Моделирование внутреннего (завесного) охлаждения ракетного двигателя малой тяги на экологически чистых газообразных компонентах топлива

• Автор: Богачева, Дарья Юрьевна
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 139 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ЗАВЕСНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

1.1. Общие сведения о внутреннем завесном охлаждении в ЖРД

1.2. Параметр тепловой эффективности завесного охлаждения

1.3. Анализ факторов, влияющих на тепловую эффективность завесного охлаждения применительно к ЖРД
1.4. Особенности расчета теплового состояния стенки камеры сгорания РДМТ при завесном охлаждении
1.5. Математические модели расчета соотношения компонентов топлива в пристеночном слое
2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВНУТРИКАМЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ В РДМТ С УЧЕТОМ ЗАВЕСНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

2.1. Объект исследования

2.2. Система уравнений Навье-Стокса

2.3. Расчетная сетка
2.4. Замыкающие модели турбулентности
2.4.1. Г ипотеза Буссинеска
2.4.2. Модель турбулентности типа к-s
2.4.3. Модель турбулентности типа к-ш
2.4.4. Модель SST Ментера
2.5. Численное моделирование процесса турбулентного горения с учетом конечной скорости химических реакций
2.5.1. Модель диссипации вихря (The Eddy Dissipation Model)
2.5.2. Модель тонкого фронта пламени (The Flamelet Model)
3. РЕАЛИЗАЦИЯ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В ANSYS CFX
3.1. Моделирование на секторной расчетной области
3.1.1. Влияние способа подачи компонентов топлива на энергетические параметры и тепловое состояние РДМТ
3.1.2. Влияние интенсивности турбулентности потоков КТ и коэффициента диффузии на интегральные характеристики РДМТ
3.2. Моделирование на полноразмерной КС
3.2.1. Влияние модели горения на результаты численного расчета рабочих процессов в КС РДМТ с газозавесным охлаждением
3.2.2. Диффузия газов в условиях РДМТ
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В РДМТ С УЧЕТОМ ГАЗОЗАВЕСНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
4.1. Огневой стенд для испытания РДМТ в атмосферных условиях
4.1.1. Система хранения и подачи топлива
4.1.2. Автоматизированная система управления
4.1.3. Система измерения, регистрации и автоматизированной обработки
экспериментальных данных
4.2. Огневые испытания РДМТ
4.2.1.Кратковременные огневые испытания на металлической КС с кислородной завесой
4.2.2. Огневые испытания на металлической КС с воздушной завесой
4.2.3. Огневые испытания на композитной КС с воздушной завесой и выходом двигателя на стационарный режим работы
4.3. Сравнение результатов численного и экспериментального исследования рабочих процессов в РДМТ с учетом газозавесного охлаждения
4.4. Расчет соотношения КТ вдоль стенки КС на основе экспериментальных данных, полученных в ходе огневых испытаний РДМТ
4.5. Рекомендации по организации завесного охлаждения и моделированию внутрикамерных процессов в РДМТ с использованием 111Ш вычислительной
гидрогазодинамики
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Результаты огневых испытаний РДМТ
ВВЕДЕНИЕ
Задачи дальнейшего освоения космического пространства и расширения использования космических средств для мониторинга, связи, метеорологии, обороны и науки имеют большое практическое значение в настоящее время. Решение таких целенаправленных задач привело к необходимости создания управляемых космических летательных аппаратов (КЛА). В качестве исполнительных органов системы управления (СУ) КЛА используются ракетные двигатели малых тяг (РДМТ), которые обеспечивают ориентацию объекта в пространстве, ускорение, торможение, коррекцию траектории и ряд других операций.
Одной из важных тенденций развития современного ракетного двигателестроения является разработка надежных и высокоэффективных РДМТ, работающих на экологически чистых несамовоспламеняющихся компонентах топлива (КТ): керосин+02, керосин+Н202, Н2+02, СН4+02.
Высокая эффективность работы (высокий удельный импульс) может быть реализована при соотношениях КТ, близких к стехиометрическим. При таком соотношении температура продуктов сгорания (ПС) находится на уровне 2800...3500К (при давлении в камере сгорания (КС) рк = 1 МПа и коэффициенте избытка окислителя а — 1 для КТ керосин+02, керосин+Н202, Н2+02, СН4+02) [1, 2, 3]. Поэтому при применении высокоэнергетичных топлив проблема надежной тепловой защиты стенок КС РДМТ от высокотемпературных ПС (конвективного и радиационного тепловых потоков) остается актуальной.
Наиболее распространенным методом защиты стенок КС РДМТ от высокотемпературных ПС является, так называемое, внутреннее охлаждение (в литературе встречаются другие названия такого метода защиты: завесное, заградительное, пленочное или струйное).
Завесное охлаждение осуществляется путем создания около стенки низкотемпературного пристеночного слоя газа или жидкости (в зависимости от агрегатного состояния используемых КТ). Компонент топлива, используемый для
Осевая координата вдоль камеры сгорания и сопла., м
Рисунок 18. Распределение соотношения компонентов вблизи стенки КС Еще одна модель перемешивания основного потока и завесного охладителя разработана в Исследовательском центре имени М. В. Келдыша и опубликована в [25]. Для расчета соотношения компонентов на стенке К„ предлагается найти так называемую концентрацию охладителя с в точке слоя смешения завесы. Слой смешения завесы представляет собой смесь вещества, поданного в завесу, и вещества, внесенного в завесу из набегающего потока.
Вокруг некой точки внутри слоя завесы выделяют малый объем. Тогда концентрация охладителя с есть отношение массы содержащегося в этом объеме вещества охладителя к общей массе содержащегося там вещества при стягивании объема в точку: