Введение к работе
Актуальность проблемы. Теория эрозионного горения топлив начала формироваться после работ О.И.Лейпунского, посвященных исследованию закономерностей горения баллиститного топлива в условиях обдува поверхности горегаїя нагретыми газами в 1942 году. При исследовании был обнаружен эффект увеличения скорости горения топлива с ростом скорости обдувающего потока. Физическое объяснение этого явления дано Я.Б.Зельдовичем. Оно сводится к тому, что влияние обдува проявляется в увеличении потока тепла подводимого к топливу за счет увеличения эффективных коэффициентов тепло- и массопередачи в турбулентном потоке.
Впервые тепловая задача эрозионного горения топлива в плоской гидродинамической постановке была рассмотрена В.Н.Вилюновым. Для твердых топлив В.Н.Вилюновым и А.А.Дворяшиным экспериментально получен эффект уменьшения скорости горения при малых скоростях обдува (эффект отрицательной эрозии).
А.М.Липановым и В.К.Булгаковым в рамках классической теории Я.Б.Зельдов1гча-Д.А.Франк-Каменецкого и допущениях, что химические превращения в зоне горепия описываются одной брутто-реакцией, а течение газовой фазы вблизи поверхности топлива удовлетворяет гипотезам пограничного слоя, дается математическая модель горения топлива при обдуве и предлагается приближенная методика расчета скорости горения.
Теоретические вопросы эрозионного горения топлива и приближенные методы расчета сопряженных задач газовой динамики и тепломассобмена в условиях артиллерийского выстрела были разработаны И.Г.Русяком на основе тепловой модели горения, учитывающей процессы в конденсированной и газовой фазах.
Анализ литературных источников по вопросу эрозионного горения показал, что все исследования относятся к объектам, обладающим простой геометрией, таким как пластина или канал. Для гранулированных топлив и зерненных пороховых элементов исследования не проводились.
Тема исследований связана с проблемой более точного прогнозирования скорости эрозионного горения гранулированного топлива и связанной с этим динамикой изменения параметров внутрикамерных процессов (при расчете процессов воспламенения в крупногабаритных РДТТ, где воспламенение основного заряда происходит многофазной струей содержащей гранулы
воспламенительного состава).
Многообразие геометрических форм гранулированного топлива и условия их обтекания делают затруднительным экспериментальное исследование, что увеличивает роль математического моделирования при решении рассматриваемой задачи. Актуальность работы в том, что данное исследование позволяет проанализировать картшгу эрозионного горения гранулированного топлива, установить основные закономерности течения процесса и предлагает средства для прогнозирования скорости горения новых форм и составов твердого топлива в технических устройствах. Математическое моделирование позволит сократить объем экспериментальных исследований.
Целью диссертационной работы является разработка математической модели и методики численного решения задачи эрозионного горения гранулированного топлива.
Достоверность и обоснованность. Для проверки разработанной методики были проведены расчеты тестовых задач. Сравнение результатов расчетов показало удовлетворительное согласование с экспериментальными данными и результатами, полученными другими авторами. Показана сходимость разностной схемы к исходным дифференциальным уравнениям.
На защиту выносятся.
-
Математическая модель эрозионного горения гранулированного топлива.
-
Методика численного решения задачи эрозионного горения гранулированного топлива.
-
Результаты расчетов обтекания плоских и осесимметричных тел.
-
Результаты моделирования эрозионного горения гранулированного топлива.
Научная новизна работы.
-
Разработана математическая модель эрозионного гореїшя гранулированного топлив на основе стационарных уравнений механики сплошной среды и уравнений химической кинетики в газовой фазе.
-
Предложен алгоритм численного решения задачи обтекания осесимметричных тел с различной геометрией, образующей поверхности вязким несжимаемым теплопроводным газом.
-
Разработана и реализована в виде программного комплекса методика численного решения задачи эрозионного горения гранулированного топлива.
-
Изучено влияние геометрии поверхности, вдува газа, параметров
набегающего потока на сопротивление и теплообмен тела.
-
Изучено взаимное влияние внешнего течения и процессов, протекающих в зоне горения гранул топлива, в широком диапазоне скоростей и температур обдува.
-
Установлена зависимость скорости зрозиоішого горения от геометрии поверхности гранулы.
Практическая полезность.
Полученные результаты являются новыми и дают представлеіше о мехашпме зрозиоішого горения гранулированного топлива. Разработанные методики могут быть использованы для расчета аэродинамических коэффициентов тел вращения и горящих частиц и позволяют детально рассмотреть особенности процесса эрозионного горешія граігулированньїх топлив.
Методика численного решения реализованы в виде программного комплекса.
Апробация работы. Результаты исследований
докладывались на:
International Conference On Combustion (Москва, Санкт-Петербург, 1993);
конференции по современным проблемам внутрикамерных процессов (Ижевск, 1995);
международном семинаре «Химическая газодинамика и горение энергетических материалов» (Томск, 1995);
2-й международной конференции по внутрикамерным процессам и горению «Проблемы конверсии и экологии энергетических материалов» (Санкт-Петербург, 1996);
28-й, 29-й, 30-й научно-технической конференции «Ученые ИжГТУ- производству» (Ижевск 1992,1994, 1996).
Основпое содержание диссертации опубликовано в работах [1-Ю].
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации составляет 106 страниц.