Введение к работе
Ракетно-прямоточный двигатель (РИД) занимает промежуточное звено между ракетным двигателем (РД) и прямоточным воздушно-реактивным двигателем (ПВРД), сочетая в себе их рабочие циклы и элементы конструкции, тем самым, в нем наилучшим образом реализованы преимущества ракетного двигателя на твердом топливе (РДТТ) в разгонной ступени и высокие экономические показатели ПВРД в маршевой ступени. В связи с этим применение РПД - это одно из ключевых направлений в решении проблемы повышения дальности и скорости полета ракет с внутриатмосферной зоной эксплуатации.
К настоящему времени накоплен обширный материал по исследованию ПВРД при использовании в силовых установках летательных аппаратов (ЛА), но все равно при проектировании РПД помимо работ, связанных с повышением эффективности стартового режима, то есть РД, проводятся и работы в области ПВРД, которые имеют непосредственное отношение к теме данной диссертационной работы:
оптимизация газовой динамики тракта двигателей;
обеспечение устойчивой работы камеры сгорания (КС) и высокой полноты сгорания;
минимизация весовых характеристик и повышение надежности систем теплозащиты.
Следует отметить, что сложность при проектировании РПД заключается не только во внутренних процессах ПВРД, но и в требовании тесного согласования с ЛА. В отличие от других двигателей ПВРД является аэродинамическим телом и его невозможно создать независимо от ЛА.
Одной из основных решаемых диссертантом задач при проектировании РПД ставится следующая: получение максимальной полноты сгорания топлива при минимальных уровнях гидравлических потерь в объеме требуемого размещения интегрированного стартового заряда. Для успешного решения этой задачи необходимо владеть современными представлениями о физических процессах смешения и горения в камерах дожигания (КД) РПД, а также уметь определять теоретически полноту дожигания и другие не менее важные параметры и характеристики КД РПД, не имея экспериментальных данных.
Рассмотрение и исследование КД РПД было начато диссертантом еще в 2008 г. с учетом «нульмерных» решений, а с 2009 г. для описания физических процессов смешения и горения - с учетом «многосредной» вихревой механики.
Актуальность темы исследования. Освоением воздушного и космического пространства с помощью плотных слоев земной атмосферы занят весь передовой научный и технический мир. А в области современных и перспективных воздушно-реактивных двигателей (ВРД) ракетно-прямоточным двигателям и их камерам газификации, горения и дожигания отводится не последняя роль.
Одной из основных тем диссертации является перекрестное взаимодействие аэродинамических (АД) и газогенераторных (ГГ) струй в КД РПД. При перекрестном взаимодействии АД и ГГ-струй в КД проблема организации рабочего процесса с максимальными значениями полноты сгорания при минимальных гидравлических потерях ранее не изучалась, поэтому исследования в этой области весьма актуальны.
Цель и задачи исследования. Целью работы являлось исследование процессов смешения и вторичного горения (дожигания) в КД РПД с построением математической модели расчетов структурных параметров крупномасштабного вихревого механического макросмешения с последующим микротурбулентным дожиганием на основе современных физических представлений вихревой механики перемежающихся сред (ВМПС). Для этого необходимо было решить следующие задачи:
Восполнить существующий пробел по физической кинетике макровихревого и микротурбулентного смешения и диффузионного горения (по аналогичному, но гомогенному, вихревому горению этот пробел заполнялся, начиная с 50-х гг. прошлого столетия).
Рассмотреть и определить круг необходимых для этого математических задач: их уравнений и решений.
Получить необходимый набор аналитических решений, определяющих геометрические и теплогазоаэродинамические (ТГАД) параметры и характеристики базовых элементов КД РПД (ядер АД и ГГ-струй, их свободных и пристеночных по гране лоев смешения и горения).
Разработать методики, алгоритмы и дать примеры расчета базовых параметров КД РПД и ее элементов.
Сопоставить с имеющимся экспериментом секций стехиометрического сгорания и полного смешения, полученные решения и расчеты зон отрыва и траекторий АД и ГГ-струй.
6. Оценить роль КД РПД в тягово-экономических характеристиках.
Методы исследования. Формирование математических моделей
вихревого смешения и диффузионного дожигания проводилось на основе экспериментально обоснованных новых физических явлений и постулатов крупномасштабного вихревого механического макросмешения с последующим микротурбулентным дожиганием в следах турбулентного распада крупных вихрей, обусловленных механикой взаимодействующих многих сред, трех уровней их кинетики с примерами парциальных решений до пятого уровня кинетики включительно. Все условно-средние («парциальные») системы уравнений рассматривались с учетом классических уравнений газовой динамики, а также механики сплошной среды, но со своей спецификой для каждой среды.
Научная новизна исследования. Комплексное аналитическое исследование структурных геометрических и ТГАД-параметров и характеристик базовых элементов процессов трехмерного взаимодействия и многоуровневой кинетики смешения и диффузионного дожигания АД и ГГ-
струй КД РПД проводится впервые, хотя о возможности и необходимости такого эйлерово-лагранжевого подхода говорится в работах известных авторов, начиная с 50-х гг. прошлого столетия.
На основании полученных уравнений и решений созданы инженерные методики расчета параметров взаимодействия трех сред (воздушного потока, генераторного газа, продуктов дожигания), включающие нахождение таких сложных, ранее не определяемых теоретически, «бесконстантно», параметров, как полноты дожигания, отрывных зон, а также тягово-экономических характеристик РПД в условиях неполного смешения.
Базовым новым инструментом исследования являются условно-средние интегро-дифференциальные уравнения диффузионного горения и все полученные их аналитические решения при условии трех взаимодействующих сред и их свободного и пристеночного пограничных слоев.
Теоретическая и практическая значимость работы. Экспериментальное исследование процессов в КД РПД, их отработка и оптимизация, как по полноте сгорания, длинам стехиометрического сгорания и полного смешения, радиусам разворота струй и т.д., является материально весьма затратной областью науки и техники во всем мире. Полученные решения и алгоритмы позволят сократить в разы опыты слепого поиска, построенного на интуиции и таланте экспериментатора, и значительно ускорит, облегчит и сократит его пути к необходимому результату.
В диссертации, в частности, показано, что суммарная полнота сгорания в КД РПДТ в зависимости от различных геометрических параметров, наблюдаемых в опытах, может быть определена расчетным путем.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов подтверждена пошаговым сопоставлением с классическим известным и неизвестным экспериментом (по каждому структурному параметру или характеристике).
В частности, проведено сопоставление с экспериментом полученных решений на физической основе ВМПС для ядер АД и ГГ-струй и геометрий их взаимодействия для свободных, пристеночных погранслоев. Численные значения различных аналитически определенных параметров различными методиками и алгоритмами расчета соответствуют экспериментальным данным.
Положения, выносимые на защиту:
Решения статистических уравнений механики перемежающихся сред свободных, пристеночных, струйных, пассивных и горящих вихревых слоев КД РПД и ядер четырех спутных потоков: воздуха, продуктов газификации, продуктов стехиометрического дожигания и потока полного смешения с избыточным воздухом камеры полного смешения РПД.
Решения условно-средних уравнений движения механики каждой сплошной среды, определяющие массив ТГАД-параметров всех сред,
представляющих интерес в заданной постановке задачи (двухсредного, трехсредного приближений до пятого уровня включительно), включая такие структурные параметры ТГАД-процессов, как интенсивность и полнота диффузионного дожигания, распределение турбулентной скорости поперек свободного слоя, струи и поперек следа распада крупного вихря пятого уровня кинетики.
Шесть алгоритмов и методик расчета геометрических и ТГАД-параметров взаимодействующих АД и ГГ-струй, параметров и характеристик секций камеры стехиометрического горения и полного смешения, включая отрывные зоны.
Сопоставление и идентификация аналитических (параметрических и функциональных) зависимостей с зависимостями классического эксперимента (Никурадзе И., Барата М.М., Авдуевского B.C., Расщупкина В.И., Секундова А.Н., Захарова Н.Н. и др.).
Личный вклад автора. Автор являлся ведущим разработчиком и ответственным экспериментатором всех представленных направлений исследования, входящих в тематические планы и технические задания ЦИАМ, ИХФ РАН, МГУПИ. Из совместных публикаций в диссертацию включены результаты, полученные автором самостоятельно или при его непосредственном соучастии со своими руководителями, учителями, коллегами. Содержание диссертации и автореферата обсуждено и согласовано с соавторами.
Реализация работы. Выполненная работа непосредственно связана с тематическими планами НИР и ФИЛИ ЦИАМ, МАИ, ИХФ РАН и планом аспирантуры МГУПИ и реализована в соответствующих работах вышеприведенных институтов и их публикациях.
Апробация работы. Результаты работы по мере их получения докладывались на следующих межвузовских, всероссийских и международных конференциях:
Межвузовская научно-техническая конференция Московского государственного университета приборостроения и информатики. Москва, 2008 г.
Межвузовская научно-техническая конференция Московского государственного университета приборостроения и информатики. Москва, 2010 г.
Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении». Москва, 5-8 октября 2010 г.
Всероссийская конференция «Механика композиционных материалов и конструкций, структурно-сложных и гетерогенных сред», приуроченная к 90-летию со дня рождения академика РАН И.Ф. Образцова. Москва, 23-25 ноября 2010 г.
III Международная научно-техническая конференцию «Авиадвигатели XXI века». Москва, 30 ноября - 3 декабря 2010 г.
XXXV Академические чтения по космонавтике. Москва, 25-28 января 2011 г.
XXXVIII Международная конференция и дискуссионный научный клуб «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT+SE'll». Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 20-30 мая 2011 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, среди которых 3 работы опубликованы в ведущих рецензируемых журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 121 наименования, содержит 42 рисунка, 1 таблицу. Общий объем работы 177 страниц, включая рисунки и таблицу.
