Численное моделирование переходных внутрикамерных процессов при выходе на режим работы РДТТ

Практика модернизации современных и разработки перспективных РДТТ выдвинула для исследования ряд новых сложных проблем, напрямую связанных с нестационарностью и глубокой нелинейностью, наблюдаемых при его срабатывании, физических явлений, процессов или состояний. Во многих случаях эти проблемы становятся непреодолимым или существенным препятствием к дальнейшему совершенствованию энергомассовых, прочностных, эксплуатационных и других характеристик рассматриваемых типов двигателей. Сюда, в частности, можно отнести разрушение заряда смесевого модифицированного ТТ при динамических нагрузках и предельных отрицательных температурах срабатывания РДТТ.

Использование натурных стендовых испытаний ракетных двигателей или масштабного лабораторного физического эксперимента на модельных установках для исследования такого рода' проблем затруднено по причине значительной сложности и высокой стоимости их проведения, мало эффективно ввиду недостаточной информативности и занимает много времени. Поэтому в последнее время всё большее внимание исследователей уделяется численному моделированию нестационарных переходных процессов и течений.

Для этого разработаны и успешно используются при решении фундаментальных и прикладных задач разнообразные по своим возможностям и потребностям численные подходы и методы. В настоящее время при стремительных темпах развития вычислительной техники (от персонального компьютера до супер-ЭВМ) и её широкого внедрения в исследовательский и производственный процесс целесообразно использовать такие численные методики (несмотря на их относительную сложность), реализация которых граничит с проведением вычислительного эксперимента. Численные методы этого класса позволяют с высокой степенью точности и надёжности описывать реальные в общем случае нестационарные и глубоко нелинейные процессы.

В диссертационной работе при помощи методов численного моделирования (в первую, очередь при помощи метода Давыдова (метода крупных частиц) — мощного современного метода вычислительного эксперимента) в рамках комплексного подхода исследуются переходные внутрикамерные процессы, протекающие при выходе на расчётный режим работы РДТТ:

• срабатывание ВУ;

• прогрев, воспламенение и последующее горение заряда ТТ;

• течение продуктов сгорания в камере сгорания, сопле и за сопловым* блоком ракетного двигателя;

• разгерметизация камеры сгорания и движение заглушки соплового блока.

Каждая из подзадач рассматривается во взаимосвязи и разрешается одновременно на одном шаге по времени.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов по работе, списка цитированной литературы и приложения. Объём-диссертации составляет 162 страницы (компьютерный набор в среде Microsoft Office 2003) и содержит: 35 рисунков (в том числе растровые цветные изображения), список цитированной литературы из 218 наименований.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

На основаниипроведённых теоретических исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Проанализированы возможности численного подхода (моделирования) при решении прикладных задач современного ракетного твёрдотопливного двигателестроения. Установлено, что с помощью вычислительного эксперимента можно успешно решать значимые на сегодня нестационарные и глубоко нелинейные задачи. Проведён обзор и анализ наиболее распространённых методов численного интегрирования систем дифференциальных уравнений в частных производных. Проанализирована проблематика рассматриваемых задач современного ракетного твёрдотопливного двигателестроения. Сформулирована постановка задачи численного исследования.

2. Разработана комплексная физико-математическая модель переходных внутрикамерных процессов, протекающих при выходе на. расчётный режим работы РДТТ, включающая в себя:

• физико-математическую модель процесса срабатывания ВУ в. жестком несгораемом перфорированном корпусе с вкладным формованным зарядом воспламенительного составамодель учитывает важную особенность срабатывания ВУ — догорание продуктов сгорания за корпусом ВУ;

• физико-математическую модель зажигания и горения заряда смесевого модифицированного ТТ (квазигомогенная модель горения) — модель сформулирована на базе уравнений теплопроводности и химической кинетики в одномерной нестационарной и турбулентной постановке с учётом особенностей горения заряда ТТ в камере сгорания ракетного двигателяисходная система дифференциальных уравнений интегрируется численно сеточным конечно-разностным методом;

• физико — математическую модель полного (трёхмерного и нестационарного) трёхфазного гомогенно-гетерогенного течения в камере сгорания, сопловом блоке и за сопловым блоком РДТТмодель разработана под сложную конфигурацию камеры сгорания и учитывает движение заглушки соплового блокаматематическая модель сформулирована на базе уравнений сохранения массы, импульса и полной удельной энергии (уравнения Эйлера) — исходная система дифференциальных уравнений интегрируется численно методом Давыдова (методом крупных частиц).

• физико-математическую модель разгерметизации, камеры сгорания и последующего неравномерно ускоренного движения заглушки соплового блока РДТТмодель сформулирована на базе дифференциального уравнения движения, которое интегрируется численно сеточным конечно-разностным методом.

3. Разработан комплекс прикладных программ SATURNCM для расчёта на ЭВМ рассматриваемой задачи. Комплекс имеет модульную-структуру и позволяет одновременно (на одном шаге интегрирования" по времени) проводить расчёт срабатывания ВУ, зажигания и горения заряда TT, газодинамического течения в камере сгорания двигателя, сопловом блоке и за сопловым блоком, с учётом движения заглушки соплового блока. В комплексе прикладных программ предусмотрена графическая визуализация расчётной информации. Базовые элементы комплекса написаны на алгоритмическом языке программирования С/С++ в среде программирования KDevelop для PC ЭВМ с операционной системой LINUX. При его составлении использовались приёмы и методы многопоточного и структурного программирования.

4. С помощью разработанного комплекса прикладных программ проведена серия численных расчётов переходных внутрикамерных процессов, протекающих при выходе на режим работы РДТТ. Полученные результаты хорошо согласуются с опытными данными по стендовой отработке РДТТ. Проанализировано несколько компоновочных схем РДТТ. По результатам моделирования установлена причина образования интенсивного ударно-волнового процесса в рассматриваемом ракетном двигателе, а так же предложен способ ее нейтрализации.