Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Численное моделирование и экспериментальное исследование рабочего процесса в камере РДМТ на газообразных компонентах топлива кислород + метан

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсам «Численное моделирование рабочих процессов в ракетных двигательных установках на жидких, газообразных и порошкообразных компонентах топл
Покупка
Новинка
Артикул: 837346.01.99
Доступ онлайн
640 ₽
В корзину
Приведены две лабораторные работы, посвященные расчету характеристик рабочего процесса в камере ракетного двигателя на газообразных компонентах топлива (РДМТ) с использованием пакета Fortran Power Station, а также экспериментальному определению эффективности рабочего процесса в камере РДМТ на газообразных компонентах кислород + метан. Дано описание экспериментального стенда. Изложены методика проведения огневых стендовых испытаний РДМТ на газообразных компонентах топлива и методика обработки результатов таких испытаний. Представлен пример проведения сравнительного анализа результатов огневых стендовых испытаний с результатами численного моделирования рабочих процессов в камере РДМТ. Для студентов, изучающих курсы «Численное моделирование рабочих процессов в ракетных двигательных установках на жидких, газообразных и порошкообразных компонентах топлива», «Расчет и конструкция камеры ЖРД», «Основы расчета и проектирования ЖРДМТ». Для студентов, изучающих курсы "Численное моделирование рабочих процессов в ракетных двигательных установках на жидких, газообразных и порошкообразных компонентах топлива", "Расчет и конструкция камеры ЖРД", "Основы расчета и проектирования ЖРДМТ".
Численное моделирование и экспериментальное исследование рабочего процесса в камере РДМТ на газообразных компонентах топлива кислород + метан : методические указания к выполнению лабораторных работ по курсам «Численное моделирование рабочих процессов в ракетных двигательных установках на жидких, газообразных и порошкообразны компонентах топлива», «Расчет и конструкция камеры ЖРД», «Основы расчета и проектирования ЖРДМТ» / В. А. Буркальцев, В. И. Лапицкий, А. В. Новиков [и др.]. - Москва : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2009. - 60 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.ru/catalog/product/2160874 (дата обращения: 21.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО
ПРОЦЕССА В КАМЕРЕ РДМТ
НА КОМПОНЕНТАХ ТОПЛИВА
КИСЛОРОД + МЕТАН

Методические указания к выполнению лабораторных работ
по курсам «Численное моделирование рабочих процессов
в ракетных двигательных установках на жидких,
газообразных и порошкообразных компонентах топлива»,
«Расчет и конструкция камеры ЖРД »,
«Основы расчета и проектирования ЖРДМТ»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2009

УДК 621.455
ББК 39.65
Ч-671

Ч-671

Р е ц е н з е н т
А.А. Дорофеев

Численное моделирование и экспериментальное исследование рабочего процесса в камере РДМТ на газообразных компонентах топлива кислород + метан: Метод. указания к выполнению лабораторных работ по курсам «Численное моделирование рабочих процессов в ракетных двигательных установках на жидких, газообразных и порошкообразных
компонентах топлива», «Расчет и конструкция камеры ЖРД»,
«Основы расчета и проектирования ЖРДМТ» / В.А. Буркальцев, В.И. Лапицкий, А.В. Новиков и др. – М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2009. – 60 с.: ил.

Приведены две лабораторные работы, посвященные расчету характеристик рабочего процесса в камере ракетного двигателя на газообразных компонентах топлива (РДМТ) с использованием пакета Fortran Power Station, а также экспериментальному определению
эффективности рабочего процесса в камере РДМТ на газообразных
компонентах кислород + метан. Дано описание экспериментального
стенда. Изложены методика проведения огневых стендовых испытаний РДМТ на газообразных компонентах топлива и методика обработки результатов таких испытаний. Представлен пример проведения
сравнительного анализа результатов огневых стендовых испытаний с
результатами численного моделирования рабочих процессов в камере
РДМТ.
Для студентов, изучающих курсы «Численное моделирование рабочих процессов в ракетных двигательных установках на жидких,
газообразных и порошкообразных компонентах топлива», «Расчет
и конструкция камеры ЖРД», «Основы расчета и проектирования
ЖРДМТ».
УДК 621.455
ББК 39.65

