.

Достоверность научных положений подтверждается использованием фундаментальных законов сохранения массы химических компонентов, количества движения и энергии, апробированной теорией численных методов;

— всесторонним тестированием разработанных численных методов и алгоритмов с целью обоснования устойчивости и сходимости решений на последовательности сгущающихся сеток;

— сравнением результатов численного эксперимента с реальными экспериментальными данными как самого автора, так и других исследователей.

Научная новизна работы состоит:

— в развитии методов математического моделирования турбулентных течений с неравновесными химическими реакциями и излучением,.

— в модификации численных методов решения задач газодинамики и тепло-и массообмена,.

— в сочетании методов численного и физического исследования термогазодинамики сверхзвуковых высокотемпературных турбулентных струйных течений в сочетании с процессами излучения.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

Математическая модель сверхзвуковых химически реагирующих течений, с учетом турбулентности, химической кинетики и излучения.

Модификация численного метода решения нестационарных уравнений Навье-Стокса (Рейнольдса), уравнения неразрывности химических компонентов и уравнения турбулентных характеристик.

Сопоставление результатов расчета сверхзвуковых турбулентных струйных течений с неравновесными химическими реакциями и излучением, с реальными экспериментальными данными исследования процессов турбулентного смешения, вязко-невязкого взаимодействия, ударно-волновой структуры, догорания топлива и др.

Анализ результатов численных расчётов струйных течений с использованием различных моделей турбулентности, химической кинетики и излучения.

Рекомендации по применению моделей турбулентности, химической кинетики и излучения для расчета процессов в сверхзвуковых струях авиационных и ракетных двигателей.

Практическая ценность результатов.

Практическая ценность результатов выражается в следующем:

— предложена математическая модель сверхзвуковых химически активных течений, описывающая в едином комплексе процессы турбулентности, химической кинетики и излучениямодифицированы численные методы решения нестационарных уравнений Навье-Стокса (Рейнольдса) в совокупности с уравнениями турбулентных характеристик, уравнениями неразрывности химических компонентов и переноса излученияв удовлетворительном соответствии результатов расчета по предложенной математической модели с экспериментальными данными различных авторов;

— в практическом использовании предложенного метода математического моделирования турбулентных высокоскоростных химически активных излучающих струй в целях повышения достоверности и оптимизации дорогостоящих экспериментальных исследований;

— в разработке достоверного метода прогнозирования газодинамики течения, агрессивности химических компонентов и теплового излучения выхлопных высокотемпературных струй авиационных и ракетных двигателейв сокращении объемов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ при проектировании, производстве и эксплуатации изделий авиационной и ракетно-космической техники нового поколения.

Личный вклад автора.

Основные аналитические и экспериментальные результаты работы получены в лаборатории кафедры «Авиационно-космической теплотехники» МАИ лично автором или при его непосредственном участии. Например, большинство представленных в работе конструктивных решений, разработка математических моделей ряда физико-химических процессов, составление алгоритмов их решения, а также отработка блоков расчетной программы и проведение численных расчетов выполнено лично автором.

Кроме того, автором проведен критический анализ результатов тестирования математической модели и расчетной программы при сопоставлении результатов численного и физического эксперимента. По результатам проведенного анализа лично автором сделаны основные выводы по диссертационной работе.

Апробация и внедрение результатов.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных научно-технических семинарах и конференциях: на заседаниях кафедры «Авиационно-космической теплотехники» МАИ в 2007 -2011 г., на Седьмой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM Gmb по применению программы ANSYS CFX к расчету сверхзвуковых турбулентных струй с химическими реакциями, г. Москва, 2007 г., на семинаре по внедрению расчетных программных комплексов в научно-исследовательскую и инновационную деятельность образовательных учреждений, г. Санкт-Петербург, 2010 г., на научном семинаре в.

Исследовательском центре имени М.В.Келдыша", г. Москва, на 9-ой.

