Математическое моделирование и расчет теплового состояния камер сгорания энергетических установок на основе нейросетевой вычислительной архитектуры

• Автор: Кретинин, Александр Валентинович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 355 с. : ил.

1 Оптимизационная стратегия проектирования камер сгорания энергетических установок
1.1 Интеграция математического моделирования и процессов проектирования агрегатов тепловых двигателей летательных аппаратов
1.2 Постановка цели и задач исследований
2. Разработка информационной базы данных системы моделирования теплового состояния камеры ЖРД
2.1. Моделирование гидродинамики систем смесеобразования и охлаждения ЖРД с использованием численных методов динамики жидкости
2.2. Моделирование распределения термодинамических параметров продуктов сгорания в огневом пространстве камеры сгорания ЖРД
2.3. Моделирование параметров конвективного и лучистого теплообменов в камере ЖРД
3 Нейросетевая вычислительная архитектура
3.1 Методика построения искусственных нейронных сетей
3.2 Проблемы проектирования нейросетевых поверхностей отклика
3.3 Алгоритм комбинированного обратного распространения ошибки
3.4 Формирование нейросетевой базы данных для оптимизации структуры персептронов
3.5 Аппроксимационные возможности искусственных нейронных сетей
4 Метод взвешенных невязок на базе нейросетевых пробных функций
4.1 Методика синтеза искусственных нейронных сетей для моделирования с использованием расчетно-экспериментальных результатов
4.2 Численное решение уравнений на базе нейросетевых пробных функций

4.3 Анализ современных методов нелинейного программирования применительно к нейросетевым математическим моделям
4.4 Оптимизация нейросетевых пробных решений на базе искусственных нейронных сетей
5 Разработка нейросетевых «портретов» функционирования агрегатов
жидкостных ракетных двигателей
5.1 Вычислительная структура нейросетевых моделей функционирования
5.2 Структура и составные части имитационной модели энергетической установки жидкостного ракетного двигателя
5.3 Численная реализация нейросетевой модели жидкостного ракетного
двигателя
6. Разработка нейросетевых математических моделей для анализа теплового состояния камеры ЖРД
6.1. Использование ИНС для разработки экспериментальных факторных моделей рабочих процессов в камере ЖРД
6.2. Использование ИНС для аппроксимации законов теплообмена и моделирования распределения соотношения компонентов и расходонапряженности в поперечном сечении камеры сгорания
6.3. Использование нейросетевого МВН для численного расчета параметров гидравлической разверки смесительной головки и теплового состояния камеры ЖРД
6.4. Оптимизация экспериментальных факторных моделей на базе искусственных нейронных сетей
6.5. Синтез нейроконтроллера для инерционного звена второго порядка
6.6. Анализ теплового состояния камеры ЖРД с учетом неравномерности распределения соотношения компонентов в пристеночном слое
Основные результаты
Список использованных источников
Актуальность проблемы. Одной из самых теплонапряженных конструкций камер сгорания энергетических установок является камера жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Можно отметить следующие особенности и специфические условия теплообмена в камере ЖРД, затрудняющие использование традиционных теплотехнических методов, а именно: большие скорости движения газового потока (скорость продуктов сгорания на срезе сопла для кислородно-водородного ЖРД достигает -4600 м/с); наличие резкого градиента температуры и, следовательно, теплофизических свойств поперек пограничного слоя (от -1000 К на стенке до -3600 К в ядре потока); форма профилированного сопла значительно отличается от канонической цилиндрической трубы, для которой, как правило, получают теплообменные соотношения; наличие химически реагирующих продуктов сгорания в огневом пространстве камеры, т.е. реакций диссоциации и рекомбинации, сопровождающихся поглощением или выделением тепла, которые необходимо учитывать. Актуальность проведенных исследований может быть подтверждена следующими фактами. Во-первых, сложность рабочих процессов в ЖРД делает невозможным во многих случаях получение достоверных математических моделей в рамках классического математического аппарата. Математическое моделирование представлено в основном в виде поверочных инженерных методик расчета, основанных на большом количестве допущений и упрощений, эмпирических зависимостей, которые в ряде случаев не позволяют выявить на этапе проектирования параметрических и функциональных проблем сложной технической системы. Это и процессы гидродинамики и теплообмена в каналах, трубопроводах, газоводе, охлаждающем тракте и т.д., процессы горения и кинетики химических реакций, сложного теплообмена диссоциированных продуктов сгорания со стенкой камеры сгорания, динамические процессы, в том числе на самых ответственных режимах запуска, останова, форсирования и дросселирования, быстро меняющиеся процессы, т.е. вибрационно-пульсационные характеристики

диссипация несущественна. Лучше представлять на выходной границе

помощью левых разностей, а ^-^ = 0, что формально означает нулевую

кривизну изотерм в точках выходной границы, что является более слабым допущением, нежели нулевой наклон. Тогда
е";1 = 0"; + а
г1 -А г
(Г/,./+10/,./+1 + г/,.нК/ +^-|0/,7--|)+4Вгов/.;Алу -
(2.51)
И, наконец, особая точка, лежащая на оси симметрии в месте пересечения
ею выходной границы. Здесь производная — представляется левой разностью

■, как на выходной границе, а —у = 0 и — = 0. И в итоге получаем:
дг дх

0^=0^ +А(
4 Г:
г(. . Аг'
+ (9,у.| -9,,)+ - "У (в,,, - в, )

. (2.52)
Схема ВВЦП имеет ограничение на максимальный шаг по времени А/, однако, обладая большой скоростью счета, позволяет путем подбора устанавливать максимальные шаги по времени, обеспечивающие сходимость к стационарному решению.
Итогом решения уравнения энергии является распределение температур в расчетной области течения. Сначала это распределение служит для вычисления распределения псевдоньютоновской вязкости В( . по расчетным узлам и далее
для пересчета уравнений движения для нахождения другого распределения скоростей, а затем для следующей итерации решения уравнения энергии. После того, как будет достигнуто удовлетворительное совпадение распределения температур и скоростей, могут вычисляться параметры теплопереноса и