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009

ВВЕДЕНИЕ

Расширение сферы использования космического пространства
(навигация, связь, изучение ресурсов Земли, промышленность, телевидение, астрономия, метеорология и т. д.) предполагает в перспективе рост количества и массы запускаемых искусственных
спутников Земли. Становится необходимым использование ракет
разных классов с полезными нагрузками от сотен килограммов
до десятков тонн, не наносящих ущерба экологии околоземного
пространства.
Успешная разработка новых двигательных установок, рациональный выбор их параметров, повышение эффективности и надежности функционирования новых изделий требуют системного
подхода ко всем этапам разработки этих изделий, включая как расчетную, так и экспериментальную части.
Основные общие требования к ракетным двигателям (РД) нового поколения [1] перечислены ниже.
1. Компоненты ракетного топлива должны быть дешевыми,
экологически чистыми. Сырьевая база для их производства должна быть неограниченной. Кроме того, компоненты топлива должны
иметь широкое применение в других отраслях промышленности.
2. Двигатели должны иметь высокие энергетические и импульсные характеристики, но их достижение не должно идти в
ущерб надежности, безаварийности и стоимости.
3. Двигатель должен проходить на заводе контрольно-технологические испытания (КТИ) без последующей переборки и в составе изделия при необходимости.
4. Конструкция РД должна быть приспособлена для диагностических и ремонтных работ, а также для его межполетного технического обслуживания на техническом комплексе при многократном

3

использовании такого двигателя. Стоимость межполетного обслуживания РД должна быть минимальной.
Согласно изложенным требованиям топлива на основе сжиженных газов, в частности кислорода и метана, будут востребованы как для верхних ступеней ракет-носителей, так и космических
летательных аппаратов (КЛА) различных типов. Таким образом,
актуальной является задача создания и отработки РД малой тяги
(РДМТ) на компонентах топлива кислород + метан.
Возможности современной электронно-вычислительной техники, математического аппарата и наличие результатов огневых стендовых испытаний (ОСИ) РДМТ позволяют на этапе эскизного проектирования существенно сократить затраты на создание двигателя
с помощью методов моделирования и выработки предварительных
рекомендаций по проектированию камер сгорания (КС). Численное
моделирование дает возможность провести оптимизацию параметров и размеров КС для достижения наибольшей эффективности
рабочего процесса, которая характеризуется коэффициентом камеры ϕк.
Данное издание включает две лабораторные работы, отражающие этапы создания РДМТ — сочетание математического моделирования рабочих процессов с их опытной проверкой и сравнительным анализом полученных данных. Лабораторная работа
№ 1 состоит в численном моделировании рабочего процесса в КС
РДМТ на газообразных компонентах кислород + метан, лабораторная работа № 2 заключается в проведении и обработке результатов
экспериментального исследования рабочего процесса в КС РДМТ
и сравнительном анализе результатов численного моделирования
и опытных данных.

РАБОТА № 1. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КАМЕРЕ РДМТ
НА ГАЗООБРАЗНЫХ КОМПОНЕНТАХ ТОПЛИВА
КИСЛОРОД + МЕТАН И ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ
НА КОЭФФИЦИЕНТ РАСХОДНОГО КОМПЛЕКСА

1.1. Цель и задачи лабораторной работы

Цель работы — освоение студентами методики расчета характеристик рабочего процесса в камере РДМТ, приобретение навыков
решения подобных задач на ПЭВМ, анализ и обобщение полученных результатов.
В процессе выполнения лабораторной работы каждый студент
изучает постановку задачи, метод решения, исходную систему
уравнений, блок-схему программы и ее описание. После этого
студенту выдают дискету с записью программы расчета (на языке Фортран) и задание: провести расчет характеристик рабочего
процесса в камере РДМТ для определенных исходных данных.
Студент вводит в программу исходные данные своего варианта и
проводит расчет.
После выполнения расчетов каждый студент, используя свои
результаты и данные, полученные другими студентами, строит по
указанию преподавателя обобщающие зависимости коэффициента
расходного комплекса от влияющих факторов.
После построения зависимостей проводится анализ полученных результатов и оформляется отчет по лабораторной работе.
В отчет должны входить:
1) исходная система уравнений и основные допущения;
2) блок-схема программы и описание расчетного метода;
3) распечатка результатов расчета;

5

4) графические обобщающие зависимости;
5) анализ полученных результатов.
Данная лабораторная работа может быть выполнена в режиме
дистанционного обучения студентов через локальные или глобальные компьютерные сети.

