Разработка метода расчета и исследование газодинамической структуры потока в канале при горении водорода при сверхзвуковых условиях на входе

• Автор: Гуськов, Олег Вячеславович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 134 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Краткий обзор литературы по торможению сверхзвукового
потока в каналах
Глава 1. Математическая модель и метод расчета
1.1. Система уравнений
1.2. Численный метод
Глава 2. Методические расчеты
2.1. Задача №
2.2. Задача №
Глава 3. Течения в канале со сверхзвуковыми условиями
на входе с дросселированием потока
3.1. Задача о дросселировании плоского канала
3.2. Задача о дросселировании осесимметричного канала
3.3. Численное моделирование разных режимов горения
в цилиндрическом канале
3.4. Влияние температуры стенки на режимы горения
Глава 4. Воспламенение и горение водорода в модельной камере
сгорания
4.1. Первая серия расчетов
4.2. Вторая серия расчетов
Заключение
Список литературы
Рисунки
Введение
Введение
Во всем мире и, в частности, в России ведется активная работа по созданию гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД). Поток на входе в камеру сгорания такого двигателя является сверхзвуковым. Однако, на основе существующих экспериментальных данных, результатов теоретического анализа и математического моделирования можно сделать вывод о существовании двух принципиально разных режимов горения в камере сгорания ГПВРД. Первый режим характерен для высоких гиперзвуковых чисел Маха полета (диапазон Мп = 8 - 14). В этом случае, как показывают теоретические оценки и результаты математического моделирования, тепловыделение при горении осуществляется в тонких зонах слоев смешения, и поток остается сверхзвуковым во всей камере за исключением тонких пристеночных областей пограничного слоя.
Второй режим характерен для низких гиперзвуковых чисел Маха полета (диапазон Мп = 6-8). В камере сгорания для этих условий наблюдаются качественно различные экспериментальные распределения параметров (в частности, давления) по длине канала в зависимости от его геометрии и количества выделившегося тепла. Так, наряду с типичной для сверхзвукового потока ситуацией, когда при теплоподводе давление в канале постоянного сечения в среднем растет от входа к выходу, наблюдались и другие режимы, когда давление на стенках канала ведет себя немонотонным образом, а именно, вначале растет, а затем уменьшается. При этом для практики требуется восстановить параметры течения по длине и получить важные характеристики процесса, например, полноту сгорания топлива. С этой целью разрабатывались и разрабатываются различные методики, о которых будет сказано ниже. Однако они являются по большей части полуэмпирическими и не позволяют получить информацию о детальной структуре потока. Анализ экспериментальных данных позволяет

Введение
предположить, что в ряде ситуаций в области горения появляются обширные области дозвукового течения, интенсивные скачки уплотнения, отрывные зоны. Кроме того, статическая температура потока на входе в камеру сгорания находится в диапазоне от 800 К до 1100 К, поэтому весьма важным становится также вопрос воспламенения и стабилизации горения.
С учетом сказанного, задача по созданию эффективного расчетного метода для численного моделирования такого класса течений и исследование с его помощью широкого спектра проблем, связанных с работой камер сгорания ГПВРД при числах Маха полета от 6 до 8, является весьма актуальной. Из-за необходимости учета сложной газодинамической структуры потока и решения вопросов воспламенения и стабилизации горения, расчетная технология должна основываться на численном решении полной осредненной системы уравнений Навье-Стокса для многокомпонентного реагирующего газа с включением детальных схем химической кинетики для водородо-воздушной смеси.
Основные пели настоящей работы заключались:
'О в создании численного метода расчета течения в канале с тепловыделением в плоской и осесимметричной постановках, с учетом турбулентных пограничных слоев и слоев смешения, а также конечности скоростей химических реакций;
^ в исследовании детальной структуры течения в канале при сверхзвуковых условиях на входе при разных способах дросселирования, в изучении режимов горения в канале (от горения в сверхзвуковом потоке до горения с образованием обширных дозвуковых зон) в зависимости от различных факторов;
•У в изучении процесса запуска модельной камеры сгорания и различных режимов ее работы.

Глава
Расчетная область была выбрана прямоугольной так, что левая граница совпадала с положением кромки трубки инжектора. На этой границе считалось известным распределение всех параметров как в области воздушного потока так и в области струи. Учитывались пограничные слои на стенках трубки инжектора со стороны воздушного потока (толщина пограничного слоя 5 = 0.2 см.) и со стороны струи (толщина пограничного слоя 5 = 0.08 см.). На кромке инжектора ставились условия прилипания для скорости, и стенка рассматривалась как адиабатическая. Нижняя граница вычислительной области являлась осью симметрии, и, соответственно, на ней формулировались условия симметрии. На верхней границе задавались условия неотражения возмущений. На правой границе были сформулированы мягкие условия проноса. Схема вычислительной области показана на рис.2.1.
Были проведены расчеты как с учетом толщины кромки инжектора, так и с острой кромкой. В случае учета донного уступа в сечении подачи водорода вся рассматриваемая область разбивалась на две зоны для более точного разрешения течения в области за кромкой инжектора. Первая расчетная область примыкает к уступу. Затем при известных параметрах на левой границе расчетной области рассчитывается вторая зона. Адаптированная расчетная сетка для двух областей показана на рис.2.2 и рис.2.3. Поля давления в области за уступом показаны на рис.2.4. Основные результаты расчетов для начального участка второй области показаны на рис.2.5а-с1. Поля числа Маха, температуры, массовой концентрации воды и радикалов ОН представлены на этих рисунках для начального участка второй области. Видно, что длина задержки воспламенения относительно невелика, и составляет примерно 4 см, что хорошо согласуется с экспериментальными данными.
Было проведено сравнение с экспериментальными данными, и оценено влияние конечной толщины кромки инжектора на профили концентраций. Чтобы провести такие сравнения, вычислительная область была продлена до сечения х/ф = 27.9. Сравнение вычислительных результатов с известными