ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОТЕКАЮЩИХ В РЕГУЛИРУЕМЫХ СОПЛАХ РДТТ
|
АННОТАЦИЯ 3
Введение 3
2 Численное моделирование нестационарных процессов в проточных трактах РДТТ с подвижной пространственной сеткой методом С.К. Годунова 17
2.1 Физическая постановка задачи 17
2.2 Программный комплекс 17
2.3 Результаты тестовых расчетов 18
3 Методика решения задачи газовой динамики в инженерном программном
обеспечении Ansys Fluent 21
3.1 Методика решения 21
4 Численное исследование течения продуктов сгорания в проточном тракте
РДТТ с учетом нестационарного массоприхода и подвижной пространственной сеткой 25
4.1 Результаты расчетов 27
5 Численное исследование нестационарных газодинамических процессов,
протекающих в регулируемых соплах РДТТ 29
5.1 Расчетная сетка 31
5.2 Граничные и начальные условия 35
5.4 Результаты расчетов 36
Заключение 48
Список литературы 49
Введение 3
2 Численное моделирование нестационарных процессов в проточных трактах РДТТ с подвижной пространственной сеткой методом С.К. Годунова 17
2.1 Физическая постановка задачи 17
2.2 Программный комплекс 17
2.3 Результаты тестовых расчетов 18
3 Методика решения задачи газовой динамики в инженерном программном
обеспечении Ansys Fluent 21
3.1 Методика решения 21
4 Численное исследование течения продуктов сгорания в проточном тракте
РДТТ с учетом нестационарного массоприхода и подвижной пространственной сеткой 25
4.1 Результаты расчетов 27
5 Численное исследование нестационарных газодинамических процессов,
протекающих в регулируемых соплах РДТТ 29
5.1 Расчетная сетка 31
5.2 Граничные и начальные условия 35
5.4 Результаты расчетов 36
Заключение 48
Список литературы 49
В ракетно-космической технике широко применяются химические ракетные двигатели, основными представителями которых являются твердотопливные ракетные двигатели (РДТТ), жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) и гибридные двигатели (ГРД). Работа химического двигателя характеризуется преобразованием химической энергией топлива в кинетическую энергию реактивной струи [1].
РДТТ прочно занимают важную нишу в ракетно-космической промышленности. Обширное использование связано с относительно простой и надежной структурой, технологией и дешевизной производства. Ко всем перечисленным плюсам требуется добавить время подготовки к запуску, которое наименьшее среди всех типов ракетных двигателей.
Характерной особенностью РДТТ является размещение всего запаса заряда твердого ракетного топлива (ТРТ) в камере сгорания с отсутствием каких-либо систем подачи. ТРТ размещается в камере сгорания в виде одного или нескольких блоков [2].
Несмотря на структурную простоту данного типа ракетного двигателя, протекающие процессы имеют достаточно сложную физико-химическую природу. Работа РДТТ характеризуются совокупностью физических, химических, термодинамических процессов и процессов тепломассопереноса. Это связано с процессом воспламенения заряда, его горения и течения продуктов сгорания.
Комплекс требований к ТРТ наиболее часто определяется необходимостью создания надежной ракеты с минимальными габаритными размерами и стартовой массой, при заданных величинах массы полезного груза и дальности полета. Данный анализ проводится с помощью формулы Циалковского для одноступенчатой ракеты в среде без сопротивления.
Топлива, используемые в РДТТ, делятся на два типа: баллиститные и смесевые. Их отличие заключается как в химическом составе, так и в физической структуре.
Разработка баллиститных порохов основана на перемешивании горючего и окислителя на молекулярном уровне. Одним из основных элементов этих топлив является нитроцеллюлоза с различным содержанием азота. Смесевые топлива представляют собой механические смеси окислителя, горючего и специальных добавок. Для большинства современных топлив характерно использование трех основных компонентов: кристаллического окислителя, полимерного горючего-связующего и металлической добавки
Изготовление заряда твердого топлива выполняется двумя основными методиками: прессование или отливка. Варьируя форму топливного заряда и подбирая его физико-химические свойства, получается оптимальный закон горения, и, следовательно, секундный массовый расход и тяга двигателя. Условно заряды ТРТ можно поделить на заряды торцевого и бокового горения. Примеры некоторых форм зарядов ТРТ представлены на рисунке 1 [1].
