Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме Воробьев Алексей Геннадиевич

Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме
<
Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Воробьев Алексей Геннадиевич. Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме : диссертация ... кандидата технических наук : 05.07.05 / Воробьев Алексей Геннадиевич; [Место защиты: Моск. гос. авиац. ин-т].- Москва, 2010.- 164 с.: ил. РГБ ОД, 61 10-5/1996

Содержание к диссертации

Введение

1. Анализ литературных источников по теме исследования и постановка задач 10

2. Объекты исследования 26

2.1. Двигатель малой тяги ДМТ МАИ-200 26

2.1.1. Однофорсуночная головка двигателя ДМТ МАИ 200-1 30

2.1.2. Семифорсуночная головка двигателя ДМТ МАИ 200-7 33

2.1.3. Девятнадцатифорсуночная головка двигателя ДМТ МАИ 200-19 34

2.2. Двигатель малой тяги ДМТ МАИ-200-1С с секционной камерой сгорания 36

2.3. Двигатель малой тяги ДМТ МАИ-500ВПВК 40

2.4. Основные условия для проведения огневых испытаний 50

3. Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния КС ЖРДМТ 53

3.1. Концепция экспериментально-теоретической модели 53

3.2. Допущения, принятые в модели 60

3.3. Программный комплекс математической модели 61

3.4. Термодинамический расчет двигателя 63

3.5. Расчет теплообмена на стенке 68

3.6. Расчет теплообмена на стенке на нестационарном тепловом режиме. 80

3.7. Численное решение задачи нестационарной теплопроводности 83

3.8. Методика выбора оптимальных рабочих параметров двигателя 88

4. Тепловое состояние КС ДМТ МАИ-200-1С 92

4.1. Результаты эксперимента 92

4.2. Расчет теплообмена на стенке 96

4.3. Определение нестационарного теплового поля численным методом . 99

5. Тепловое состояние КС ДМТ МАИ-200 107

5.1. Результаты экспериментов 107

5.2. Расчет теплообмена на стенке 111

5.3. Определение нестационарного теплового поля численным методом. 121

5.4. Расчет теплового состояния камеры в условиях вакуума 129

5.5. Выход двигателя на стационарный тепловой режим работы 133

6. Применение модели в целях повышения эффективности ЖРДМТ 138

6.1. Применение модели для выбора оптимальных рабочих параметров ДМТМАИ-200 138

6.1.1. Выбор оптимального расхода на завесу 138

6.1.2. Расчет теплового состояния при отсутствии завесы 144

6.1.3. Выбор схемы расположения форсунок 146

6.1.4. Выбор материала стенки камеры 148

6.2. Применение модели для выбора оптимальных рабочих параметров ДМТ МАИ-500ВПВК 151

7. Заключение 158

8. Литература 159

Введение к работе

Актуальность работы.

Одной из основных задач, стоящих перед разработчиком космического аппарата является создание двигательной установки для управления движением космического аппарата с высокоэкономичными и надежными жидкостными ракетными двигателями малых тяг (ЖРДМТ).

Экономичность ЖРДМТ характеризуется величиной удельного импульса двигателя и обеспечивается за счет лучшего смесеобразования в камере сгорания, высокой температуры продуктов сгорания, применения жаростойких материалов в конструкции двигателя. Надежность ЖРДМТ обеспечивается их экспериментальной огневой отработкой. Затраты на огневую отработку ЖРДМТ являются основной составляющей стоимости создания двигателя.

Наиболее теплонапряженным элементом конструкции ЖРДМТ является камера сгорания (КС) двигателя. Увеличение удельного импульса двигателя, сокращения числа огневых доводочных испытаний и повышения их эффективности можно добиться путем прогнозирования температурного поля КС посредством разработки и применения экспериментально-теоретической модели теплового состояния КС ЖРДМТ, которая должна:

1) учитывать особенности таких двигателей:

- отсутствие регенеративного охлаждения;

- наличие завесного охлаждения;

- нестационарность теплового поля камеры сгорания;

- специфичная организация процесса смесеобразования;

2) рассматривать большинство из факторов, влияющих на процесс в двигателе:

- параметры рабочего процесса (давление в камере сгорания различные пары компонентов топлива, соотношение компонентов );

- организацию смесеобразования;

- организацию завесного охлаждения;

- применения различных материалов для стенки КС и сопла;

3) рассматривать сложный характер процессов теплообмена в камере сгорания двигателя:

- испарение жидкой пленки завесы на начальном участке перемешивания;

- конвективный теплообмен между продуктами сгорания и стенкой камеры двигателя с учетом турбулентного перемешивания завесы с пристеночным слоем;

- радиационный теплообмен на внутренней и наружной поверхностях стенки КС и сопла;

- теплопередача в стенке камеры двигателя;

- теплообмен на внешней поверхности стенки КС и сопла при испытаниях в атмосферных условиях;

- стационарный и нестационарный тепловые режимы.

