НЕСТАЦИОНАРНОЕ ПОВЕДЕНИЕ ВЯЗКОУПРУГОГО ЗАРЯДА ТОПЛИВА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ НА НАЧАЛЬНОМ УЧАСТКЕ РАБОТЫ БЕССОПЛОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
|
Аннотация
Введение 3
1 Физико-математическая постановка задачи 5
2 Создание проекта в среде Workbench 11
2.1 Настройка системы Transient Structural 12
2.2 Настройка системы Fluid Flow(Fluent) 13
2.3 Настройки в системе System Coupling 14
3 Гиперупругая модель 17
3.1 Анализ гиперупругой модели 18
3.2 Анализ гиперупругой модели с разной геометрией 19
4 Вязко-гиперупругая модель 23
4.1 Анализ вязко-гиперупругой медели 24
5 Анализ сходимости численного решения 29
Заключение 32
Список использованных источников и литературы 34
Введение 3
1 Физико-математическая постановка задачи 5
2 Создание проекта в среде Workbench 11
2.1 Настройка системы Transient Structural 12
2.2 Настройка системы Fluid Flow(Fluent) 13
2.3 Настройки в системе System Coupling 14
3 Гиперупругая модель 17
3.1 Анализ гиперупругой модели 18
3.2 Анализ гиперупругой модели с разной геометрией 19
4 Вязко-гиперупругая модель 23
4.1 Анализ вязко-гиперупругой медели 24
5 Анализ сходимости численного решения 29
Заключение 32
Список использованных источников и литературы 34
История развития твердотопливных ракетных двигателей насчитывает несколько десятилетий. В статье [Davenas, 1995] описывается развитие этой технологии во Франции, при этом подчеркиваются ключевые этапы и достижения, которые способствовали ее развитию [1]. Благодаря анализу различных параметров, таких как давление, температура и скорость горения, и их влияние на работу двигателя, было обнаружено, что упрощенный подход является превосходным инструментом для выявления фундаментальных закономерностей [2]. Показана полезность аналитического моделирования внутренней баллистики бессопловых твердотопливных ракетных двигателей для выявления эксплуатационных характеристик.
Внутренняя баллистика бессопловых ракетных двигателей является существенной частью исследований в аэрокосмической технике. Бессопловые ракетные двигатели твердого топлива (БСРДТТ) применяются в качестве разгонных ступеней ракет класса воздух-воздух и воздух-поверхность [3]. Отсутствие соплового блока является преимуществом в отсутствие необходимости сброса элементов ракетных двигателей и решающим требованием в простоте и дешевизне конструкции. Но наряду с простотой конструкции возникают проблемы, такие как большие перепады давления и уменьшение удельного импульса, чего нет у сопловых двигателей. Численное моделирование процессов, происходящих в таких конструкциях, является значимой частью исследований в этой области.
Совместная газодинамическая и геометрическая задача моделирования расчета внутрибаллистических характеристик занимает не последнее место в моделировании внутрикамерных процессов. Рассмотрены методы решения этих задач и анализ применения их к модели БСРДТТ в работе [Милёхин и др., 2013]. Исследованы газодинамические характеристики потока, включая распределение давления и скорости газов, что позволяет оценить благоприятные и неблагоприятные конструктивные особенности, рабочие параметры, влияющие на энергетическое обеспечение топлив в БСРДТТ.
В своих работах Егоров М.Ю. и Егоров Д.М. рассматривают численные методы моделирования внутрикамерных процессов и их применимость для оптимизации конструкции, а также работы БСРДТТ [4, 5, 6]. В связи с этим решается сопряженная задача, включающая в себя полный цикл работы двигателя.
Наиболее трудоемкая задача во внутренней баллистики ракетных двигателях на твердом топливе является совместная сопряженная геометрическая и газодинамическая задача. Одно из путей к решению таких задач является параллельная реализация численных методов [7]. Авторы предлагают использование параллельных вычислений для ускорения решения сложных задач, связанных с моделированием процессов горения и газодинамики. В статье подробно описываются алгоритмы и методы, используемые для реализации, а также приводятся результаты численных экспериментов, демонстрирующие эффективность предложенного подхода. Эти же авторы рассматривают моделирование внутрикамерных процессов с учетом движения поверхности горения [8]. Предлагается методика, позволяющая учитывать изменение геометрии поверхности горения в процессе работы двигателя. Подробно описывается математические модели и численные методы, используемые для решения этой задачи, а также приводятся результаты численных экспериментов, демонстрирующие точность и надежность предложенного подхода.
В статье [Воропаева И.Г., Козулин А.А., и др., 2021] исследуется нестационарное поведение заряда твердого топлива бессоплового ракетного двигателя под действием газодинамической нагрузки. Рассматриваются методы численного моделирования, позволяющие оценить динамику деформации заряда и его влияние на работу двигателя. Подчеркивается важность учета нестационарных процессов для точного моделирования внутренней баллистики. В статье приводятся результаты численных экспериментов, демонстрирующие значимость учета нестационарных эффектов для оптимизации конструкции и работы БСРДТТ.
Анализируя материал в вышеописанных статьях и работах, можно сделать вывод, что решение совместной задачи деформирования заряда твердого топлива и течения газа в камере сгорания является ключевым моментом для корректного предсказания внутребаллистических характеристик БСРДТТ. В данной работе будет приведено построение модели деформации заряда твердого топлива в камере сгорания бессоплового ракетного двигателя под действием газодинамической нагрузки. Для этого будут использоваться системы анализа, интегрированные в приложения Transient Structural и Fluent, с применением системы связывания System Coupling, которая позволит связать две задачи: деформация твердого заряда и движение газа в камере сгорания.
Внутренняя баллистика бессопловых ракетных двигателей является существенной частью исследований в аэрокосмической технике. Бессопловые ракетные двигатели твердого топлива (БСРДТТ) применяются в качестве разгонных ступеней ракет класса воздух-воздух и воздух-поверхность [3]. Отсутствие соплового блока является преимуществом в отсутствие необходимости сброса элементов ракетных двигателей и решающим требованием в простоте и дешевизне конструкции. Но наряду с простотой конструкции возникают проблемы, такие как большие перепады давления и уменьшение удельного импульса, чего нет у сопловых двигателей. Численное моделирование процессов, происходящих в таких конструкциях, является значимой частью исследований в этой области.
Совместная газодинамическая и геометрическая задача моделирования расчета внутрибаллистических характеристик занимает не последнее место в моделировании внутрикамерных процессов. Рассмотрены методы решения этих задач и анализ применения их к модели БСРДТТ в работе [Милёхин и др., 2013]. Исследованы газодинамические характеристики потока, включая распределение давления и скорости газов, что позволяет оценить благоприятные и неблагоприятные конструктивные особенности, рабочие параметры, влияющие на энергетическое обеспечение топлив в БСРДТТ.
В своих работах Егоров М.Ю. и Егоров Д.М. рассматривают численные методы моделирования внутрикамерных процессов и их применимость для оптимизации конструкции, а также работы БСРДТТ [4, 5, 6]. В связи с этим решается сопряженная задача, включающая в себя полный цикл работы двигателя.
Наиболее трудоемкая задача во внутренней баллистики ракетных двигателях на твердом топливе является совместная сопряженная геометрическая и газодинамическая задача. Одно из путей к решению таких задач является параллельная реализация численных методов [7]. Авторы предлагают использование параллельных вычислений для ускорения решения сложных задач, связанных с моделированием процессов горения и газодинамики. В статье подробно описываются алгоритмы и методы, используемые для реализации, а также приводятся результаты численных экспериментов, демонстрирующие эффективность предложенного подхода. Эти же авторы рассматривают моделирование внутрикамерных процессов с учетом движения поверхности горения [8]. Предлагается методика, позволяющая учитывать изменение геометрии поверхности горения в процессе работы двигателя. Подробно описывается математические модели и численные методы, используемые для решения этой задачи, а также приводятся результаты численных экспериментов, демонстрирующие точность и надежность предложенного подхода.
