Моделирование двухфазных потоков в форсунке камеры ЖРД с помощью ANSYS CFD

Одним из перспективных компьютерных средств исследования рабочего процесса камеры ЖРД, в частности гидродинамики смесительной головки и её форсунок, является использование CFD-пакета (Computational Fluid Dynamics – вычислительная гидрогазодинамика) ANSYS CFX. Для однофазных течений применение такого моделирования позволяет получать достаточно достоверные данные [2], в том числе при расчётах с горением [3]. Использование таких моделей для расчётов ГТД [4] позволяет добиваться ранее недостижимых результатов [5].

В настоящей статье приведены результаты предпринятой попытки моделирования рабочего процесса смесительной головки и форсунок в ANSYS CFD и выработки основных положений методики такого моделирования.

Применение компьютерных технологий при разработке системы смесеобразования ЖРД и её элементов позволяет не только автоматизировать процесс разработки, но и повысить качество проектируемых изделий, существенно сократить сроки их создания и привести к снижению затрат на весь жизненный цикл.

Насколько тщательно будут выполнены все проектные работы по смесительной головке и форсункам, правильно построена методика проведения численного эксперимента в значительной степени зависят надежность двигателя, возможность сокращения сроков каждого из этапов работ и в конечном счете сроки создания и стоимость двигателя.

Главным элементом смесительной головки камеры ЖРД, определяющим эффективность процесса смесеобразования являются форсунки.

В данной работе описаны основные приемы работы с программным комплексом ANSYS для моделирования рабочих процессов двухкомпонентных форсунок ЖРД. Моделирование форсунок разных типов: струйно-струйной, струйноцентробежной, центробежно-центробежной, как с внешним смешением компонентов, так и с внут- ренним, – осуществляется в сущности по одному алгоритму.

Процесс моделирования двухфазных потоков в двухкомпонентной форсунке с внутренним сме- шением состоит из пяти основных этапов: создание геометрической модели (CAD-модели) проточной части форсунки; создание и наложение сетки в проточной части форсунки на базе геометрической модели; создание и наложение начальных и граничных условий моделирования исследуемых процессов; поиск решения и анализ его результатов.

Далее каждый этап описан подробно.

Для большей достоверности моделирования в расчёт включаются зоны, из которых рабочее тело поступает в форсунку, а также зону, в которую происходит истечение (рис. 1).

Для этого, используя инструменты эскизиро-вания Design Modeler (Sketching), формируется эскиз половины расчётной зоны – построением двух замкнутых контуров (рис. 2).

Чаще всего целесообразно использовать секторную модель проточной части - это уменьшает время расчёта без потери качества решения при условии корректного выбора сектора.

Следует выделять моделируемую часть форсунки течения так, чтобы поверхности разделения не касались краёв отверстий, непарных границ форсунки и т.п., иначе в паре периодических границ может возникнуть несоответствие (рис. 3).

Построенная секторная геометрическая модель струйно-центробежной форсунки имеет вид, представленный на рис. 4.

При наложении сетки конечных элементов рекомендуется учитывать ряд особенностей, а

а                    б

Рис. 2. Эскиз проточной части: а – схема; б –эскиз в Design Modeler

Рис. 3. Схема выделения секторной модели форсунки: I – правильно, II– неправильно (на границы попадают тангенциальные отверстия)

именно:

Рис. 1. Расчётная зона струйно-центробежной форсунки

Рис. 4. Геометрическая модель струйно-центробежной форсунки

• 1)    Для более подробного разрешения пограничного слоя потока вдоль непроницаемых стенок, рекомендуется накладывать призматические слои сетки.

• 2)    Необходимо измельчать расчётную сетку в областях концентрированного течения, что необходимо для более правильного расчёта высоких градиентов потока (в пограничном слое, например). Для первоначального выбора размера элементов в каналах форсунки можно использовать ячейки 1/40...1/20 диаметра.

При создании расчётной модели форсунки также имеется ряд параметров, которые нужно учитывать для получения расчёта с высокой степенью точности, например:

• 1)    При низких скоростях газа (до 0,3 числа Маха) можно не учитывать изменение плотности газа. Это оправдано на начальных этапах расчёта.

• 2)    При использовании секторных моделей на гранях разреза предпочтительнее применять периодические границы, а не условия скользких стенок.

Решая поставленную таким образом задачу в ANSYS CFX можно получать сведения о работе исследуемой форсунки:

• 1)    параметры и картину контура концентрации окислителя, горючего и продуктов сгорания (поступающих из камеры сгорания);

• 2)    линии тока окислителя, горючего и продуктов сгорания (рис. 5);

• 3)    угол выхода топлива из форсунки;

• 4)    параметры работы форсунки (расходы компонентов топлива, значения их давления, коэффициент расхода форсунки и др.).

Сравнение полученных результатов с имеющимися данными аналитического расчёта приведено в табл. 1.

Замечено, что при повышении сложности моделей результаты расчёта асимптотически приближаются к аналитическому расчёту (табл. 2).

Таким образом, проведенная работа позволяет сформулировать следующие выводы:

Рис. 5. Картина линий тока горючего

Таблица 1. Результаты моделирования

Параметр	Результат аналитического расчёта [1]	Результат CFD-расчёта
Расход окислителя, г/с	279,7	279,7
Расход горючег о, г/с	274,0	274,0
Давление на входе оки сли теля, МПа	18,09	17,19
Давление на входе горючег о, МПа	18,08	22,66
Давление на выходе из форсунки, МПа	17,09	17,09
Средний угол факела распыла, градусы	55,8	45,0

Таблица 2. Сравнение вариантов расчёта струйной форсунки

Вари ант расчёта (тыс. элементов)	Перепад давления на форсунке Δp ф , МПа	Масс овый расход ■ mф , г/с	Коэффиц иент расхода форсунки μ
CFD-расчёт (10)	0,5565	316,2	0,8087
CFD-расчёт (100)	0,4931	303,7	0,8672
CFD-расчёт (500)	0,4531	301,7	0,8872
Аналитический расчёт	0,4403	300,0	0,8991

• 1.    Сравнительный анализ результатов моделирования рабочего процесса двухкомпонентных газожидкостных форсунок в ANSYS CFD с применяемыми проектными методами показал, что он может быть применён при проектировании форсунок камеры ЖРД для моделирования внутри форсунки.

• 2.    Выработаны основные положения методики моделирования двухфазных потоков двухкомпонентных газожидкостных форсунок в ANSYS CFD.

• 3.    В рамках данной работы не удалось корректно смоделировать дробление пелены компонента топлива за срезом сопла форсунки в камере сгорания. Дальнейшая работа должна быть направлена на разработку математической модели дробления струи или пелены на капли из-за воздействия на неё внешних и внутренних сил.

Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки) на основании Постановления Правительства РФ №218 от 09.04.2010.