Основным требованием, предъявляемым к выбору ТРТ является обеспечение высокой энергетической эффективности двигательной установки.
Скорость горения твердого топлива зависит от ряда характеристик: природа топлива, начальная температура заряда, геометрии проточного тракта, давления и др.
Основным фактором, влияющим на горение ТРТ, является давление, при котором протекает процесс. При повышении давления в камере сгорания РДТТ скорость горения топлива увеличивается, следовательно, увеличивается массоприход с поверхности горения.
Роль гетерогенных и гомогенных реакций в общем комплексе явлений при горении неодинакова для разных давлений. В связи с этим нельзя ожидать одного и того же закона изменения скорости горения в широком диапазоне давлений даже для одного и того же топлива. Обработка результатов опытов
дает различные зависимости скорости горения топлива от давления в разных их интервалах.
Рисунок 1 - Примеры зарядов твердого топлива: а - горящий с торца, б - цилиндрический с горением по внутренней поверхности, в - телескопический, г - звездообразный, д - колесообразный, е - трубчатощелевой, ж - с зонтичной выемкой
Высокая цена и сложности проведения натурного эксперимента, связанных с высокими показателями температуры и давления, повлияло на широкое внедрение вычислительных исследований. Данная методика позволяет снижать стоимость, время исследований и усовершенствование существующих технических устройств. Вычислительные исследования позволят отследить все этапы работы, протекающие процессы и рабочие параметры.
Внутренняя газодинамика РДТТ представляет собой научное направление, появившееся в соответствии с запросами практики проектирования и оптимизации двигательных установок. Данное направление, с одной стороны, использует новейшие достижения в области вычислительной газодинамики, теории горения, механики двухфазных сред, турбулентности, а с другой стороны, определяет постановку новых задач механики жидкости и газа, особенностью которых является сочетание и взаимовлияние процессов различной физической природы. [3] Специфическими особенностями течений, развивающихся во внутренних полостях РДТТ, являются наличие частиц конденсированной фазы, межфазное взаимодействие, коагуляция и дробление частиц: до-, транс- и сверхзвуковые скорости потока, массоподвод от горящей поверхности заряда, пространственный характер течения продуктов сгорания при функционировании органов управления и наличии заряда сложной конфигурации и т.д [4].
Для решения задачи об определении газодинамических параметров в этом случае необходимо использовать систему уравнений механики для трехмерного движения газа. Эти уравнения для движения в каналах заряда записывают при следующих допущениях: в рассматриваемом объеме отсутствуют источники и стоки массы; газ невязкий и нетеплопроводный, подчиняющийся уравнению состояния идеального газа; вследствие относительно небольших скоростей и ускорений потока не учитывается скоростная и температурная неравновесность между газом и частицами конденсата. Эти допущения часто применяют в задачах внутренней баллистики РДТТ. Они позволяют решить задачу современными средствами вычислительной математики и получить, как показывает опыт проектирования РДТТ, приемлемые по точности результаты.
Расчет локальных и интегральных характеристик в проточных трактах РДТТ может проводится с помощью методов, основанных на решении полных уравнений Эйлера. К таким методам можно отнести метод Мак-Кормака, метод частиц в ячейках, метод крупных частиц и др. Одним из самых надежных и хорошо апробированных методов является метод Годунова [5, 6]. Метод основан на определении потоков через грани расчетной ячейки с использованием точного или приближенного решения задачи о распаде произвольного разрыва. Одной из методик нахождения значений параметров на разрывах является приближенный метод Роу [7, 8]. Основным положительным фактором этого метода является высокая скорость расчета.
Важной задачей стоит отработка методик изменений траектории летательного аппарата в процессе полета. Основными принципами управление ЛА можно выделить: аэродинамические, гравитационные и реактивной силы. В ракетной технике и космонавтике для управления ЛА наиболее часто используют принцип реактивной тяги.
В работе рассматриваются механические органы управления, оказывающие свое воздействие на истекающую реактивную струю РД без изменения ее расходных характеристик [9, 10]. К таким методам относятся: поворот сопла, кольцевой руль (дефлектор), подвижное разрезное сопло и вводимый интерцептор, представленные на рисунке 2 [9].
