В течение последних десятилетий значительное развитие получили стендовые испытания ракет и космических аппаратов. После расчетов для работы сопла в вакууме, следовали испытания на уровне моря, к которым добавились и другого рода испытания, которые нужно провести, прежде чем выпускать в полет космический аппарат с ракетным двигателем. Реальные процессы при течении рабочего вещества в соплах происходят с заметным отклонением от идеализированных схем. Реальное течение является неодномерным, неоднородным и сопровождается неравновесными процессами, а в двухфазном потоке имеют место еще динамическая и температурная неравновесности. Продукты сгорания реального рабочего вещества обладают вязкостью, теплопроводностью и отдают часть теплоты в стенки соплового блока. В реальных процессах может иметь место химическая неравновесность и другие виды отклонений реальных процессов от идеальных.
Потери на рассеяние и трение относятся к газодинамическим видам потерь удельного импульса тяги. Условно к этому же виду будем относить и другие потери, обусловленные газодинамическими факторами.
Потери удельного импульса, связанные с неравновесным протеканием химических процессов, двухфазные потери, потери в результате отсутствия кристаллизации и другие виды потерь носят индивидуальный характер.
Как показывают исследования, значение реального удельного импульса отличается от его термодинамического значения не более чем на 3...15%, а значения отдельных видов потерь имеют порядок процента. Это обстоятельство дает основание, как правило, не учитывать взаимного влияния потерь друг на друга и рассматривать их независимо друг от друга, а затем складывать.
Степень совершенства процессов в сопловом блоке характеризуется отношением величины реального удельного импульса к его термодинамическому значению.
От разных значений давления окружающей среды получают разные значения потери удельного импульса. Эти особенности реальных условий учитывают, определяя целесообразность проектирования сопел. Сложность современных ракетных систем и большое число различных трудно учитываемых внешних факторов, возникающих при полете на больших высотах и в космосе, заставляют все чаще и чаще обращаться к экспериментальному и численному исследованию новых ракетных двигательных систем в высотных камерах.
В связи с высокой стоимостью экспериментов в последнее время возрастает роль численного эксперимента, основанного на вычислительной гидродинамике (CFD). К настоящему времени реализованы универсальные коммерческие CFD-пакеты, такие как «Fluent», «Ansys CFX», «Star-CD» и ряд других. В их состав входит сеточный генератор, модуль счета и графический интерпретатор результатов. Они используют ряд физико - математических моделей, описывающих различные физические процессы, набор конечно - разностных схем для дискретизации уравнений и методов решения полученных систем уравнений. Эти пакеты могут функционировать как на персональных компьютерах и рабочих станциях, так и на многопроцессорных вычислительных системах.
Методы численного моделирования играют важную роль в анализе и разработке технических устройств. Численный анализ может содержать реальные данные о геометрических характеристиках, свойствах материалов, граничных условиях и предоставлять полную и подробную информацию о полях температуры, скорости и других величинах, а также о связанных с ними потоках. На практике в некоторых случаях анализ и проектирование устройств может быть целиком выполнено с использованием вычислительной программы. В ситуациях, когда желательно провести некоторые экспериментальные исследования, численное моделирование может быть использовано в планировании и разработке экспериментов для существенного уменьшения их стоимости, а также для расширения и обогащения результатов.
Целью данной работы является исследование течений продуктов сгорания в радиусно-коническом сопле Лаваля и расчет энергетических потерь.
Задачи данной работы: проведение тестовых расчетов сопла Лаваля с условием истечением продуктов сгорания в вакуум используя различные модели турбулентности, исследование влияния выбора модели турбулентности на величину энергетических потерь, выбор оптимальных моделей турбулентности.
Рассмотрено движение невязкого и вязкого газа в осесимметричном тестовом сопле Лаваля. Исследовано влияние наличия подсеточного пограничного слоя на изменение удельного импульса тяги. Выполнены расчеты основных интегральных характеристик.
Были проведены тестовые расчеты истечения продуктов сгорания используя различные моделями турбулентности. Потери удельного импульса тяги при расчете используя сетку с подсеточным пограничном слое составляют 0.05:0.08%. Меньшие потери дали модели «Realizable к - £» и «к - kl - т».
Анализируя полученные результаты можно сделать следующие выводы:
1. при математическом моделировании газодинамических процессов в проточных трактах РДТТ для получения более высокой точности результатов, необходимо вводить подсеточный пограничный слой
2. выбор модели турбулентности мало влияет на толщину пограничного слоя
3. в силу меньших потерь удельного импульса и практически одинаковой
толщине пограничного слоя для всех моделей оптимальными моделями турбулентности для поставленной задачи являются
двухпараметрическая модель «Realizable к - е» и трехпараметрическая модель «к - kl - т».
На первый взгляд кажется, что с помощью этих пакетов можно решать большинство возникающих задач. Однако, анализ математических моделей, включенных в эти пакеты, показал, что для исследования полидисперсных двухфазных течений в соплах с отрывом потока их недостаточно. Так, в моделях не учтен процесс взаимодействия частиц друг с другом и со стенками сопел. Не полный перечень сил, действующих на частицы со стороны турбулентного газового потока и т.д.