В статье [Воропаева И.Г., Козулин А.А., и др., 2021] исследуется нестационарное поведение заряда твердого топлива бессоплового ракетного двигателя под действием газодинамической нагрузки. Рассматриваются методы численного моделирования, позволяющие оценить динамику деформации заряда и его влияние на работу двигателя. Подчеркивается важность учета нестационарных процессов для точного моделирования внутренней баллистики. В статье приводятся результаты численных экспериментов, демонстрирующие значимость учета нестационарных эффектов для оптимизации конструкции и работы БСРДТТ.
Анализируя материал в вышеописанных статьях и работах, можно сделать вывод, что решение совместной задачи деформирования заряда твердого топлива и течения газа в камере сгорания является ключевым моментом для корректного предсказания внутребаллистических характеристик БСРДТТ. В данной работе будет приведено построение модели деформации заряда твердого топлива в камере сгорания бессоплового ракетного двигателя под действием газодинамической нагрузки. Для этого будут использоваться системы анализа, интегрированные в приложения Transient Structural и Fluent, с применением системы связывания System Coupling, которая позволит связать две задачи: деформация твердого заряда и движение газа в камере сгорания.
В данной работе была описана физико-математическая постановка задачи и выполнено численное моделирование процессов, происходящих в бессопловой энергетической установке. Использование современных программных сред, таких как ANSYS Workbench, позволило создать сопряженную модель, учитывающую взаимодействие между твердым телом (зарядом топлива) и газовой средой (продуктами сгорания).
Разработана модель, описывающая процесс газоприходов топлива внутри камеры сгорания. Для описания процессов использованы уравнения Навье-Стокса для вязких сжимаемых продуктов сгорания и уравнения напряженно-деформированного состояния для упругих и гиперупругих тел.
Были настроены система анализа Transient Structural для моделирования деформации заряда и система Fluid Flow (Fluent) для моделирования движения газа. Система System Coupling обеспечила связь между этими системами, позволяя одновременно решать задачи и передавать данные между ними.
Был проведен сравнительный анализ для двух геометрических моделей с различной толщиной заряда на основе системы Modal, определяющей собственные частоты и соответствующие формы колебаний конструкции, и системы System Coupling, позволяющей совместно решать задачи НДС и гидродинамики с помощью систем Transient Structural и Fluid Flow (Fluent). Выяснилось, что для заряда толщиной в 0.055 м колебания происходят с частотой, соответствующей первой или второй моде колебаний, полученных в системе Modal, а для заряда толщиной 0.110 м частота колебаний соответствует первой моде. Можно сделать вывод, что частоты колебаний, полученные в результате связанного анализа сопоставимы с частотами первых мод колебаний в системе Modal.
Вязкоупругое поведение заряда ТТ под действием нагрузки со стороны продуктов сгорания в начальный период работы БЭУ оказывает существенное влияние на внутрибаллистические характеристики БЭУ. Повышение температуры ТТ ведет к снижению максимального давления в камере сгорания БЭУ за счет увеличения площади проходного сечения канала, связанного с более сильными деформациями заряда за счет более низкого модуля сдвига. Наибольшие перемещения наблюдаются по периметру канала на правом торце заряда, причем изменение перемещений во времени происходит монотонно. Исследование критерия напряжений по Мизесу показало, что при уменьшении модуля сдвига увеличивается деформация заряда и область максимального напряжения в верхней правой точке заряда. Начальный модуль сдвига ТТ влияет на форму канала, тем самым изменяя поле течение.
Анализ показал, что вязко-гиперупругая модель описывает поведение заряда при больших деформациях и изменениях температуры. Результаты моделирования нечувствительны к размеру сетки, что позволяет использовать более грубые сетки для сокращения времени расчетов.