Влияние органов управления на характеристики диффузоров проявляется в следующем:
- изменение структуры сверхзвукового потока и распределение газодинамических параметров как по длине сопла, так и по его срезу;
-изменяется распределение газодинамических параметров на входе в диффузор;
-изменяется структура потока и распределение газодинамических параметров по длине диффузора;
-изменяются пусковые и придельные характеристики диффузоров - давление запуска и срыва, предельная нерасчетность;
Рисунок 2 - Основных схемы механических органов управления и их
воздействия на струю ракетного двигателя
Каждый из видов управления вектором тяги имеет свои характерные особенности влияния как на истекающую струю, так и на протекающие в камере процессы. Органы управления оказывают воздействие на истекающую струю РД не изменяя ее расходных характеристик. Необходимое усилие обеспечивается за счет поворота сопла, либо деформации струи.
Поворотные управляющие сопла считаются не только одним из наиболее перспективных органов управления твердотопливных ракетных двигателей, но одним из наиболее универсальных органов. Их универсальность позволяет применять на всех ступенях маршевых двигателей. Данная система нашла широкое применение в отечественном ракетостроении. Использование поворотных сопел для управления вектором тяги РД является наиболее энергетически эффективным. Управляющее усилие создается в результате практически равномерного и осесимметричного истечения продуктов сгорания и одновременного поворота докритической и закритической частей сопла. Основным преимуществом можно назвать отсутствие механического влияния на истекающую струю, результатом чего является отсутствие потерь. Управляемое поворотное сопло работает в условиях высоких температур и давлений, что и является основной проблемой при их реализации, а точнее уплотнение подвижного соединения и мощность поворотных приводов. Поворотные управляемые сопла имеют ряд достоинств и недостатков, качественные характеристики указаны в таблице 1 [9].
Таблица 1 - качественные характеристики ПУС
№ Достоинства Недостатки
1 Малые потери тяги в процессе функционирования сопел и незначительные потери тяги Большой момент трения в узлах сочленения и поворотных узлах
2 Линейная зависимость управляющей силы от угла поворота сопла Частое заклинивание подвижных сопел в конце работы двигателя при спаде давления в камере сгорания
3 Стабильность основных характеристик в течении работы двигателя Крайне жесткие условия работы узла поворота, нагруженного высокими давлениями горячих продуктов сгорания
4 Относительная простота конструкции и весовое совершенство Сложность узла сочленения подвижной и неподвижной частей ракетного двигателя
Поворотные управляющие сопла можно поделить на две группы: одноосные качающиеся и одноосные центральные сопла в карданном подвесе. Основным отличием качающихся и одноосных центральных сопел заключается в том, что первые обеспечивают управление только в одной плоскости. В связи с этим в случае применения одноосных поворотных сопел, сопловой блок должен иметь не менее четырех сопел.
Использование карданного подвеса сопла позволяет получить две степени свободы, т.е. такое сопло имеет возможность развивать управляющую силу в плоскостях тангажа и рыскания. Карданный подвес имеет более жесткие ограничение по углу поворота соплового блока в связи с большей тягой сопла, чем в четырехсопловой конфигурации. Угол поворота карданного подвесного сопела ограничивается 10 градусами [13].
Величина и характер изменения по времени управляющих усилий зависят от программы полета и от характера внешних возмущений, действующих на ракету в полете. Характерная величина управляющих усилий 2-15% от тяги ракетного двигателя [9].
FLUENT - современный, универсальный программный комплекс, предназначенный для решения задач механики жидкости и газа. FLUENT является лидером рынка коммерческих CFD программ [14].
Пакет предназначен для моделирования сложных течений жидкости и газов с широким диапазоном свойств. Посредством обеспечения различных параметров моделирования и использования многосеточных методов с улучшенной сходимостью, он обеспечивает оптимальную эффективность и точность решения для широкого диапазона моделируемых скоростных режимов. Изобилие физических моделей в пакете FLUENT позволяет точно предсказывать ламинарные и турбулентные течения, различные режимы теплопереноса, химические реакции, многофазные потоки и другие феномены на основе гибкости сеток и их адаптации на основе получаемого решения.
