Введение к работе
Актуальность темы. Исследование процессов тепломассообмена при взаимодействии капель жидкости с газовым потоком в двигателях летательных аппаратов является одной из актуальных технических задач. Они имеют место при гидрогашении твердотопливного заряда ракетного двигателя, при впрыске воды в воздухозаборный тракт (ВЗТ) и в компрессор энергетических установок на базе наземных газотурбинных двигателей (ГТД) и др. Математическое моделирование столь сложных процессов основывается на рассмотрении системы уравнений, содержащей фундаментальные уравнения математической физики, начальные и граничные условия. В рассматриваемых случаях всё сводится к моделированию внутренних течений двухфазных потоков в каналах различной геометрии, жидкая и газообразная фаза которых обмениваются массой, теплотой и количеством движения.
Разработка математической модели и программная реализация численных методов расчета параметров тепломассообмена двухфазных потоков в двигателях летательных аппаратов (ДЛА) представляет самостоятельную научную задачу. Из-за сложности такой математической модели аналитическое решение поставленной задачи тепломассообмена в общем случае затруднительно и необходима разработка алгоритма численного определения параметров двухфазного потока в элементах конструкции ДЛА. Поэтому актуальными являются разработка математической модели и программная реализация численных методов расчета параметров тепломассообмена двухфазных потоков в ДЛА.
В крупногабаритных ракетных двигателях на твердом топливе (РДТТ) отсечка тяги путем вскрытия дополнительных отверстий не приводит к гашению заряда, если площадь вскрываемых отверстий является небольшой. Возникающие при этом трудности привели к разработке более эффективных способов гашения, в качестве одного из которых используется впрыск жидкости в камеру сгорания РДТТ. Отметим, что натурные или модельные испытания процесса гидрогашения заряда РДТТ встречают непреодолимые трудности их реализации из-за высоких термогазодинамических параметров потока и наличия в нем капель жидкости. Существующие математические модели неадекватны реальному протеканию процесса гидрогашения, так как в них процесс испарения капель рассматривается как мгновенный процесс, а не как процесс, протекающий с конечной скоростью в зависимости от внешних условий: таков, например, подход к изучаемому вопросу в работах Б.Т. Ерохина, М.И. Соколовского, В.И. Петренко и др. В таких моделях не учитывается тот факт, что зона, занятая парогазовой смесью, в процессе гидрогашения заряда увеличивается, и каждые последующие капли впрыснутой жидкости пролетают большее расстояние до полного испарения, чем их предшественники. Данное расширение зоны парогазовой смеси вызывает увеличение времени существования капель, тем самым, снижая интенсивность их тепломассообмена с газом. Этим работам предшествовали исследования
параметров двухфазных течений, в которых также не учитывались движение во времени границы капель и формирование в них неоднородного температурного поля (достаточно указать на широко известную классическую монографию Г. Эммонса «Основы газовой динамики»).
Впрыск жидкости в поток газа осуществляется также и в ВЗТ энергетических установок на базе ГТД с целью улучшения показателей их работы. И в этом случае становится актуальным решение задачи тепломассообмена при взаимодействии капель жидкости с потоком воздуха с целью нахождение параметров двухфазного потока по длине канала ВЗТ.
Целью работы является создание математической модели, алгоритма и программной реализации численных методов расчета процессов тепломассообмена в двухфазном потоке для установления его параметров в ДЛА.
Задачи исследования:
- создание математической модели процессов тепломассообмена
двухфазных потоков, адекватной его протеканию в элементах ДЛА;
- разработка экономичного с вычислительной точки зрения алгоритма
численного моделирования процесса тепломассообмена двухфазного потока в
ДЛА на ПЭВМ для возможности проведения многофакторного анализа и
оптимизационных расчетов;
- программная реализация численного моделирования процесса
тепломассообмена двухфазных потоков в ДЛА;
- проведение численных экспериментов и параметрического анализа их
результатов с целью установления влияния факторов протекания исследуемого
процесса на его характеристики в ДЛА.
Методы исследования базируются на фундаментальных методах математического моделирования физических процессов, происходящих при взаимодействии капель жидкости с газовым потоком, методах вычислительной гидрогазодинамики.
На защиту выносятся:
математическая модель процессов тепломассообмена двухфазных потоков в ДЛА;
алгоритм численного моделирования процессов тепломассообмена двухфазных потоков в ДЛА;
- программы реализации численного моделирования процессов
тепломассообмена двухфазных потоков в ДЛА с уточнением существующих
схем счета;
- результаты расчетных исследований, проведенных на основе созданной
математической модели процессов тепломассообмена двухфазных потоков в
ДЛА.
Научная новизна работы:
- предложены новые математическая модель и алгоритм расчета
процессов тепломассообмена двухфазного потока в ДЛА;
- в структуре этой математической модели впервые детализированы
протекание процесса испарения капель с учетом формирования в них
нестационарных температурных полей в области с подвижной во времени
границей и механизм массообмена капель в зависимости от температуры их
поверхности;
- на основе созданной математической модели процессов
тепломассообмена двухфазных потоков впервые проведен количественный и
качественный анализ и установлена детальная картина распределения
параметров тепломассопереноса, позволяющая рассчитать скорость спада и
глубину падения давления в камере сгорания РДТТ, а также, в частности,
влияние начальной температуры впрыскиваемой жидкости на длину пути
испарения.
Практическая ценность представленной диссертационной работы.
представленная математическая модель процессов тепломассообмена двухфазных потоков и алгоритм её решения могут быть использованы при расчете и конструировании узла гидрогашения в РДТТ, исследовании процесса впрыска жидкости в ВЗТ энергетических установок на базе ГТД, а также в элементы аналогичных технических устройств;
разработанные методы проведения численных расчетов позволяют получать параметры двухфазного потока по тракту элементов конструкции двигателей летательных аппаратов и других энергетических устройств, для которых проведение натурных испытаний является затруднительным, а иногда и невозможным;
результаты численного исследования процессов тепломассообмена двухфазных потоков могут быть использованы для оптимизации элементов конструкции двигателей летательных аппаратов и других энергетических устройств, в которых осуществляется впрыск жидкости.
Обоснованность и достоверность результатов, полученных в диссертационном исследовании, обеспечивается тем, что математическая модель исследуемого процесса включает в себя фундаментальные уравнения, описывающие законы сохранения, численная реализация алгоритма корректна, а полученные результаты решений верифицированы сопоставлением с данными других авторов.
Апробация работы.
Основные результаты исследования доложены и обсуждены на следующих международных, российских конференциях и семинарах:
на 4-ой Российской национальной конференции по теплообмену (г. Москва, 23-27 октября 2006г.);
на 16-й Школе-семинаре «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (г. Санкт-Петербург, 21-25 мая 2007г.);
- на VI Минском международном форуме по тепломассообмену
(г. Минск, 19-23 мая 2008г.);
- на III Международной научно-технической конференции
«Эффективность, надежность и безопасность энергетических установок»
(г. Севастополь, 9-15 июня 2008г.);
на XXVIII Российской школе по проблемам науки и технологий (г. Миасс, 24-26 июня 2008г.);
на молодежной научно-технической конференции «III слет молодых энергетиков Республики Башкортостан» (г. Уфа, 11-13 сентября 2008г.);
на 4-ой всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 19-21 февраля 2009г.);
- на XIII международной научно-практической конференции
«Решетневские чтения» (г. Красноярск, 10-12 ноября 2009г.);
на семинаре Института механики Уфимского научного центра РАН (г. Уфа, 19 ноября 2009г.);
на семинаре ОАО «Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева» (г. Миасс, 9 апреля 2010г.).
Основанием для выполнения работы явились гранты по направлению «Ракетостроение» в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г.: П317 от 28.07.2009 г. по проблеме «Электрогидравлические системы управления регулируемой двигательной установкой твердого топлива многократного включения»; государственный контракт 02.740.11.0522 на выполнение НИР «Разработка методов и средств проектирования, испытания и диагностики систем управления РДТТ с глубоким регулированием модуля тяги и многократным включением».
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК.
Личный вклад соискателя в проведенное исследование. Все основные положения, связанные с разработкой математической модели, алгоритма и программной реализацией численного расчета процессов тепломассообмена двухфазных потоков в ДЛА, а также проведенные расчетные исследования выполнены и разработаны автором лично.
Внедрение.
Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева» и в учебный процесс Уфимского государственного авиационного технического университета.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений; содержит 149 страниц, включая приложения, 35 рисунков, 5 таблиц; библиографический список включает 112 наименований.