Основные выводы:
1) Наибольшие перемещения заряда наблюдаются на правом торце заряда по периметру канала.
2) Уменьшение модуля сдвига ведет к увеличению перемещения точек заряда, причем это перемещение является монотонным во времени
3) При уменьшении модуля сдвига уменьшается максимальное напряжение в верхней правой точке крепления заряда к корпусу.
4) С увеличением начального модуля сдвига максимальное давление в камере сгорания также увеличивается.
5) Начальный модуль сдвига влияет на форму канала, тем самым влияет на поле течения в камере сгорания.
Данная работа подтверждает важность сопряженного анализа. Использование численных методов и современных программных сред позволяет значительно улучшить точность и надежность моделирования, что является ключевым фактором для дальнейшего развития и совершенствования энергетических установок.
Разработана модель, описывающая процесс газоприходов топлива внутри камеры сгорания. Для описания процессов использованы уравнения Навье-Стокса для вязких сжимаемых продуктов сгорания и уравнения напряженно-деформированного состояния для упругих и гиперупругих тел.
Были настроены система анализа Transient Structural для моделирования деформации заряда и система Fluid Flow (Fluent) для моделирования движения газа. Система System Coupling обеспечила связь между этими системами, позволяя одновременно решать задачи и передавать данные между ними.
Был проведен сравнительный анализ для двух геометрических моделей с различной толщиной заряда на основе системы Modal, определяющей собственные частоты и соответствующие формы колебаний конструкции, и системы System Coupling, позволяющей совместно решать задачи НДС и гидродинамики с помощью систем Transient Structural и Fluid Flow (Fluent). Выяснилось, что для заряда толщиной в 0.055 м колебания происходят с частотой, соответствующей первой или второй моде колебаний, полученных в системе Modal, а для заряда толщиной 0.110 м частота колебаний соответствует первой моде. Можно сделать вывод, что частоты колебаний, полученные в результате связанного анализа сопоставимы с частотами первых мод колебаний в системе Modal.
Вязкоупругое поведение заряда ТТ под действием нагрузки со стороны продуктов сгорания в начальный период работы БЭУ оказывает существенное влияние на внутрибаллистические характеристики БЭУ. Повышение температуры ТТ ведет к снижению максимального давления в камере сгорания БЭУ за счет увеличения площади проходного сечения канала, связанного с более сильными деформациями заряда за счет более низкого модуля сдвига. Наибольшие перемещения наблюдаются по периметру канала на правом торце заряда, причем изменение перемещений во времени происходит монотонно. Исследование критерия напряжений по Мизесу показало, что при уменьшении модуля сдвига увеличивается деформация заряда и область максимального напряжения в верхней правой точке заряда. Начальный модуль сдвига ТТ влияет на форму канала, тем самым изменяя поле течение.
Анализ показал, что вязко-гиперупругая модель описывает поведение заряда при больших деформациях и изменениях температуры. Результаты моделирования нечувствительны к размеру сетки, что позволяет использовать более грубые сетки для сокращения времени расчетов.
Основные выводы:
1) Наибольшие перемещения заряда наблюдаются на правом торце заряда по периметру канала.
2) Уменьшение модуля сдвига ведет к увеличению перемещения точек заряда, причем это перемещение является монотонным во времени
3) При уменьшении модуля сдвига уменьшается максимальное напряжение в верхней правой точке крепления заряда к корпусу.
4) С увеличением начального модуля сдвига максимальное давление в камере сгорания также увеличивается.
5) Начальный модуль сдвига влияет на форму канала, тем самым влияет на поле течения в камере сгорания.
Данная работа подтверждает важность сопряженного анализа. Использование численных методов и современных программных сред позволяет значительно улучшить точность и надежность моделирования, что является ключевым фактором для дальнейшего развития и совершенствования энергетических установок.