Возможности использовать модели динамической сетки существенно расширяют область применения FLUENT: потоки в цилиндрах, клапаны и другие. Несколько различных моделей движения сетки включены во FLUENT. При этом только первоначально построенная в препроцессоре модель и сетка требуется для начала расчетного процесса. Динамические сетки совместимы с другими моделями: модели горения, модели многофазного потока и другие.
Пользовательская функция, или UDF, — это функция, которую вы программируете и которую можно динамически загружать с помощью решателя ANSYS FLUENT для улучшения стандартных функций кода. Например, пользовательскую функцию можно использовать для определения собственных граничных условий, свойств материала и исходных условий для режима потока, а также для указания настраиваемых параметров модели (например, DPM, многофазных моделей), инициализации решения или улучшения постобработки. UDF написаны на языке программирования C. с помощью любого текстового редактора, файл исходного кода сохраняется с расширением «.c»».
Требования к UDF:
• написаны на языке программирования Си.
• должен иметь оператор включения для файла udf.h.
• должен быть определен с помощью макросов DEFINE, поставляемых ANSYS FLUENT использовать предопределенные макросы и функции, предоставляемые ANSYS FLUENT, для доступа к данным решателя ANSYS FLUENT и выполнения других задач.
• выполняются как интерпретируемые или скомпилированные функции.
• подключаются к решателю ANSYS FLUENT с помощью диалогового окна графического интерфейса пользователя.
• использовать и возвращать значения, указанные в единицах СИ.
Для решения задач с подвижными гранями требуется подключения метода динамических сеток (Dynamic mesh). Использование динамических сеток можно для течений, в которых форма области меняется со временем из- за движения на границах этой области. Движение может быть заданным или не заданным. Обновление объемной сетки выполняется на каждом временном шаге автоматически на основе новых положений границ исследуемой области. Ansys Fluent позволяет описывать движение с помощью граничных профилей, пользовательских функций UDF и решателя с шестью степенями свободы (6DOF).
Цель работы: Проведение численных исследований нестационарных газодинамических процессов, протекающих в регулируемых соплах РДТТ. Разработка методики расчета с учетов нестационарного массового прихода с поверхности горения и изменения положения узлов расчетной сетки.
РДТТ прочно занимают важную нишу в ракетно-космической промышленности. Обширное использование связано с относительно простой и надежной структурой, технологией и дешевизной производства. Ко всем перечисленным плюсам требуется добавить время подготовки к запуску, которое наименьшее среди всех типов ракетных двигателей.
Характерной особенностью РДТТ является размещение всего запаса заряда твердого ракетного топлива (ТРТ) в камере сгорания с отсутствием каких-либо систем подачи. ТРТ размещается в камере сгорания в виде одного или нескольких блоков [2].
Несмотря на структурную простоту данного типа ракетного двигателя, протекающие процессы имеют достаточно сложную физико-химическую природу. Работа РДТТ характеризуются совокупностью физических, химических, термодинамических процессов и процессов тепломассопереноса. Это связано с процессом воспламенения заряда, его горения и течения продуктов сгорания.
Комплекс требований к ТРТ наиболее часто определяется необходимостью создания надежной ракеты с минимальными габаритными размерами и стартовой массой, при заданных величинах массы полезного груза и дальности полета. Данный анализ проводится с помощью формулы Циалковского для одноступенчатой ракеты в среде без сопротивления.
Топлива, используемые в РДТТ, делятся на два типа: баллиститные и смесевые. Их отличие заключается как в химическом составе, так и в физической структуре.
Разработка баллиститных порохов основана на перемешивании горючего и окислителя на молекулярном уровне. Одним из основных элементов этих топлив является нитроцеллюлоза с различным содержанием азота. Смесевые топлива представляют собой механические смеси окислителя, горючего и специальных добавок. Для большинства современных топлив характерно использование трех основных компонентов: кристаллического окислителя, полимерного горючего-связующего и металлической добавки
Изготовление заряда твердого топлива выполняется двумя основными методиками: прессование или отливка. Варьируя форму топливного заряда и подбирая его физико-химические свойства, получается оптимальный закон горения, и, следовательно, секундный массовый расход и тяга двигателя. Условно заряды ТРТ можно поделить на заряды торцевого и бокового горения. Примеры некоторых форм зарядов ТРТ представлены на рисунке 1 [1].
Основным требованием, предъявляемым к выбору ТРТ является обеспечение высокой энергетической эффективности двигательной установки.
Скорость горения твердого топлива зависит от ряда характеристик: природа топлива, начальная температура заряда, геометрии проточного тракта, давления и др.
Основным фактором, влияющим на горение ТРТ, является давление, при котором протекает процесс. При повышении давления в камере сгорания РДТТ скорость горения топлива увеличивается, следовательно, увеличивается массоприход с поверхности горения.
Роль гетерогенных и гомогенных реакций в общем комплексе явлений при горении неодинакова для разных давлений. В связи с этим нельзя ожидать одного и того же закона изменения скорости горения в широком диапазоне давлений даже для одного и того же топлива. Обработка результатов опытов
дает различные зависимости скорости горения топлива от давления в разных их интервалах.
Рисунок 1 - Примеры зарядов твердого топлива: а - горящий с торца, б - цилиндрический с горением по внутренней поверхности, в - телескопический, г - звездообразный, д - колесообразный, е - трубчатощелевой, ж - с зонтичной выемкой
Высокая цена и сложности проведения натурного эксперимента, связанных с высокими показателями температуры и давления, повлияло на широкое внедрение вычислительных исследований. Данная методика позволяет снижать стоимость, время исследований и усовершенствование существующих технических устройств. Вычислительные исследования позволят отследить все этапы работы, протекающие процессы и рабочие параметры.
Внутренняя газодинамика РДТТ представляет собой научное направление, появившееся в соответствии с запросами практики проектирования и оптимизации двигательных установок. Данное направление, с одной стороны, использует новейшие достижения в области вычислительной газодинамики, теории горения, механики двухфазных сред, турбулентности, а с другой стороны, определяет постановку новых задач механики жидкости и газа, особенностью которых является сочетание и взаимовлияние процессов различной физической природы. [3] Специфическими особенностями течений, развивающихся во внутренних полостях РДТТ, являются наличие частиц конденсированной фазы, межфазное взаимодействие, коагуляция и дробление частиц: до-, транс- и сверхзвуковые скорости потока, массоподвод от горящей поверхности заряда, пространственный характер течения продуктов сгорания при функционировании органов управления и наличии заряда сложной конфигурации и т.д [4].
Для решения задачи об определении газодинамических параметров в этом случае необходимо использовать систему уравнений механики для трехмерного движения газа. Эти уравнения для движения в каналах заряда записывают при следующих допущениях: в рассматриваемом объеме отсутствуют источники и стоки массы; газ невязкий и нетеплопроводный, подчиняющийся уравнению состояния идеального газа; вследствие относительно небольших скоростей и ускорений потока не учитывается скоростная и температурная неравновесность между газом и частицами конденсата. Эти допущения часто применяют в задачах внутренней баллистики РДТТ. Они позволяют решить задачу современными средствами вычислительной математики и получить, как показывает опыт проектирования РДТТ, приемлемые по точности результаты.
Расчет локальных и интегральных характеристик в проточных трактах РДТТ может проводится с помощью методов, основанных на решении полных уравнений Эйлера. К таким методам можно отнести метод Мак-Кормака, метод частиц в ячейках, метод крупных частиц и др. Одним из самых надежных и хорошо апробированных методов является метод Годунова [5, 6]. Метод основан на определении потоков через грани расчетной ячейки с использованием точного или приближенного решения задачи о распаде произвольного разрыва. Одной из методик нахождения значений параметров на разрывах является приближенный метод Роу [7, 8]. Основным положительным фактором этого метода является высокая скорость расчета.
Важной задачей стоит отработка методик изменений траектории летательного аппарата в процессе полета. Основными принципами управление ЛА можно выделить: аэродинамические, гравитационные и реактивной силы. В ракетной технике и космонавтике для управления ЛА наиболее часто используют принцип реактивной тяги.
В работе рассматриваются механические органы управления, оказывающие свое воздействие на истекающую реактивную струю РД без изменения ее расходных характеристик [9, 10]. К таким методам относятся: поворот сопла, кольцевой руль (дефлектор), подвижное разрезное сопло и вводимый интерцептор, представленные на рисунке 2 [9].
Влияние органов управления на характеристики диффузоров проявляется в следующем:
- изменение структуры сверхзвукового потока и распределение газодинамических параметров как по длине сопла, так и по его срезу;
-изменяется распределение газодинамических параметров на входе в диффузор;
-изменяется структура потока и распределение газодинамических параметров по длине диффузора;
-изменяются пусковые и придельные характеристики диффузоров - давление запуска и срыва, предельная нерасчетность;
Рисунок 2 - Основных схемы механических органов управления и их
воздействия на струю ракетного двигателя
Каждый из видов управления вектором тяги имеет свои характерные особенности влияния как на истекающую струю, так и на протекающие в камере процессы. Органы управления оказывают воздействие на истекающую струю РД не изменяя ее расходных характеристик. Необходимое усилие обеспечивается за счет поворота сопла, либо деформации струи.
Поворотные управляющие сопла считаются не только одним из наиболее перспективных органов управления твердотопливных ракетных двигателей, но одним из наиболее универсальных органов. Их универсальность позволяет применять на всех ступенях маршевых двигателей. Данная система нашла широкое применение в отечественном ракетостроении. Использование поворотных сопел для управления вектором тяги РД является наиболее энергетически эффективным. Управляющее усилие создается в результате практически равномерного и осесимметричного истечения продуктов сгорания и одновременного поворота докритической и закритической частей сопла. Основным преимуществом можно назвать отсутствие механического влияния на истекающую струю, результатом чего является отсутствие потерь. Управляемое поворотное сопло работает в условиях высоких температур и давлений, что и является основной проблемой при их реализации, а точнее уплотнение подвижного соединения и мощность поворотных приводов. Поворотные управляемые сопла имеют ряд достоинств и недостатков, качественные характеристики указаны в таблице 1 [9].
Таблица 1 - качественные характеристики ПУС
№ Достоинства Недостатки
1 Малые потери тяги в процессе функционирования сопел и незначительные потери тяги Большой момент трения в узлах сочленения и поворотных узлах
2 Линейная зависимость управляющей силы от угла поворота сопла Частое заклинивание подвижных сопел в конце работы двигателя при спаде давления в камере сгорания
3 Стабильность основных характеристик в течении работы двигателя Крайне жесткие условия работы узла поворота, нагруженного высокими давлениями горячих продуктов сгорания
4 Относительная простота конструкции и весовое совершенство Сложность узла сочленения подвижной и неподвижной частей ракетного двигателя
Поворотные управляющие сопла можно поделить на две группы: одноосные качающиеся и одноосные центральные сопла в карданном подвесе. Основным отличием качающихся и одноосных центральных сопел заключается в том, что первые обеспечивают управление только в одной плоскости. В связи с этим в случае применения одноосных поворотных сопел, сопловой блок должен иметь не менее четырех сопел.
Использование карданного подвеса сопла позволяет получить две степени свободы, т.е. такое сопло имеет возможность развивать управляющую силу в плоскостях тангажа и рыскания. Карданный подвес имеет более жесткие ограничение по углу поворота соплового блока в связи с большей тягой сопла, чем в четырехсопловой конфигурации. Угол поворота карданного подвесного сопела ограничивается 10 градусами [13].
Величина и характер изменения по времени управляющих усилий зависят от программы полета и от характера внешних возмущений, действующих на ракету в полете. Характерная величина управляющих усилий 2-15% от тяги ракетного двигателя [9].
FLUENT - современный, универсальный программный комплекс, предназначенный для решения задач механики жидкости и газа. FLUENT является лидером рынка коммерческих CFD программ [14].
Пакет предназначен для моделирования сложных течений жидкости и газов с широким диапазоном свойств. Посредством обеспечения различных параметров моделирования и использования многосеточных методов с улучшенной сходимостью, он обеспечивает оптимальную эффективность и точность решения для широкого диапазона моделируемых скоростных режимов. Изобилие физических моделей в пакете FLUENT позволяет точно предсказывать ламинарные и турбулентные течения, различные режимы теплопереноса, химические реакции, многофазные потоки и другие феномены на основе гибкости сеток и их адаптации на основе получаемого решения.
Возможности использовать модели динамической сетки существенно расширяют область применения FLUENT: потоки в цилиндрах, клапаны и другие. Несколько различных моделей движения сетки включены во FLUENT. При этом только первоначально построенная в препроцессоре модель и сетка требуется для начала расчетного процесса. Динамические сетки совместимы с другими моделями: модели горения, модели многофазного потока и другие.