Существующие модели, позволяющие определять тепловое состояние двигателя, рассматривают лишь часть из вышеперечисленного.

Поэтому разработка экспериментально-теоретической модели теплового состояния КС двухкомпонентных ЖРДМТ, работающих на непрерывном режиме, является актуальной научно-технической задачей.

Целью работы является повышение удельного импульса двухкомпонентного ЖРДМТ, работающего на непрерывном режиме, и сокращение количества огневых испытаний двигателей путем разработки и применения экспериментально-теоретической модели теплового состояния КС ЖРДМТ.

Основные задачи, решаемые в диссертационной работе:

  1. Разработка и реализация экспериментально-теоретической модели теплового состояния КС двухкомпонентного ЖРДМТ, работающего на непрерывном режиме, на основе методик расчета процессов в камере сгорания и сопле больших ЖРД, с учетом особенностей рабочего процесса и конструкции двигателей малых тяг.

  2. Разработка и испытание модельной камеры сгорания двигателя с целью отработки и верификации экспериментально-теоретической модели.

  3. Проведение огневых испытаний ЖРДМТ с целью определения теплового состояния КС двигателя и сравнения результатов экспериментов с результатами моделирования.

  4. Использование модели для определения оптимальных рабочих и геометрических параметров, выработки рекомендаций по конструкции КС и смесительных головок двигателей ДМТ МАИ-200 и ДМТ МАИ-500 с целью получения максимального ожидаемого удельного импульса.

  5. Проверка модели для двигателей, работающих на разных компонентах топлива.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. Впервые обоснована и разработана экспериментально-теоретическая модель теплового состояния КС двухкомпонентных ЖРДМТ на основе методик расчета процессов в КС и сопле больших ЖРД, с учетом особенностей двигателей малых тяг.

  2. Проведено моделирование теплового состояния КС двигателя, получены распределения температуры внешней стенки, температуры стенки со стороны продуктов сгорания, температуры продуктов сгорания вблизи стенки, тепловых потоков вдоль камеры двигателя на стационарном и нестационарном тепловых режимах.

  3. Проведен анализ влияния основных параметров двигателя, схемы форсуночной головки, параметров смесеобразования и завесного охлаждения на тепловое состояние КС двигателя.

  4. Даны рекомендации по увеличению удельного импульса рассматриваемых в работе ЖРДМТ путем оптимизации основных параметров двигателя, параметров смесеобразования, применения жаропрочных материалов, проведена численная оценка повышения удельного импульса двигателя от принимаемого комплекса мер.

Степень обоснованности и достоверности полученных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается:

использованием известных научных положений, методов исследований, апробированных методик расчетов;

определение теплового состояния камеры сгорания и сопла двигателя основано на общих положениях теории теплопередачи и теплопроводности;

для численного решения задачи нестационарной теплопроводности используется общепризнанный метод конечных элементов;

достоверность каждой из использованных методик подтверждается сравнением полученных результатов с данными других авторов;

результаты расчета и анализа теплового состояния камеры сгорания ЖРДМТ по модели подтверждаются экспериментальными данными автора и других исследователей.

Основным вкладом диссертанта является предложенная и разработанная автором экспериментально-теоретическая модель теплового состояния КС двухкомпонентного ЖРДМТ, работающего на непрерывном режиме. Автор принимал непосредственное участие в разработке, составлении конструкторской документации и проведении огневых испытаниях ЖРДМТ, рассматриваемых в работе.

Практическая ценность результатов работы

Применение разработанной модели позволяет повысить удельный импульс ЖРДМТ, снизить количество огневых испытаний, повысить их эффективность, и, как следствие, снизить затраты на разработку и доводку двигателя.

В работе изложена методика моделирования теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных ЖРДМТ для различных параметров рабочего процесса в камере двигателя.

