Введение к работе
Объектом исследования являются термогазодинамические процессы при термической переработке подлежащих уничтожению (утилизации) твердотопливных двигателей и газогенераторов ракет, снимаемых с вооружения по окончании срока хранения или в соответствии с международными договорами.
Предметом исследования являются описываемые системами обыкновенных дифференциальных и нелинейных алгебраических уравнений математические модели термогазодинамических и тепловых процессов в энергетических устройствах.
Актуальность темы. Кроме маршевых двигателей, в составе ракетного комплекса имеется значительное количество твердотопливных двигателей специального назначения (управляющих, тормозных и т.п.) и газогенераторов, необходимых для обеспечения нормальной работы систем и агрегатов. Они имеют существенно отличающиеся технические характеристики: массу топливного заряда, время работы, тип используемого топлива, что значительно затрудняет разработку единого технологического процесса утилизации для всех типов двигателей. В РДТТ уничтожению подлежат заряды твердого топлива, корпуса из композиционных материалов, теплозащитные покрытия. Для уничтожения зарядов твердого топлива лучше всего использовать термические методы. Надежное теоретическое определение состава и свойств продуктов сгорания необходимо для определения характеристик процессов в установках и существенно с точки зрения охраны окружающей среды.
Наибольшее распространение получили методы расчета состава и параметров высокотемпературных рабочих тел на основе концепции химического равновесия, развитые в трудах Алемасова В.Е. с сотрудниками [1,2]. Независимость параметров состояния смеси от предыстории их достижения в равновесном расчете приводит к значительному отклонению расчетных параметров высокотемпературной смеси от действительных.
Для более точного описания термогазодинамических процессов требуется разработка математических моделей, позволяющих учитывать взаимосвязь физико-химических явлений: изменение химического и фазового состава рабочих тел, неравновесность протекания процессов, тепло- и массообмен между
различными фазами рабочего тела и элементами конструкции агрегата. В качестве примера можно привести работы УГЛирумова и других авторов [3,4], посвященные моделированию неравновесных течений в соплах ракетных двигателей. Как правило, в них учитывается влияние какого-либо одного фактора на характеристики процесса. В целом подобные математические модели достаточно сложны, требуют привлечения специальных численных методов для их решения [4] и в большинстве случаев ограничены по количеству учитываемых при расчетах компонентов смеси. Цель работы;
создание математической модели термогазодинамических и теплообменных процессов в энергетических устройствах;
проведение численных экспериментов для идентификации математической модели сравнением полученных результатов с экспериментальными данными и опубликованными результатами численного моделирования;
численные исследования процессов термической переработки твердотопливных зарядов утилизируемых двигателей.
Решались следующие задачи:
выявление возможных способов моделирования процессов в высокотемпературных газовых смесях;
разработка математической модели, описывающей как процессы в реагирующей газовой смеси, так и ее взаимодействие с элементами энергетических установок и внешней средой;
идентификация параметров имитационных моделей по экспериментальным данным и тестовым примерам;
компьютерное моделирование процессов термической переработки твердотопливных зарядов утилизируемых двигателей;
- адаптация имитационных моделей для учебного процесса.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются
на использовании методов формальной химической кинетики и равновесной химической термодинамики для определения состава реагирующей смеси, а также методов математического моделирования систем с сосредоточенными параметрами обыкновенными дифференциальными уравнениями, в основу которых положены классические законы сохранения, критериальные уравнения теории подобия тепловых процессов и уравнения термо- и газовой динамики.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждены тестовыми расчетами химически неравновесного течения продуктов сгорания по соплу ракетного двигателя, для которых имеются численные решения.
Математические модели, предложенные в работе, основаны на достоверных физических моделях, фундаментальных положениях термогазодинамики и химической кинетики, большой совокупности результатов известных теоретических и экспериментальных исследований. Компьютерные программы отлажены на корректных контрольных примерах.
На защиту выносятся:
метод определения состава реагирующей газовой смеси с учетом конечного времени протекания химических реакций;
математическая модель, описывающая процессы в нестационарном реакторе идеального смешения, и метод ее решения;
результаты численных исследований процессов утилизации твердотопливных зарядов двигателей специального назначения и газообразных горючих отходов.
Научная новизна полученных результатов:
разработан метод расчета состава реагирующей смеси с учетом конечной скорости протекания химических реакций;
проведены исследования процессов термической переработки твердотопливных зарядов утилизируемых двигателей специального назначения, в ходе которых были составлены математические модели и пакеты прикладных программ для моделирования процессов в энергетических устройствах.
Практическая ценность определяется созданными математическими моделями, позволяющими на этапе проектирования прогнозировать состав и свойства высокотемпературных реагирующих газовых смесей и режимы работы энергетических устройств. Использование этих моделей позволяет оптимизировать условия работы этих устройств для получения требуемых энергетических и экологических характеристик.
Результаты работы были использованы при разработке технических предложений промышленного технологического процесса утилизации (ликвидации) твердотопливных ракетных
двигателей и стенда для моделирования воздействия пожара на объекты. Отдельные результаты работы использованы в лекциях и лабораторном практикуме учебного курса "Теория и конструкция аппаратов" (раздел "Термогазодинамика двигателя ЛА"). Прикладные программы для расчета равновесного состава продуктов сгорания и профилирования сопла используются в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Отдельные этапы работы докладывались и обсуждались на Ш, IV и V научных конференциях ученых России, Белоруссии и Украины "Прикладные проблемы механики жидкости и газа" (г. Севастополь) 1994 - 96 гг.; международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (г. Омск), 1995 г.; международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды - ПООС-95" (г. Томск), 1995 г.; молодежных научно-технических конференциях 'Тагаринские чтения" (г. Москва) 1994 - 95 гг.; научно-технических конференциях ИжГТУ (г. Ижевск) 1994-97 гг.
Публикации. По результатам работы имеется 16 ііубликаций. в том числе: три статьи, три научно-технических отчета, десять тезисов докладов на научных конференциях.
Структура и объем работы.
Диссертация содержит введение, 5 глав и заключение, изложенные на 144 страницах машинописного текста. В работу включены 51 рис., 3 табл., список литературы из 86 наименований и 18 с. приложений.