Пользовательская функция, или UDF, — это функция, которую вы программируете и которую можно динамически загружать с помощью решателя ANSYS FLUENT для улучшения стандартных функций кода. Например, пользовательскую функцию можно использовать для определения собственных граничных условий, свойств материала и исходных условий для режима потока, а также для указания настраиваемых параметров модели (например, DPM, многофазных моделей), инициализации решения или улучшения постобработки. UDF написаны на языке программирования C. с помощью любого текстового редактора, файл исходного кода сохраняется с расширением «.c»».
Требования к UDF:
• написаны на языке программирования Си.
• должен иметь оператор включения для файла udf.h.
• должен быть определен с помощью макросов DEFINE, поставляемых ANSYS FLUENT использовать предопределенные макросы и функции, предоставляемые ANSYS FLUENT, для доступа к данным решателя ANSYS FLUENT и выполнения других задач.
• выполняются как интерпретируемые или скомпилированные функции.
• подключаются к решателю ANSYS FLUENT с помощью диалогового окна графического интерфейса пользователя.
• использовать и возвращать значения, указанные в единицах СИ.
Для решения задач с подвижными гранями требуется подключения метода динамических сеток (Dynamic mesh). Использование динамических сеток можно для течений, в которых форма области меняется со временем из- за движения на границах этой области. Движение может быть заданным или не заданным. Обновление объемной сетки выполняется на каждом временном шаге автоматически на основе новых положений границ исследуемой области. Ansys Fluent позволяет описывать движение с помощью граничных профилей, пользовательских функций UDF и решателя с шестью степенями свободы (6DOF).
Цель работы: Проведение численных исследований нестационарных газодинамических процессов, протекающих в регулируемых соплах РДТТ. Разработка методики расчета с учетов нестационарного массового прихода с поверхности горения и изменения положения узлов расчетной сетки.
Разработана методика расчета нестационарных газодинамических процессов, протекающих в РДТТ, с учетом выгорания заряда твердого топлива.
Реализована геометрическая модель РДТТ с утопленным управляемым сопловым блоком.
Разработан пользовательский программный код для учета нестационарного массового прихода с поверхности горения и движения сеточной области для учета выгорания заряда и отклонения соплового блока от оси симметрии.
Проведены численные исследования нестационарных
газодинамических процессов, протекающих в регулируемых соплах РДТТ при повороте сопла на угол от 0 до 9 градусов.
При отклонении сопла от оси симметрии наблюдается отклонение потока в утопленной области камеры сгорания. При увеличении угла отклонения смещение потока увеличивается в обратную сторону отклонения.
Поток в манжетной области течет в обратном направлении основного потока, разворачивается и поджимается основным, более интенсивным потоком продуктов сгорания из камеры.
Полученные результаты показывают асимметричность течения в докритической области сопла, которая принимает меньший характер в критическом сечении и сверхзвуковой области нивелируется.
Проведены расчеты энерго-тяговых характеристик. Управляющее усилие составило порядка 6-8% от тяги ракетного двигателя, что хорошо согласуется с решениями других авторов.
Реализована геометрическая модель РДТТ с утопленным управляемым сопловым блоком.
Разработан пользовательский программный код для учета нестационарного массового прихода с поверхности горения и движения сеточной области для учета выгорания заряда и отклонения соплового блока от оси симметрии.
Проведены численные исследования нестационарных
газодинамических процессов, протекающих в регулируемых соплах РДТТ при повороте сопла на угол от 0 до 9 градусов.
При отклонении сопла от оси симметрии наблюдается отклонение потока в утопленной области камеры сгорания. При увеличении угла отклонения смещение потока увеличивается в обратную сторону отклонения.
Поток в манжетной области течет в обратном направлении основного потока, разворачивается и поджимается основным, более интенсивным потоком продуктов сгорания из камеры.
Полученные результаты показывают асимметричность течения в докритической области сопла, которая принимает меньший характер в критическом сечении и сверхзвуковой области нивелируется.
Проведены расчеты энерго-тяговых характеристик. Управляющее усилие составило порядка 6-8% от тяги ракетного двигателя, что хорошо согласуется с решениями других авторов.