Созданная экспериментально-теоретическая модель позволила выявить резерв по тепловому состоянию ЖРДМТ ДТМ МАИ-200 (компоненты: четырехокись азота и несимметричный диметилгидразин) и выработать рекомендации по изменению параметров двигателя, конструкции камеры сгорания и головки двигателя.

С использованием модели разработан новый ЖРДМТ ДМТ МАИ-500 (компоненты: высококонцентрированная перекись водорода и керосин). Для двигателя выбраны рабочие и геометрические параметры, проведен предварительный прогноз теплового состояния стенки камеры сгорания и сопла и выработаны рекомендации по конструкции головки и камеры двигателя.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались: на научной конференции «Авиация и космонавтика» (МАИ, г. Москва, 2003 г.), на 9-ой международной конференции "Системный анализ и управление" (г. Евпатория, 2004 г.), на международной конференции International Symposium on Space Propulsion (ISSP) (г. Beijing, 2007 г.), на конференции «Стендовые испытания и исследование агрегатов ракетных двигателей, космических аппаратов и ступеней РН» (НИИхиммаш, г. Пересвет, 2007 г), на Всеросийской научно-технической конференции "Ракетно-космические двигательные установки" (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008), на международной конференции «The 60th International Astronautical Congress» (Daejeon, Republic of Korea, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка используемых источников из 95 наименований, изложена на 164 страницах машинописного текста и иллюстрирована 128 рисунками, число таблиц - 19.

Анализ литературных источников по теме исследования и постановка задач

К жидкостным ракетным двигателям малых тяг (ЖРДМТ) относят ЖРД с тягой от 0,01 до 1600 Н [28]. Два основных класса ЖРДМТ составляют двухкомпонентные ЖРДМТ, работающие на жидком ракетном топливе (самовоспламеняющемся или несамовоспламеняющемся), и однокомпонентные ЖРДМТ, также работающие на ЖРТ.

ЖРДМТ могут работать на топливах с жидкими и/или газообразными компонентами, или на однокомпонентном топливе. В настоящее время, в связи с требованиями экологической безопасности на пилотируемых КЛА, переходят на использование в ЖРДМТ экологически чистых компонентов топлива, в частности 02+кер, 02+Н2, 02+ спирт [95].

Двухкомпонентные ЖРДМТ в настоящее время широко используются в космических двигательных установках как: исполнительные органы реактивной системы управления (РСУ) КЛА относительно центра масс; двигатели коррекции орбиты ИСЗ или КЛА; двигатели системы обеспечения запуска (СОЗ) основной ДУ; двигатели орбитального маневрирования КЛА; а также для выполнения других задач.

Создание ДУ для управления движением КЛА с высокоэкономичными и надежными ЖРДМТ - одна из основных задач, решаемых при проектировании космического аппарата. От успешного решения этой задачи зависит эффективность КЛА и надежность выполнения программы полета.

Если на первых этапах создания ДУ систем управления в 60-е - 70-е годы прошлого века требования к экономичности ЖРДМТ составляли значения не более (250...270) единиц удельного импульса, то в настоящее время требования возросли до (290...300) единиц и более. Это оправдано, так как расчеты показывают: повышение экономичности ЖРДМТ тягой, например, 100Н (10 кгс) от величины удельного импульса 250 единиц до 290 единиц при ресурсе огневой работы 50000 с эквивалентно экономии 280 кг топлива или соответствующему увеличению полезной нагрузки. Для ДУ, имеющей в своем составе, например, 12 ЖРДМТ, экономия составит уже 3,3 т.

Таким образом, является актуальной задача повышения удельного импульса ЖРДМТ. Однако, высокая экономичность двигателя, работающего на высококалорийных компонентах химического топлива, определяет и высокую тепловую напряженность конструкции. Следовательно, возникает проблема создания ресурсного ЖРДМТ с высокими энергетическими характеристиками и, одновременно, с надежным тепловым состоянием.

В настоящее время существуют достаточно большое количество организаций, занимающихся разработкой ЖРДМТ как в России, так и за рубежом.

Большие наработки в области создания непосредственно ЖРДМТ принадлежат отечественным производителям: НИИ Машиностроения, КБ Химического Машиностроения, ТМКБ "Союз". Отдельно необходимо отметить НИИ Машиностроения, которое с 1981 г. головное предприятие отрасли в области разработки и изготовления жидкостных ракетных двигателей малой тяги (ЖРДМТ) для космических аппаратов различного назначения (в том числе пилотируемых).

