Исследвоание пространственных вязких течений в каналах сложной конфигурации

СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
1. Постановка задачи 7
1.1. Конструктивные особенности поворотного управляющего сопла 7
1.2. Конструктивные особенности донных насадков многосопловых
двигательных установок. 9
1.3. Физические особенности течений в поворотном управляющем сопле и
донном насадке многосопловой двигательной установки 11
1.4. Обзор литературы 13
1.4.1. Экспериментальные работы но исследованию течений в ГІУС. 13
1.4.2. Экспериментальные работы по исследованию течений
применительно к донным насадкам многосопловых установок. 16
1.4.3. Теоретические и расчетные исследования 18
1.5. Задачи исследования настоящей работы 23
2. Метод численного моделировании пространственных низких течений 25
2.1. Математическая модель пространственных вязких течений. 25
2.1.1. Система уравнений движения 25
2.1.2. Граничные и начальные условия 26
2.1.3. Модель турбулентности 32
2.2. Метод численного моделирования 34
2.2.1. Методика постановки граничных условий на поверхностях
произвольной формы 35
2.2.2. Разностные схемы метода крупных частиц для уравнений типа
Навье-Стокса. Способ расчета турбулентных коэффициентов переноса. Условия устойчивости. 39
2.2.3. Метод крупных частиц для расчетов на многоссточных
областях с ячейками различного размера 49
2.3. Верификация физико-математической модели и расчетного метода 54
2.4. Комплекс программ для расчета вязких пространственных течений 59
3. Результаты численного моделирования вязких трехмерных течений в
каналах и соплах сложной конфигурации. 62
3.1. Численное моделирование течений в поворотном управляющем сопле
(ІІУС). 62
3.1.1. Истечение газа из ПУС. 62
3.1.2. Истечение газа из ПУС в області» повышенного
противодавления. 68
3.1.3. Методика определения бокового управляющего усилия. 74
3.2. Численное моделирование течений в многосопловых ДУ с донными
насадками. 76
3.2.1. Особенности моделирования течений в 4-сопловой ДУ с
донным насадком. 76
3.2.2. Параметрические расчеты течений для модельных 4-сопловых
ДУ с насадком. 79
3.2.3. Численное моделирование течений в двигателе 14Д23 с
дойным цилиндрическим насадком. 87
Ь
4. Экспериментальные исследования пространственных течений газа н
анализ результатов. 90
4.1. Экспериментальные исследования течении газа применительно к
mi югосопловым ДУ с донными насадками. 90
4.1.1. Экспериментальные исследования на модели 4-соплового
блока с насадком на ДГУ. 90
4.1.2. Методика определения дополнительного усилия, создаваемого насадком. 93
4.1.3. Результаты экспериментальных исследований модели насадка
на дифференциальной i-азодинамической установке 94
4.1.4. Экспериментальные исследования течений в донном насадке в условиях вакуума. 101
4.1.5. Модель 4-соплового блока с донным насадком для вакуумных испытаний. Тягоизмернтсльное устройство. 103
4.1.6. Результаты экспериментальных исследований течений в
донном насадке в условиях вакуума 107
4.1.7. Использование сверхми дельных насадков различной
конфигурации ИЗ
4.1.8. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по
моделированию течений в донных насадках четырехсопловых установок 116
4.2. Исследование течений газа в ПУС. 121
4.2.1. Экспериментальная модель для исследования течений в МУС
на различных режимах. 122
4.2.2. Результаты экспериментальных исследований при расчетном и нерасчетном (высокое противодавление) режимах. 123
4.2.3. Анализ и обобщение экспериментальных данных. Сравнение с расчетными результатамими. 127
Заключение 131
Список использованных источников 133
3
Введение.
В настоящее время в связи с необходимостью решения ряда практических задач большое внимание уделяется исследованию вязких течений, характеризующихся наличием смешанных до- и сверхзвуковых областей, сложных систем скачков уплотнения, отрывных зон и др. Этой проблеме посвящены многочисленные теоретические, расчетные и экспериментальные работы. Разработано большое количество моделей и методов расчета вязких течений в каналах и соплах ракетных двигателей. Созданы различные инженерные методики определения параметров потока в той или иной конструкции. Однако существует ряд задач, которые еще не получили удовлетворительного решения. Одной из важнейших проблем является исследование вязких трехмерных течений в каналах сложной конфигурации. Тем более что в последнее время появляется ряд задач, требующих расчетных и экспериментальных исследований течений именно такого вида. Такими примерами могут служить истечение газа из поворотного управляющего сопла в область повышенного внешнего противодавления. Это трехмерное течение, где существуют как дозвуковые, так и сверхзвуковые области. На нерасчетном режиме истечения газа из сопла образуется сложная система пространственных скачков уплотнения. Так же в этой задаче ярко выражены вязкостные эффекты, связанные с взаимодействием скачков уплотнения с пограничным слоем вдоль стенки сопла с образованием отрывных зон и возвратных течений. Другим примером рассмотренных выше течений может служить течение в донных насадках многосопловых двигательных установок. Здесь взаимодействие сопловых струй между собой усложняется наличием внешней цилиндрической обечайки насадка. Газ, натекая на неё, образует сложную систему скачков уплотнения, вихревых зон, дозвуковых областей у дна насадка и т.д.
о/
3
Возможность прогнозирования усилий на элементы конструкции является одним из основных вопросов исследования. Кроме того, возникают вопросы о тепловом воздействии потока на материалы стенок исследуемой конструкции. Для решения указанных проблем требуется знать детальное распределение локальных параметров потока и их изменения по времени вдоль соответствующих поверхностей. Экспериментальные исследования таких течений могут предоставить массу полезной информации, но получить информацию по распределению параметров во всех областях течения не представляется возможным. Кроме того, очень часто экспериментальные исследования натурных конструкций в земных условиях затруднены и опыты проводятся на моделях, лишь частично имитирующих реальное течение. Поэтому естественно возникают проблемы с перенесением полученных экспериментальных данных на натуру.
Численное моделирование свободно от вышеуказанных трудностей: расчеты течений можно проводить для полноразмерных моделей, всегда су'ществу'ет возможность узнать значения параметров потока в любой точке расчетной области. Но здесь есть свои трудности, связанные с анализом полученных данных, верификацией используемых моделей.
Поэтому представляется целесообразным численно моделировать трехмерные течения, в каналах сложной конфигурации и одновременно проводить экспериментальные исследования, так как не все аспекты при определении параметров потока могут быть учтены расчетом.
Решению указанных актуальных задач и посвящена диссертационная работа.
Полученные результаты базируются на общей теории газовой динамики, методе крупных частиц и на экспериментальных данных но моделированию трехмерных течений в областях с сильными разрывами.
В работе получены новые научные результаты:
1. Разработан новый метод реализации граничных условий на
поверхностях сложной пространственной конфигурации;
4
2. Предложена модификация модели турбулентной вязкости Болдуина-Ломакса и алгоритм её реализации в трехмерном случае;
3. Получены экспериментальные данные по управляющему усилию в ПУС (в том числе при истечении газа в область повышенного противодавления) и предложена их теоретическая интерпретация;
4. Получены экспериментальные данные по структуре течения, распределению локальных газодинамических параметров и дополнительному усилию, создаваемому донным цилиндрическим насадком. Получена зависимость величины прироста тяги от длины цилиндрической обечайки насадка.
5. Разработан программный комплекс для численного моделирования вязких трехмерных течений в каналах сложной конфигурации.
Результаты численного и экспериментального моделирования течений в ПУС в условиях высокого внешнего противодавления были использованы при проектировании РД на твердом топливе, работающих на подводном участке при внешнем давлении значительно превышающим атмосферное;
Результаты численного и экспериментального моделирования течений в донном насадке четырёхсоплового ЖРД позволили определить, что за счет использования насадка прирост удельного импульса тяги ЖРД 14Д23 может составить 0,5-0,7%, что позволит заметно повысить его тяговые характеристики. Получено оптимальное значение длины цилиндрической части насадка, которое составляет для натурного РД 14Д23 — 0,6м.
На защиту выносятся следующие результаты:
1. Метод и программа расчета вязких трехмерных течений в областях сложной пространственной конфигурации;
5
2. Результаты экспериментальных исследований истечения газа из поворотного управляющего сопла в область повышенного внешнего противодавления;
3. Результаты экспериментальных исследований течения газа в донном цилиндрическом насадке четырехсопловой двигательной установки;
4. Результаты расчета основных характеристик течения в поворотном управляющем сопле. их сравнение с э кс II с р и м ентал ьными да пн ыми;
5. Результаты расчетов основных параметров течения в донном цилиндрическом насадке четырехсопловой двигательной установки, их сравнение с полученными модельными экспериментальными данными. Прогноз прироста характеристик натурной ДУ.
Материалы диссертационной работы изложены в 2 статьях, 10 научно технических отчетах, представлены на международных конференциях ЕиСАБЗ конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (ИРМ), обсуждались на межотраслевых семинарах в Центре Келдыша, МФТИ в 2004 - 2008 гг и конференциях отрасли, докладывались на конференции молодых специалистов МФТИ.
6
Глава 1. Постановка задачи
1.1. Конструктивные особенности поворотного управляющего сопла.
Отличительной чертой твердотопливных ракет является то, что в процессе управления их двигатель нельзя поворачивать целиком. Поэтому для изменения направления вектора тяги маршевых ракетных двигателей на твердом топливе используются характерные для них органы управления, такие как вдув газа в закритическую часть сопла, газодинамические рули, а так же поворотное управляющее сопло (ПУС). ПУС - это одна из наиболее широко применяемых и перспективных систем управления вектором тяги ракеты. Преимущества поворотных управляющих сопел заключаются в обеспечении работоспособности в течение длительного времени при нынешнем уровне технологии и материалов в сочетании с достаточной эффективностью. Кроме того, ПУС обеспечивает минимальные "нулевые" и позиционные потери и обладает удовлетворительными массовыми характеристиками. К недостаткам ПУС можно отнести высокую инерционность, необходимость изменять направление всего потока газов в сопле. В настоящее время поворотные сопла применяются в основном на маршевых ступенях. Для нормального функционирования поворотного сопла необходимо решить ряд задач. Во-первых, должно быть обеспечено заданное управляющее усилие, а во-вторых, работоспособность конструкции.
Изделия с ПУС могут использоваться как при атмосферном полете, так и при движении ракеты на начальном участке под водой. В последнем случае истечение газа из сопла происходит в условиях повышенного внешнего противодавления (Рис. 1.1). Это может существенно повлиять на тяговые характеристики двигателя, в том числе может произойти снижение управляющего усилия. Теоретические выводы количественных зависимостей для бокового усилия па отрывном режиме практически невозможны, т.к. течение является трехмерным, а распределение давления определяется
7
взаимодействием скачков уплотнения с пограничным слоем. Поэтому необходим расчет боковой проекции вектора тяги - Яу. Конечно, существуют формулы для определения этих усилий, но они являются обобщением опытных данных и не дают возможности рассчитывать Лу при отрывном течении в широком диапазоне изменения параметров.
Для решения данных задач необходимо исследовать трехмерные течения при наличии скачков уплотнения и с учетом вязкости. К настоящему времени проведено значительное количество экспериментов по исследованию трехмерных течений при взаимодействии сверхзвукового потока с твердым или струйным препятствием, предложены приближенные методики по определению бокового усилия. Однако сейчас для определения воздействия потока на стенки канала, для выяснения влияния на характер течения и боковое усилие параметров внешнего среды необходим метод численного расчета трехмерных течений в областях со скачками уплотнения с учетом влияния вязкости.
8
1.2. Конструктивные особенности донных насадков многосопловых
двигательных установок.
Традиционные осесимметричные насадки, которые могут быть размещены на однокамерных ЖРД, при использовании на многокамерных (четырехкамерных) ЖРД с плотной компоновкой, будут давать слишком малое приращение энергетики (Л1 < 0,5 с) и не покроют снижение баллистической эффективности из-за значительного приращения пассивной массы (собственно насадков, а главное, элементов их крепления и выдвижения). Поэтому для повышения тяговых характеристик ДУ наряду с сопловыми насадками традиционной формы могут рассматриваться и другие технические решения, а именно: выдвижные элементы в виде
цилиндрических насадков. Такие решения могут оказаться целесообразными для модернизируемых четырехсопловых ДУ с плотной компоновкой, т.е. с малыми расстояниями между срезами соседних сопел. Примерами таких двигателей могут служить четырехсопловые двигатели РД0124 и 14Д23 третьих ступеней ракетоносителей «Ангара» и «Русь» (Рис. 1.2—1.3). Диаметр среза каждого из сопел двигателя 14Д23 - с1а = 769,1мм при расстояниях между осями соседних сопел Ь = 1060,6 мм. При этом для управления вектором тяги такого двигателя производится качание сопел, что накладывает ещё более жесткие ограничения на использование межсоплового пространства.
В связи с использованием сдвигаемых дойных насадков возникает ряд проблемных вопросов, главными из которых являются прогнозирование приращения величины пустотного удельного импульса тяги многосопловых
9
Рис. 1.2. Двигатель РД 0124.
Рис. 1.3. Схема двигателя 14Д23 с донным цилиндрическим насадком.
ю