Исследование взаимодействия сверхзвукового течения газа с легкоплавким материалом в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твердом топливе
Автор: Н.П. Скибина, В.В. Фарапонов
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 3 т.14, 2021 года.
Бесплатный доступ
Исследуются процессы, сопровождающие работу прямоточного воздушно-реактивного двигателя с горением твердого топлива в сверхзвуковом потоке. Твердотопливным элементом, размещенным в камере сгорания двигателя, служит наполнитель из легкоплавкого полимерного материала, выполненный в форме цилиндра с продольным каналом на оси. Изучение производится методами физического и математического моделирования. Экспериментальная часть работы проведена в импульсной аэродинамической установке. С помощью предложенных измерительных устройств эмпирическим путем получены данные о распределении температуры и давления вдоль стенки канала, который формируется внутри модели при размещении в камере сгорания полимерного наполнителя. Физико-математическая модель для численного решения задачи состоит из системы осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, дополненной уравнениями полуэмпирической SST-модели турбулентности. Для решения уравнений используется метод конечных объемов. Задача рассматривается в нестационарной двухмерной осесимметричной постановке, при этом начальные и граничные условия выбираются в соответствии с экспериментальными данными, что дает возможность осуществлять верификацию результатов численных расчетов непосредственно в ходе аэродинамических испытаний. Представлены полученные распределения газодинамических параметров (давления, температуры, плотности, числа Маха) для течения газа в проточном тракте модели прямоточного воздушно-реактивного двигателя. По данным численных расчетов построены профили давления на границе «газ-твердое тело», показано их изменение с течением времени. Выполненное решение нестационарной сопряженной задачи теплообмена позволяет установить динамику изменения температуры не только в пристеночной зоне проточного тракта, но и в твердом полимерном материале наполнителя (капролоне, полиэтилене, полиоксиметилене). Получено, что воздействие сверхзвукового потока на материал со стороны проточного тракта в течение 1 с приводит к изменению температуры в твердом теле на глубину до 20% от его общей толщины.
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель, твердые легкоплавкие горючие, теплообмен, сверхзвуковые течения, физическое и математическое моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/143176891
IDR: 143176891 | УДК: 533.697, 533.6.011.6 | DOI: 10.7242/1999-6691/2021.14.3.23
Analysis of the interaction of a supersonic gas flow with a solid low melting polymer as a ramjet engine propellant
The performance of ramjet engines with a supersonic combustion is one of the main directions of hypersonic aircraft development research is studied. Researchers around the world create special experimental facilities for testing engine models, investigate fuels for ramjet engines and classify new scientific data. Since the ambient temperature and the oxidizer flow temperature in engine air duct are low at the flight altitude of a hypersonic aircraft, low melting materials can be used as a fuel agent in a solid propellant. The main purpose of this work is analysis of heat and mass exchange processes associated with the motion of a supersonic gas flow in an axisymmetric duct described as a combustion chamber of a ramjet engine with a solid polymer. The mathematical model of the problem consists of the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and the equations of a semiempirical turbulence model. The stated problem was solved by the finite volume method. Initial and boundary conditions are identical to experimental conditions and this makes it possible to verify the results of the numerical solution directly during aerodynamic tests. Gas dynamic parameters for the gas flow in an air duct of a ramjet engine are described, pressure profiles at the gas-solid interface are plotted, and a transient pressure behavior is considered. The results of the solution of a coupled heat transfer problem allow analyzing a dynamic heat exchange pattern in a solid polymeric material (caprolone, polyethylene and polyoxymethylene). It has been found that the effect of a supersonic flow on the surface of a low melting material within one second leads to temperature changes in a solid to a depth of 20% of its total thickness.
Список литературы Исследование взаимодействия сверхзвукового течения газа с легкоплавким материалом в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твердом топливе
- Звегинцев В.И. Газодинамические установки кратковременного действия. Новосибирск: Параллель, 2014. Часть I. Установки для научных исследований. 551 с.
- Скибина Н.П., Савкина Н.В., Фарапонов В.В., Маслов Е.А. Комплексный подход к решению задачи высокоскоростного обтекания тела в импульсной аэродинамической установке и проверка согласованности полученных результатов // Вестн. Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2019. № 59. С. 118-129. https://doi.org/10.17223/19988621/59/12
- Скибина Н.П. Численное исследование нестационарного течения газа в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя с учетом процесса теплообмена // Вычислительные технологии. 2020. Т. 25, № 6. С. 50-61. https://doi.org/10.25743/ICT.2020.25.6.003
- Ищенко А.Н., Маслов Е.А., Скибина Н.П., Фарапонов В.В. Комплексное исследование нестационарного течения с ударными волнами в рабочем тракте гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя // ИФЖ. 2021. Т. 94, № 2. С. 466-473. (English version https://doi.org/10.1007/s10891-021-02315-8)
- Мацкевич В.В., Фарапонов В.В., Маслов Е.А. Анализ процесса теплообмена в пограничном слое проточной части модельного ГПВРД при обтекании сверхзвуковым потоком // Интеллектуальные энергосистемы: Труды V Международного молодёжного форума, Томск, 9-13 октября 2017 г. Томск, 2017. Т. 1. С. 49-52.
- Снегирёв А.Ю. Высокопроизводительные вычисления в технической физике. Численное моделирование турбулентных течений. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. 143 с.
- Скибина Н.П. Математическое моделирование газодинамических процессов в импульсной аэродинамической установке и расчет некоторых параметров потока в рабочей части // Вычислительные технологии. 2019. Т. 24, № 5. С. 38-48. https://doi.org/10.25743/ICT.2019.24.6.004
- Гутов Б.И., Звегинцев В.И., Мельников А.Ю. Влияние противодавления на течение в диффузоре сверхзвукового воздухозаборника // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2017. № 49. С. 18-28. https://doi.org/10.15593/2224-9982/2017.49.02
- Гутов Б.И., Звегинцев В.И., Мельников А.Ю. Влияние теплоподвода в камере сгорания на течение в диффузоре сверхзвукового воздухозаборника // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2017. № 50. С. 15-25. https://doi.org/10.15593/2224-9982/2017.50.02
- Чжен П. Отрывные течения. М.: Мир, 1972. Т. 1. 298 с.
- Носатов В.В., Семенев П.А. Расчетно-экспериментальное исследование сверхзвукового турбулентного отрывного течения и локальной теплоотдачи в плоском канале с внезапным расширением // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». 2014. № 1(52). С. 66-77.
- Терехов В.И., Богатко Т.В. Влияние толщины пограничного слоя перед отрывом потока на аэродинамические характеристики и теплообмен за внезапным расширением в круглой трубе // ТиА. 2008. Т. 15, № 1. С. 99-106. (English version https://doi.org/10.1134/S0869864308010083)
- Федорова Н.Н., Федорченко И.А., Федоров А.В. Математическое моделирование взаимодействия струй со сверхзвуковым высокоэнтальпийным потоком в расширяющемся канале // ПМТФ. 2013. Т. 54, № 2. С. 32-45. (English version https://doi.org/10.1134/S002189441302003X)
- Maslov E.A., Faraponov V.V., Zharova I.K., Zhukov A.S., Kozlov E.A., Savkina N.V., Skibina N.P., Gimayeva N.R. Experimental study of the control agent flow parameters in the channel, simulating the ramjet air flow duct // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. Vol. 012090. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1382/1/012090