Исследования, разработка и производство ЖРДМТ остаются основной тематикой НИИ Машиностроения. Всего на предприятии разработано более 30 наименований ЖРДМТ, прошедших летную эксплуатацию в составе КА "Салют", "Алмаз", "Мир", модулей дооснащения "Квант", "Кристалл", "Спектр", "Природа", пилотируемых КК "Союз", "Союз-ТМ", грузовых КК "Прогресс", "Прогресс-М и Ml", МТКК "Буран". ЖРДМТ НИИмаш обеспечивают управление орбитальным полетом блоков МКС (ФГБ "Заря" и СМ "Звезда"), КА типа "Космос", "Молния" и др., а также РБ "Бриз" и РН "Рокот".

Среди зарубежных можно отметить организации и институты в США (Boeing, Northrop Grumman Space Technology, Lockheed Martin), Европе (EADS с подразделениями в Германии, Marquardt, и Франции, SEP), Китае (Beijing Aerospace Propulsion Institute, Space Flight Institute of Power Machinery Shanghai), Бразилии (INPE). В таблице 1.1 представлены характеристики двигателей малых тяг с разным уровнем тяги и составом топлива от разных производителей. ЖРДМТ КЛА, рассматриваемые в настоящей работе, имеют существенно меньшую тягу, чем ЖРДМТ ступеней РБ, и следующие существенные конструктивные отличия от маршевых ЖРД [2, 49, 27]: импульсные режимы работы; существенно малые размеры; обычно отсутствие наружного проточного охлаждения камеры сгорания и сопла, т.е. охлаждение только за счёт излучения тепла нагретой стенкой; небольшое число топливных форсунок (у ЖРДМТ КЛА обычно одна) в камере сгорания.

Как и в двигателях больших тяг, процессы в камерах двухкомпонентных ЖРДМТ отличаются от принимаемой в термодинамических расчетах идеализированной схемы. Эти отличия обусловлены неоднородным распределением компонентов топлива по поперечному сечению камеры, неодномерностью течения, потерями в сопле из-за рассеяния, трения и химической неравновесности, отсутствием регенеративного охлаждения и др. Для ЖРДМТ почти все из указанных отличий имеют более существенное (по сравнению с двигателями больших тяг) значение. К таким отличиям можно отнести неоднородность параметров по сечению камеры (из-за малого числа смесительных элементов и внутреннего охлаждения), неполноту сгорания и химическую неравновесность, повышенные потери импульса из-за трения, что связано с малыми размерами камеры. Характерным отличием является нестационарность режима работы.

