Разработка методов расчета и исследование сверхзвуковых пространственных течений в элементах камеры сгорания ГПВРД

• Автор: Ломков, Константин Электронович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 135 с.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. ГЛАВА 1 ОБЗОР ПО СВЕРХЗВУКОВОМУ ГОРЕНИЮ И ЕГО ИНТЕНСИФИКАЦИИ
1.1 Математическое моделирование сверхзвукового горения водорода
1.2 Интенсификация смешения и горения сверхзвуковых потоков
2. ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И МЕТОД РАСЧЕТА
2.10 ВЫБОРЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
2.2 Система уравнений
2.3 Модели горения
2.3.1 Модель фронта пламени
2.3.2 Модели неравновесной химической кинетики
2.4 Численная схема и метод расчета
2.4.1 Автомодельная задача о взаимодействии двух равномерных сверхзвуковых потоков
2.4.2 Вычисление производных на гранях для вязких напряжений
2.4.3 Нахождение параметров на новом слое из интегральных законов сохранения
2.5 Построение сетки
2.5.1 Регулярные (прямоугольные) сетки
2.5.2 Сетки, адаптированные к разделительной поверхности тока
2.5.3 Построение сеток, адаптированных к решению
3. ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ СМЕШЕНИЯ И ГОРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ЭФФЕКТОВ
3.1 Методические расчеты
3.2 Исследование эффекта "переворачивания" струй

3.3 Приближение элементарного канала для исследования процессов смешения и горения в КС ГПВРД
3.4 Интенсификация смешения
4. ГЛАВА 4 ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК КАМЕР СГОРАНИЯ ГПВРД, РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОФИЛИРОВАНИЮ КАНАЛА
4.1 Применение интенсификации горения в камерах сгорания ГПВРД и оценка влияния химической кинетики на характеристики камер сгорания
4.2 О ПРОФИЛИРОВАНИИ КС с учетом химических процессов с целью УЛУЧШЕНИЯ ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИК
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Рисунки к главе
Рисунки к главе
Рисунки к главе

ВВЕДЕНИЕ
В последние 15-20 лет большое внимание уделяется исследованиям в области создания воздушно-космических систем. Актуальность проблемы определяется принципиальной возможностью удешевления доставки грузов на орбиту, используя одно- или многоступенчатый аппарат с ВРД вместо ЖРД. В частности, по современным оценкам, в диапазоне полетных чисел Маха Мп от 5-6 до 15-20 ЕПВРД на жидком водороде мог бы обеспечить удельный импульс в несколько раз больше по сравнению с ЖРД и ПВРД с дозвуковым горением [1]. Использование таких двигателей позволило бы создать и гиперзвуковой пассажирский самолет. Однако освоение диапазона скоростей полета Мп>7 с ВРД, т.е. разработка ГПВРД - технически сложная проблема, требующая больших затрат, поскольку накопленный в авиации и ракетостроении научно-технический задел может быть использован при этом лишь частично.
Отличительным признаком и особенностью ЕПВРД является наличие сверхзвукового горения, т.е. горение происходит при сверхзвуковой (в среднем) скорости на протяжении всей камеры сгорания (КС). Если учесть высокие температуры в тракте, то абсолютные скорости потока могут составлять несколько километров в секунду. С другой стороны, длина камеры сгорания ограничена (например из условий охлаждения и минимизации трения на стенках камеры). Поэтому сгорание топлива должно происходить очень быстро. Это требование предполагает организацию высокоэффективного процесса смешения в камере сгорания. Одновременно, потери при смешении должны быть минимальны с точки зрения тяговых характеристик всего двигателя. Эти высокие и противоречивые требования касаются прежде всего КС ГПВРД, которая является, пожалуй самым сложным элементом всего двигателя.

Здесь а - скорость звука, а под |У1и| понимается — + — . Первые два

( Эи

слагаемых, стоящие в правой части отвечают за диффузию величины в, а следующее слагаемое, пропорциональное поперечному градиенту продольной компоненты скорости, определяет генерацию турбулентной вязкости в слое смешения.
В случае нереагирующего потока в уравнениях (2) для концентраций С0к=0. В случае реагирующего потока величина удельного тепловыделения за счет химических реакций составляет:
<3 = Х>кЬ£. (6)

Тем не менее, в этом случае уравнение энергии не изменится, т.к. энтальпии образования компонент уже присутствуют в его левой части (см. (4)).
2.3 Модели горения
2.3.1 Модель фронта пламени
Для описания горения предварительно неперемешанных газов широко используется диффузионное приближение [91]. Как известно, оно основано на том, что лимитирующим процессом является смешение горючего и окислителя, а скорости всех химических реакций бесконечно велики. Дополнительно предположим, что реакция одноступенчатая: Н2+1/202—»НгО и происходит только в одну сторону. Вместо точного уравнения - условия химического равновесия указанной реакции - воспользуемся моделью бесконечно тонкого ФП [92]. В рамках этой модели принимается, что в каждой точке пространства окислитель и горючее не могут существовать одновременно. По одну сторону ФП содержится только водород, а концентрация окислителя обращается в нуль, и наоборот, по другую сторону