Введение к работе
Актуальность темы. Появление в связи с развитием авиационной и ракетной техники мощных высокотемпературных химически активных выхлопных струй поставило перед наукой ряд проблемных задач как фундаментального, так и прикладного характера. Фундаментальность таких задач непосредственно связана с экологией, т.е. влиянием химически агрессивных компонентов в составе этих струй на локальное и глобальное изменение климата. К таким задачам следует, прежде всего, отнести задачу нейтрализации агрессивных компонентов в составе струй, поскольку они, активно реагируя с кислородом и азотом земной атмосферы, необратимо нарушают её баланс.
К прикладным задачам относятся задачи чисто технического плана, которые решаются наукой в целях обеспечения высокой эффективности и надёжности разрабатываемой авиационной и ракетно-космической техники. К таким проблемным задачам относятся:
проблема разработки мощных авиационных п ракетных двигательных силовых установок, в том числе, прямоточных гнперзвуковых двигателей с организацией процесса горения в сверхзвуковом воздушном потоке;
проблема разработки и создания мощных стационарных газотурбинных установок промышленного назначения;
- проблема входа космических летательных аппаратов в атмосферу
планеты с гиперзвуковымн скоростями;
- проблема разработки и создания мощных научно-исследовательских
сверхзвуковых высокотемпературных газодинамических стендов;
проблема обнаружения летательных аппаратов любого класса по излучению высокотемпературных выхлопных струй (оборонная задача).
Сегодня решению этих задач уделяется пристальное внимание в связи с проектированием авиационных, ракетно-космических и других систем нового поколения. В этой связи разработка методов и средств решения таких комплексных многопараметрических задач является актуальной проблемой науки и техники.
Цель работы. Целью работы являлось исследование тепло-массообмена и излучения в турбулентных химически активных струях авиационных и ракетных двигателей. Для достижения указанной цеди в работе решались следующие задачи:
создание математической модели сверхзвуковых турбулентных струй с неравновесными химическими реакциями;
разработка и анализ моделей турбулентности для высокоскоростных течений;
разработка физико-химической модели горения углеводородных топлив и догорания продуктов сгорания в атмосфере;
- разработка эффективных численных методов решения системы
газодинамических уравнений, включающей уравнения Навье-Стокса
(Рейнольдса), уравнения неразрывности химических компонентов, уравнения
для турбулентных характеристик и уравнения переноса излучения;
экспериментально-теоретическое исследование сверхзвуковых струйных течений и выхлопных струй ракетных двигателей (РД);
верификация разработанной математической модели и предложенных численных методов расчета струйных течений с применением различных моделей турбулентности, химической кинетики и переноса излучения;
- проведение сопоставления и анализа полученных результатов
экспериментальных и численных исследований для струй авиационных и
ракетных двигателей при различных условиях полета летательного аппарата.
Научная новизна работы состоит:
- в развитии методов математического моделирования турбулентных
течении с неравновесными химическими реакциями и излучением,
- в модификации численных методов решения задач газодинамики и
тепло-и маесообмена,
- в сочетании методов численного к физического исследования
термогазодинамики сверхзвуковых высокотемпературных турбулентных
струйных течений в сочетании с процессами излучения.
Практическая ценность результатов выражается в следующем:
- предложена математическая модель сверхзвуковых химически активных
течений, описывающая в едином комплексе процессы турбулентности,
химической кинетики и излучения;
- модифицированы численные методы решения нестационарных
уравнений Навье-Стокса (Рейнольдса) в совокупности с уравнениями
турбулентных характеристик, уравнениями неразрывности химических
компонентов и переноса излучения;
в удовлетворительном соответствии результатов расчета по предложенной математической модели с экспериментальными данными различных авторов;
- в практическом использовании предложенного метода математического
моделирования турбулентных высокоскоростных химически активных
излучающих струй в целях повышения достоверности и оптимизации
дорогостоящих экспериментальных исследований;
- в разработке достоверного метода прогнозирования газодинамики
течения, агрессивности химических компонентов и теплового излучения
выхлопных высокотемпературных струн авиационных и ракетных двигателей;
- в сокращении объемов научно-исследовательских и опытно-
конструкторских работ при проектировании, производстве и эксплуатации
изделий авиационной и ракетно-космической техники нового поколения.
Научные положения, выносимые на защиту:
- Математическая модель сверхзвуковых химически реагирующих
течений, с учетом турбулентности, химической кинетики и излучения.
- Модификация численного метода решения нестационарных уравнений
Навье-Стокса (Рейнольдса), уравнения неразрывности химических компонентов
и уравнения турбулентных характеристик.
- Сопоставление результатов расчета сверхзвуковых турбулентных
струнных течении с неравновесными химическими реакциями п излучением, с
реальными экспериментальными данными исследования процессов
турбулентного смешения, зязко-иевязкого взаимодействия, ударно-волновой
структуры, догорания топлива и др.
- Анализ результатов численных расчётов струнных течений с
использованием различных моделей турбулентности, химической кинетики и
излучения.
- Рекомендации по применению моделей турбулентности, химической
кинетики и излучения для расчета процессов в сверхзвуковых струях
авиационных и ракетных двигателей.
Достоверность полученных результатов подтверждается
использованием фундаментальных законов сохранения массы химических компонентов, количества движения и энергии, а также использованием апробированных численных методов решения многопараметрических задач;
- всесторонним тестированием разработанной математической модели,
численных методов и алгоритмов с целью обоснования устойчивости с
использованием сходимости решений на последовательности сгущающихся
сеток;
- сравнением результатов численного эксперимента с реальными
экспериментальными данными как самого автора, так и других исследователей.
Личный вклад автора. Основные аналитические и экспериментальные результаты работы получены в лаборатории кафедры «Авиационно-космической теплотехники» МАИ лично автором или при его непосредственном участии. Например, большинство представленных в работе конструктивных решений, разработка математических моделей ряда физико-химических процессов, составление алгоритмов их решения, а также отработка блоков расчетной программы и проведение численных расчетов выполнено лично автором. Кроме того, автором проведен критический анализ результатов тестирования математической модели и расчетной программы при сопоставлении результатов численного и физического эксперимента. По результатам проведенного анализа лично автором сделаны основные выводы по диссертационной работе.
Апробация и внедрение результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных научно-технических семинарах и конференциях: на заседаниях кафедры «Авиашюнно-
космической теплотехники» МАИ в 2007 - 2011 г., на Седьмой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM Gmb по применению программы ANSYS CFX к расчету сверхзвуковых турбулентных струй с химическими реакциями, г. Москва, 2007 г., на семинаре по внедрению расчетных программных комплексов в научно-исследовательскую и инновационную деятельность образовательных учреждений, г. Санкт-Петербург, 2010 г., на научном семинаре в «Исследовательском центре имени М.В.Келдыша», г. Москва, 2010 г., на 9-ой Международной конференции «АВИАЦИЯ И КОСМОНАВТИКА - 2010», г. Москва.
Публикации по теме работы: Основные результаты работы отражены в пяти статьях, опубликованных в журналах «Вестник МАИ», «Тепловые процессы в технике», «Труды МАИ», входящих в перечень ВАК, а также в тезисах докладов в сборнике трудов 7-ой конференции пользователей программного обеспечения CADFEM Gmbh - 2007» и 9-ой Международной конференции «АВИАЦИЯ И КОСМОНАВТИКА - 2010».
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 138 наименований и приложений. Объем работы составляет 187 страниц машинописного текста, включающий 37 иллюстраций и 8 таблиц.