Двигатель малой тяги ДМТ МАИ-200-1С с секционной камерой сгорания

Автором диссертационной работы была специально разработана секционная камера сгорания ЖРДМТ ДМТ МАИ-200-1С (рис. 2.15, 2.16) под исследуемую однофорсуночную головку двигателя ДМТ МАИ-200-1 для отработки методики определения тепловых потоков и граничных условий, а также самой модели теплового состояния камеры двигателя. Секционная камера предназначалась для получения граничных условий на стенках камеры с последующим переносом их на объектовую камеру и отработки модели. Поэтому создание двигателя с секционной камерой сгорания было основано на выполнении следующих обязательных условий: используется натурная смесительная головка (с реальными смесительными элементами и их расположением на плоскости головки); сохраняется конструкция, размеры каналов и расход на завесу; сохраняются параметры исследуемого номинального режима: т 0 = const ,rh г - const ,кА = const ,кл = const ; сохраняется геометрический профиль камеры сгорания и сопла. Основные особенности секционной камеры сгорания: камера из отдельных секций; использование теплоотводящего материала. исключить тепловые перетекания вдоль камеры, а использование теплопроводного материала позволяло рассматривать нагрев секций как нагрев калориметрического тела, что упростило расчет и перенос граничных условий на объектовую камеру. Геометрия секционной модельной камеры (внутренний контур) была идентичной геометрии объектовой камеры. Тем самым предполагалось определить граничные условия на внутренней стенке секционной и объектовой камер сгорания. В конструкцию головки двигателя ДМТ МАИ-200-1 изменений не вносилось. Головка ранее уже прошла удачные огневые испытания с объектовым двигателем. Камера представляет собой стянутые между собой 7 отдельных металлических секций, каждая из которых изготовлена из теплопроводящего материала (БрХ 0.8). Конструкция соединений обеспечивает достаточную теплоизоляцию секций друг от друга, поэтому торцевые перетекания тепла между секциями довольно малы. Секции были сконструированы таким образом, чтобы обеспечить герметичность камеры сгорания, при этом должна сохраниться прочность всей конструкции в целом. Это удалось достичь применением замковых соединений секций (рис. 2.17). Кольца, выполненные из термостойкой резины, являются дополнительным уплотнением. Муфты стягивают шпильки, которые идут от фланцев камеры сгорания. Головка двигателя крепится болтами во втулки фланца КС. На внешнюю поверхность каждой секции ставится термопара, после чего производится сборка секционной камеры с исследуемой головкой. Расположение термопар показано на рис. 2.18, 2.19. Термопары были установлены под разными углами относительно базовой поверхности камеры сгорания. На секции №2 со стороны переднего фланца устанавливается штуцер для замера давления в камере. Здесь с1эф - средняя толщина стенки секции, 1кттакта - длина секции, X, -координата конца секции, Х2— координата расположения термопары. Материал секционной камеры (БрХ 0.8) обладает на порядок большей теплопроводностью, чем материал объектовой камеры (ХН60ВТ). Это позволяет равномерно нагреваться секциям. Таким образом, принимается, что температуры внешней поверхности секции и есть средняя температура всей секции. Однако перенос граничных условий с секционной на объектовую камеру оказался затруднительным из-за разницы характера нагрева стенок камеры. Во-первых, в эксперименте не удалось воспроизвести точные параметры рабочих режимов двигателя ДМТ МАИ-200. Давление в секционной камере двигателя оказалось ниже, чем в объектовой камере, даже при расходах компонентов больше номинального при сохранении постоянной величины соотношения компонентов. Это связано со значительным уменьшением внутренней энергии потока, т.к. большая ее часть тратится на нагрев объемных секций двигателя. Во-вторых, нагрев секций оказался ниже, чем у объектовой камеры, в виду, опять же таки, их объемности и хорошей теплопроводности материала. Эксперименты на секционной камере позволили использовать полученные экспериментальные результаты для отработки модели теплового состояния двигателя для отличных от номинального режимов работы двигателя с другой конструкцией камеры сгорания.

Допущения, принятые в модели

І.При расчете длины участка испарения жидкой пленки завесы (исходя из баланса тепла (3.1)) прогрев стенки за счет осевого перетекания тепла не учитывается. 2.При расчете перемешивания пристеночного слоя с завесой ((3.2)-(3.5)) принято, что завеса, исходящая из тангенсальных каналов, представляет собой ламинарный закрученный поток. По примеру ЖРД больших тяг, величина коэффициента турбулентного перемешивания завесы в этом случае составляет К = 5-Ю"4 [49]. 3. В термодинамическом расчете рассматривается четырехэлементное топливо, состоящее из Н, С, N, О. Этими элементами можно задать состав подавляющего большинства топлив, применяемых в ЖРДМТ, что удовлетворяет требованием к разработанной модели. 4.Существуют технологические параметры, не включенные в модель, которые косвенно влияют на величины тепловых потоков в стенку камеры и сопла, такие как: конструктивное оформление завесного охлаждения; допуски на изготовление форсунок и каналов завесы; наличие на внутренней стенке камеры сгорания и сопла защитного покрытия, с отличными от основного материала теплофизическими свойствами; шероховатость внутренней стенки камеры сгорания и сопла. 5.Во время испытаний в защитный кожух, где устанавливался двигатель, подавался азот с расходом 2 г/с для эжектирования продуктов сгорания. В модели условия теплообмена на внешней стенке камеры сгорания принимались по условиям естественной конвекции, без учета отражения тепла от защитного кожуха на испытательном стенде. б.Взаимное облучение участков камеры сгорания отсутствует, не учитывает потери тепла от излучения через срез сопла. Коэффициент излучения стенки камеры двигателя постоянен. 7.Химическое взаимодействие между ПС и материалом стенкой КС отсутствует. 8. При расчете теплообмена между КС и головкой двигателя считается, что температура головки в месте соединения с камерой считается постоянной. Программный комплекс математической модели теплового состояния КС ЖРДМТ представляет собой взаимодействие отдельных программных модулей, каждый из которых имеет свою функциональность и отвечает за решение той или иной подзадачи всего комплекса расчета. Программные модули предоставляют другим модулям свои данные (отдельные значения каких-либо величин, сводные таблицы с уже подсчитанными значениями того или иного параметра, массивы данных очередного расчета и т.д.) и возможность использовать собственную функциональность. Такой подход обеспечивает обособленность модулей друг от друга, быстрый обмен данными между ними, что гарантирует их универсальное использование. Описание основных программных модулей математической модели теплового состояния КС ЖРДМТ: 1.Модули данных. a. Модуль объекта содержит неклассифицируемые данные о физическом объекте исследования: параметры и характеристики самого объекта и отдельных его частей. b. Модуль геометрии предоставляет другим модулям данные о геометрии объекта: внутренний и внешние профили камеры и сопла. Включает в себя сеточный подмодуль, содержащий функции генерации сетки по геометрии камеры для численного и аналитического решения тепловой задачи. c.