Международной конференции «АВИАЦИЯ И КОСМОНАВТИКА — 2010», г. Москва.

Список публикаций по теме работы: 1. Молчанов A.M., Быков JI.B. Применение программы ANSYS CFX к расчету сверхзвуковых турбулентных струй с химическими реакциями. Сборник трудов Седьмой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM Gmbh. Москва, 23−24 мая 2007. Москва. Полигон-Пресс. 2007., С. 45−61.

2. Быков JI.B., Молчанов A.M., Янышев Д. С. Численный метод расчета сверхзвуковых турбулентных течений с химическими реакциями // Вестник Московского авиационного института. 2010. № 3. Т.17. с.108−119.

3. Аникеев A.A., Быков Л. В., Молчанов A.M. Расчет охлаждения сверхзвукового сопла // Вестник Московского авиационного института. 2010. № 3. Т.17. С. 99−107.

4. Быков Л. В., Молчанов A.M., Никитин П. В. Расчет теплового излучения в струях ракетных двигателей. Тезисы доклада на 9-ой Международной конференции «АВИАЦИЯ И КОСМОНАВТИКА — 2010» — ноябрь 2010 г.

5. Быков JI.B., Молчанов A.M. Математическое моделирование струй реактивных двигателей // Тепловые процессы в технике. 2011. № 3. Т. З С. 98 107.

6. Быков JI.B., Завелевич Ф. С., Молчанов A.M. Расчет теплового излучения струй реактивных двигателей. // Тепловые процессы в технике. 2011. № 4. С. 164−176.

7. Быков JI.B. Расчет течения и теплообмена в сверхзвуковом сопле // Труды МАИ. 2011. № 43.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 138 наименований и приложений. Объем работы составляет 187 страниц машинописного текста и включает в себя 37 рисунков и 7 таблиц. Принят единый стиль обозначений. Для библиографических ссылок использована сквозная нумерация. Каждая глава предваряется обзором современного состояния соответствующей проблемы и завершается выводами. В главах, посвященных численному моделированию, приведены сведения об используемых численных методах. Общие выводы по работе суммированы в заключении.

1. Хинце И. О. Турбулентность. Ее механизм и теория. М.: Физматгиз, 1963. 680с.

2. Монин А. С., Яглом А. М. Статистическая гидродинамика. Теория турбулентности. СПб.: Гидрометеоиздат, 1996. Т.2. 742с.

3. Брэдшоу П.

Введение

в турбулентность и ее измерение. М.: Мир, 1974. 278с.

4. Белов И. А. Модели турбулентности: Учебное пособие. Л.: ЛМИ, 1986.100с.

5. Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD. 1998. 537p.

6. Методы расчета турбулентных течений / Под ред. В.Кольмана. М.: Мир., 1984. 464с.

7. Гинзбург И. П. Аэрогазодинамика. М.:Высшая школа. 1966. 404с.

8. Лапин Ю. В., Стрелец М. Х. Внутренние течения газовых смесей. М.: Наука, 1989. 356с.

9. Гарбарук А. В., Лапин Ю. В., Стрелец М. Х. Простая алгебраическая модель турбулентности для расчета турбулентного пограничного слоя с положительным перепадом давления // ТВТ. 1999. № 1. С.82−86.

10. Лабусов А. Н. Алгебраические модели турбулентности для некоторых канонических пристенных течений: Автореферат. канд.дисс. СПб.: СПбГТУ, 1999. 16с.

11. Гарбарук А. В. Современные полуэмпирические модели турбулентности для пристенных течений: тестирование и сравнительный анализ: Автореферат кандидатской диссертации СПб.: СПбГТУ, 1999. 16с.

12. Белов И. А. Взаимодействие неравномерных потоков с преградами. Л.: Машиностроение, 1983. 144с.

13. Белов И. А., Исаев С. А., Коновалов В. Н., Митин А. Ю. Моделирование крупномасштабных вихревых структур при турбулентном обтеканииi.