Аннотация 2
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СИМВОЛОВ 7
ВВЕДЕНИЕ 8
1 Обзор литературы 10
2 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕЧЕНИЯ
ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ В СОПЛОВОМ БЛОКЕ РД 14
2.1 Методика расчета идеального течения в квазиодномерной
постановке 14
2.1.1 Метод Годунова для решения одномерной задачи 15
2.1.2 Точное решение задачи Римана 17
2.2 Методика расчета толщины пограничного слоя 19
2.2.1 Математическая постановка 19
2.3 Методика решения задачи теплопереноса в критическом сечении
соплового блока 22
2.3.1 Конечно-разностные преобразования для тепловой задачи .... 24
2.4 Термодинамический метод расчета энерготяговых характеристик
соплового блока 25
3 ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАСЧЕТА
ВНУТРИБАЛЛИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕЧЕНИЯ В
СОПЛОВЫХ БЛОКАХ 27
3.1 Описание алгоритма решения комплексной задачи 27
3.2 Параметрические расчеты в квазиодномерной постановки 28
3.3 Параметрические расчеты теплового состояния стенки 32
4 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ТЕЧЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ANSYS
FLUENT 40
4.1 Описание вычислительного пакета 40
4.2 Численные исследования 40
4.2.1 Физическо-математическая постановка 40
4.2.2 Расчетные данные 45
4.2.3 Результаты численного расчета осесимметричного течения 49
4.2.4 Определение составляющих потерь удельного импульса .... 56
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 59
При конструировании перспективных ракетных двигателей (РД) важной задачей является повышение энергетических характеристик двигательной установки, в особенности, удельного импульса тяги. Трудность проектирования процесса истечения газа заключается в том, что реальный процесс истечения газа в сопловом блоке значительно отличается от принятой в термодинамическом расчете идеальной модели. Действительный процесс истечения сопровождается потерями энергии, что приводит к снижению (потерям) энерготяговых характеристик, таких как: удельный импульс и тяга. Потери в сопле обусловлены различными газодинамическими и физико¬химическими процессами. Основополагающими из них являются потери:
• из-за рассеяния, вызванные неравномерностью параметров потока в выходном сечении сопла, включая непараллельность вектора скорости оси сопла;
• трения, возникающие вследствие возникновения пограничного слоя, который препятствует движению вязкого, теплопроводного потока в проходных сечениях сопла;
• химической и энергетической неравновесности, возникающие с тем, что время протекания физико-химических превращений становится соизмеримо со временем пребывания продуктов сгорания в сопле;
• многофазности, возникающие вследствие наличия в продуктах сгорания конденсированной фазы, приводящей к необратимым процессам ускорения жидких или твердых частиц, теплообмена между фазами, неравновесности фазовых переходов;
• других причин, таких как: отличие действительного геометрического контура сопла от расчетного (идеального), особенностей технологического процесса производства, разгара сопла в процессе работы [1, с.112].
Как правило, исключительное внимание уделяют потерям на рассеяние, на трение и потерям, связанным с неравновесным протеканием физико - химических процессов в газовой динамике. Эти три вида потерь обычно являются основными и тесно связаны с газодинамическими и физико¬химическими явлениями, имеющими место при течении газа в сопле. В связи с вышеизложенным, моделирование течения газообразных продуктов сгорания с учетом потерь удельного импульса является актуальной задачей при проектировании сопловых блоков ракетного двигателя.
Цель работы: Разработать программный комплекс для моделирования взаимодействия газообразных потоков продуктов сгорания со стенками сопловых блоков и расчета составляющих потерь удельного импульса.
Задачи:
1. Изучить методики расчета внутрибаллистических параметров в сопловом блоке ракетного двигателя на твердом топливе (РДТТ) с целью выявления преимуществ и недостатков.
2. Реализовать методику расчета внутрибаллистических параметров квазиодномерного течения продуктов сгорания в соплах различных типов с течением по времени по схеме Годунова и полуэмпирическую методику В.С.Авдуевского для учета пограничного слоя вблизи стенки.
3. Реализовать программу расчета для определения
внутрибаллистических характеристик соплового блока с учетом потерь удельного импульса на трение и теплового состояния стенки.
4. Провести численные исследования в осесимметричной постановке с помощью программного комплекса Ansys Fluent для определения составляющих потерь удельного импульса.
1. Разработана методика расчета внутрибаллистических параметров в сопловом блоке ракетного двигателя с учетом составляющих потерь удельного импульса и теплового состояния стенки.
2. Проведены расчеты по определению толщины пограничного слоя в сопле при различных моделях турбулентности и построена сравнительная характеристика со значениями, полученными в ходе реализации полуэмпирической методики В.С Авдуевского.
3. Реализована модель движения невязкого и вязкого газов в осесимметричных соплах РД и проведены параметрические расчёты в программном пакете Ansys Fluent.
4. Показано, что значения пограничного слоя В.С Авдуевского близки к значениям, полученным с использованием модели k-ш SST и k-ш Standart, что обосновано описанием пристеночных функций, в отличии от k-e модели.
5. Выявлено, что относительная погрешность в определении составляющих потерь удельного импульса на трение составляет 1,52 - 9,25% относительно инженерной методики расчета
6. Из оценки теплового состояния критического сечения соплового блока следует, что наличие вкладыша толщиной в 5 мм из углерод - углеродного композиционного материала в критическом сечении позволяет обеспечить необходимую тепловую защиту критического сечения сопла для предотвращения разгара критической области