Модуль данных материала объекта содержит характеристики материала объекта: теплоемкость, теплопроводность, плотность в зависимости от температуры и др. d. Модуль экспериментальных данных оперирует с базой данных по экспериментам. e. Модуль данных по топливу содержит характеристики топлива. 2. Модули сопряженных расчетов. a. Модуль расчета основных параметров ЖРД содержит функции для расчета теоретических и практических значений тяги и удельного импульса двигателя, коэффициентов тяги, составляющих тяги, коэффициентов потерь удельного импульса и других смежных параметров. b. Модуль численных методов содержит функции для различных численных решений: интерполирование, экстраполирование, интегрального исчисления функций и др. c. Модуль термодинамического и газодинамического расчетов содержат функции и данные для термодинамического и газодинамического расчета по заданным параметрам.

Определение нестационарного теплового поля численным методом

Теоретическая часть математической модели теплового состояния КС ЖРДМТ изложена в разделе 3.7.

Начальными данными для расчета являются: геометрия камеры, условное разбиение на секции, данные по материалу камеры, распределение температуры стенки со стороны ПС по времени расчета. Математическая модель, используя заданную геометрию секций и камеры ЖРДМТ, создает расчетную сетку по выбранному числу ячеек вдоль каждой оси (таблица 4.3). При выборе размера сетки и временного шага для секционной камеры необходимо учесть изменение свойств материала для выполнения условия сходимости разностной схемы. Расчетная сетка математической модели для секционной камеры представлена на рис. 4.10. Результаты расчетов теплового состояния секционной камеры сгорания приведены на рис. 4.11 -4.15. нестационарного нагрева для разных х. Для расчета в начальный момент времени т = 0 при Тстг - Т0 используется уравнение стационарного приближения (3.15). Далее входящий тепловой поток уменьшается, а исходящий поток увеличивается из-за увеличения лучистого теплообмена. Тепловые потоки стремятся к установившемуся значению, процесс происходит медленно. Результаты расчетов теплового состояния секционной камеры по математической модели близки к результатам экспериментов: ошибка составила до 5%. Неточность может быть объяснена разницей в реальных и в расчетных граничных условиях, расхождением свойств реального и моделируемого материала камеры. Таким образом, подтвержден численный метод определения нестационарного поля температур на секционной камере.

Таким образом, можно сделать следующие выводы: 1 .Спроектирован и создан модельный двигатель ДМТ МАИ-200-1С с секционной камерой сгорания и головкой двигателя ДМТ МАИ-200-1. 2.Проведены эксперименты по определению теплового состояния секционной камеры двигателя. В ходе экспериментов были получены данные о температуре внешней поверхности стенки при заданном значении соотношения компонентов кт и расходов rhz. 3. Проведено моделирование теплового состояния секционной камеры сгорания. Определены тепловые потоки в стенку камеры сгорания, определены значения установившихся температур на поверхностях стенки по координате. Численным методом рассчитано нестационарное тепловое поле секционной камеры сгорания. Результаты расчета показали хорошую сходимость с результатами экспериментов. 4.Результаты моделирования теплового состояния двигателя ДМТ МАИ-200-1С позволили отработать и верифицировать экспериментально-теоретическую модель теплового состояния КС ЖРДМТ для дальнейшего ее применения.

Похожие диссертации на Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме