Метод расчета течения в соплах с газовой завесой в сверхзвуковой части и определения энергетических и тепловых характеристик сопел ЖРД

• Автор: Воинов, Алексей Львович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 152 с. : ил.

Список условных обозначений
Глава 1. Постановка задачи
1.1. Особенности физических процессов в соплах ЖРД с газовой завесой в сверхзвуковой части
1.2. Обзор литературы по методам расчёта турбулентных течений
Глава 2. Метод расчёта течения в соплях с газовой завесой в сверхзвуковой части
2.1. Метод расчёта турбулентного пристенного течения
2.1.1. Основные уравнения и краевые условия
2.1.2. Модель турбулентности
2.1.3. Метод численного решения
2.2. Расчёт составляющих потерь удельного импульса сопла ЖРД при наличии газовой завесы
2.3. Способ профилирования сверхзвуковой части сопла после узла вдува..
Глава 3. Сравнение расчётов с экспериментальными данными
и их анализ
3.1. Течения без вдува
3.1.1. Трение на пластине
3.1.2. Течения в модельных соплах
3.1.3. Течения в соплах двигателей
3.2. Течения с тангенциальным вдувом газа
3.2.1. Модельные эксперименты
3.2.2. Течения в модельных соплах
3.2.3. Течения в соплах двигателей
Глава 4. Анализ газодинамических характеристик сопел ЖРД открытой схемы с тангенциальным вдувом газа в сверхзвуковую часть
4.1. Расчётное исследование влияния параметров газовой завесы в сверхзвуковой части сопла ЖРД на энергетические характеристики и тепловое состояние стенки сопла
4.1.1. Исходные данные для расчётов
4.1.2. Результаты расчётов
4.1.3. Анализ результатов расчётов
4.2. Отрывные характеристики сопел с тангенциальным вдувом газа
4.3. Термодинамические потери удельного импульса тяги ЖРД открытой схемы
Выводы
Список использованных источников
Приложение

Список условных обозначений
Б - относительная площадь сечения сопла, ;
Н - полная энтальпия;
I - пустотный удельный импульс тяги, Р/т; т - секундный массовый расход газа (продуктов сгорания);
М - число Маха; р - давление;
Р - пустотный импульс тяги;
II - универсальная газовая постоянная;
Т - температура;
и - проекция вектора скорости на координату х;
V - проекция вектора скорости на координату у;
х - координата, направленная вдоль обтекаемой поверхности;
у - координата, направленная по нормали к обтекаемой поверхности;
г - расстояние вдоль оси сопла;
ц - коэффициент динамической вязкости;
р -плотность;
т - напряжение трения;
НРО - насадок радиационного охлаждения;
ПМО - программное и методическое обеспечение;
ТНА - турбонасосный агрегат;
УИТ - удельный импульс тяги.
Подстрочные индексы
а - значение в выходном сечении сопла; аду - значение на теплоизолированной стенке; с -значение перед соплом;
е -значение на внешней границе пристенного (пограничного) слоя;
) - значение для параметров пристенной струи в сечении вдува;
У] - значение для параметров после сечения вдува;
Л - значение в минимальном сечении сопла;
Т - значение для турбулентного течения;
у - значение на стенке;
гг - значение для параметров генераторного газа;
кс - значение для параметров газа, истекающего из камеры сгорания;
О - значение для параметров адиабатически заторможенного потока.
Надстрочные индексы
ид - значение для параметров идеального течения.

Перспективы развития современных ракетно-космических ЖРД, в том числе многоразовых, определяются улучшением их энергомассовых характеристик, высокой надёжностью на протяжении всего срока эксплуатации, экологической чистотой компонентов топлива, минимальной стоимостью затрат по разработке, производству и обслуживанию двигателей. К числу основных параметров, задаваемых при проектировании ЖРД, относятся тяга и геометрическая степень расширения сопла камеры. Более высокие давления в камере сгорания дают возможность увеличивать тягу двигателя без чрезмерного увеличения его габаритных размеров. Отечественные ЖРД большой тяги выполнены по замкнутой схеме, в которой генераторный газ после привода турбин турбонасосного агрегата (ТНА) дожигается в камере сгорания. Замкнутая схема позволяет получать максимальные энергетические характеристики двигателя вследствие полного использования химической энергии топлива при оптимальном для двигателя соотношении его компонентов. Тем не менее такая схема имеет ряд особенностей, связанных с необходимостью достижения предельных режимов работы газогенератора и турбин за счёт интенсификации рабочих процессов и значительного повышения давления в агрегатах системы подачи топлива. Использование современных конструкционных материалов и технологий препятствует дальнейшему повышению давления в проточных трактах ЖРД в первую очередь из соображений надёжности. Поэтому в последнее время в нашей стране и за рубежом при проектировании и создании новых мощных ЖРД обращаются к открытой схеме [1...7]. При проектировании ЖРД открытой схемы необходимо максимально приблизить его энергетическую эффективность к двигателю замкнутой схемы.
В существующих ЖРД открытой схемы (например, С5.92 (Россия), РД-861 (Украина), Уи1сат (Франция) (см. рис.1)) генераторный газ после привода турбин ТНА без дожигания в камере сгорания истекает из

координаты, «растягивающее» переменную г| вблизи стенки для адекватного представления характеристик высокоградиентного течения и «сжимающее» вдали от стенки, где градиенты зависимых переменных малы. Наиболее часто используется преобразование типа геометрической прогрессии, при котором отношение двух соседних шагов по т] остаётся постоянным. Очевидно, что для задачи о тангенциальном вдуве инородного газа в пограничный слой использование априори выбранного второго преобразования поперечной координаты г| крайне затруднительно, поскольку на начальном участке существуют две независимых высокоградиентных области (вблизи стенки и в слое смешения на уровне разделяющей кромки сопла вдува), эволюция которых ниже по потоку заранее неизвестна. Таким образом, необходимо иметь способ построения расчётной сетки по мере продвижения вниз по поток}' с учётом изменения как толщины пристенного слоя Ле = ЛеС^) и> как следствие, границы
расчётной области т{ = Г|* (б,) > т]е, так и градиентов зависимых переменных, или, другими словами, использовать адаптивную сетку.
Введём формально новую поперечную координату п = п(£,г|), удовлетворяющую условиям
п&0) = 0, п&п) = 1. (2.36)
При помощи операторных соотношений
д^у

<Эп
5т|
ЭтДэп,
дифференциальные уравнения(2.32)...(2.35) вместе с соответствующими граничными условиями легко преобразовать к координатам (£, п). Уравнение неразрывности (2.32) примет вид

££ 5п5Р д$ + д$дп
+^1Х+Р=0,

5ц Эп
а уравнения переноса (2.33)...(2.35) запишем в векторной форме
(2.37)