В настоящее время продолжает развиваться космическая и авиационная промышленность. При этом она нуждается в разработке все более совершенных и экономически выгодных технических устройствах. Важнейшим из таких устройств является реактивный двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования потенциальной энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Любой реактивный двигатель должен иметь, по крайней мере, две составные части: камеру сгорания и реактивное сопло. Камера сгорания («химический реактор») в нем происходит освобождение химической энергии топлива и её преобразование в тепловую энергию газов. Реактивное сопло («газовый туннель») в котором тепловая энергия газов переходит в их кинетическую энергию, когда из сопла газы вытекают наружу с большой скоростью, создавая тем самым реактивную тягу.
Исторически первые применения сопел связаны с паровыми турбинами, в которых они были использованы в 1890 г. шведским инженером Густафом де Лавалем [1]. В 1925 г. сопло впервые было использовано в ракетном двигателе. Сопло Лаваля - это устройство, которое служит для ускорения рабочего тела до скоростей, превышающих скорость звука. Рабочими телами в соплах Лаваля являются продукты сгорания жидких или твердых топлив. Сопла широко используется в технике: паровых и газовых турбинах, ракетных и воздушно¬реактивных двигателях, газодинамических лазерах, магнитно -газодинамических установках, аэродинамических установках и газодинамических стендах, при создании молекулярных пучков, химической технологии, струйных аппаратах, расходомерах, при дутьевых процессах и многих др.
Исследование характеристик прорабатываемых сопел проводят при помощи экспериментальных исследований и (или) математического моделирования. Проведение экспериментальных исследований связано со значительными расходами, в связи с этим предварительную проработку технических решений осуществляют на основе математического моделирования. При проектировании ракетных двигателей необходимо учитывать влияние параметров окружающей среды на энергетические характеристики сопла и истекающую струю. В общем случае данная задача носит пространственный характер.
При старте ракет-носителей процесс истечения сверхзвуковых струй из сопел ракетного двигателя сопровождается излучением акустических шумов с высокими уровнями звуковых давлений. Они создают значительные акустические нагрузки на различные части корпуса ракеты -носителя и обтекатель, под которым установлена полезная нагрузка. Проникая сквозь обшивку, акустическое излучение пагубно влияет на выводимый груз. Распространяясь в окружающей среде, акустическое излучение создает дополнительные нагрузки на стартовые сооружения [2].
Повышение требований к подобным задачам влечет за собой повышение требований к точности и качеству методов моделирования. В связи с этим разрабатываются более совершенные численные методы, внедряются методы параллельных вычислений, немалое внимание уделяется также методам обработки результатов и визуализации. В конечном виде эти разработки представляются в виде прикладного программного обеспечения, которое может распространяться под различными лицензиями, работать под различными операционными системами, распространяться в виде исходного кода [3, 4], библиотек разработки или в виде самодостаточных программ .
Актуальность исследования сверхзвуковых струйных течений обусловлена их широким применением в ракетно-космической технике. Целью настоящей работы является реализация методики расчета и исследование течения газа в соплах и струях с использованием пакета прикладных программ OpenFOAM
Реализована методика расчета течения газа в соплах и струях с использованием пакета прикладных программ OpenFOAM.
Проведено сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными других авторов, получено хорошее совпадение. Совпадение наблюдается в положении диска Маха, скачков сжатия, отраженных скачков, «висячего» скачка уплотнения и «соплового» скачка.
Проведены параметрические исследования для одиночной сверхзвуковой струи истекающей в затопленное пространство при степенях нерасчетности n=0.57, 0.7, 1.0, 1.5, 2.0. Показаны ударно-волновые структуры струй и
распределения давления в поперечном сечении струи. Получено, что с ростом степени нерасчетности увеличивается диаметр струи.
Проведено исследование акустических характеристик сверхзвуковой струи в одной точке на удалении 0.21 метра от среза сопла. Показано, что максимальная амплитуда колебаний достигается при степени нерасчетности n=2.0 на частоте 175 Гц, а уровень максимального звукового давления составляет