1.2. Методика расчета распределения параметров
по объему камеры сгорания РДМТ
на газообразных компонентах топлива

1.2.1. Физическая картина рабочего процесса в камере
сгорания

Конструкция исследуемой экспериментальной камеры РДМТ
[2] представлена на рис. 1. К особенностям камеры относится автономное внешнее охлаждение жидким теплоносителем, поступающим в оребренный тракт. Этот тракт образован внутренней
оболочкой 1 и наружной оболочкой 2. В качестве охлаждающего
теплоносителя при проведении экспериментов используется вода.
Окислитель (газообразный кислород) поступает в КС через отверстия А, Б и кольцевую щель В. Отверстия А выполнены в корпусе
смесительной головки 4, а отверстия Б и кольцевая щель В — в
корпусе форкамеры 3. Горючее (газообразный метан) подается в
форкамеру с закруткой через три винтовых паза, расположенных
между корпусом смесительной головки 4 и корпусом 6. Компоненты топлива воспламеняются с помощью свечи 7 (электроискровой
или электроэрозионной), которая обдувается малым расходом кислорода, поступающим из полости 5 через отверстие Д.
Такое конструктивное решение обеспечивает зонную подачу компонентов топлива, характеризуется наличием специальной
форкамеры для образования зоны смеси с избыточным содержанием одного из компонентов топлива, в нашем случае горючего,
что по данным ряда авторов является особенно эффективным при
использовании газообразных компонентов топлива [3].
На рис. 2 представлена расчетная схема рабочего процесса в
рассматриваемой КС РДМТ. Кислород продувки свечи — меньшая
часть расхода окислителя — и горючее поступают через отверстие
В и щель Б соответственно в первую зону КС (форкамеру), после
которой имеет место ступенчатое увеличение диаметра проточной

6

Рис. 1. Схема опытного образца камеры:
1 – внутренняя оболочка; 2 – наружная оболочка; 3 – форкамера; 4 – смесительная
головка; 5 – полость; 6 – корпус; 7 – свеча

Рис. 2. Схема смесеобразования с зонной подачей компонентов топлива
в КС

7

части. При этом горючее подается через щель Б с закруткой. Большая часть расхода газообразного кислорода поступает в КС через
щель А.
Сложный комплекс процессов, протекающих в КС, должен
быть организован таким образом, чтобы обеспечить устойчивую
и надежную работу двигателя с максимальной полнотой сгорания
компонентов топлива. Полнота сгорания определяется долей прореагировавшего компонента, находящегося в недостатке, и зависит
от большого числа факторов, в частности, от распределения окислителя и горючего в объеме КС, конвективного и турбулентного
перемешивания компонентов топлива и собственно горения. Эти
составляющие рабочего процесса протекают в КС одновременно
и оказывают существенное влияние друг на друга.
Газодинамическая картина течения рабочего тела (смеси) в
КС во многом определяется схемой смесеобразования, скоростями подачи компонентов топлива и интенсивностью конвективного и диффузионного переноса субстанций. При этом в КС могут
иметь место большие локальные градиенты значений параметров
(в частности, температуры и плотности смеси), которые влияют на
интенсивность перемешивания.
Смесь компонентов топлива, образовавшаяся в форкамере,
воспламеняется там же с помощью электрической свечи с последующим развитием процесса горения в зоне подачи основной
части окислителя в КС. При этом на положение и форму поверхности фронта пламени помимо перечисленных выше факторов
будет влиять температура воспламенения компонентов топлива
(Тв ≈ 815 К).
В связи с тем, что скорости сгорания смеси, т. е. снижение
концентраций, более чем на порядок превышают скорости поступления компонентов в зону горения в результате перемешивания;
определяющим совершенство процесса в КС фактором является
именно смешение компонентов топлива (диффузионный режим реакции).
При правильном выборе режимов подачи компонентов и геометрических размеров КС будет иметь место наиболее полное смешение и выгорание компонентов топлива в ее объеме до выходного сечения, что должно обеспечить максимальную завершенность
процесса и высокое значение величины ϕк.

8

Газообразные окислитель (кислород) и горючее (метан) попадают в камеру при температуре, близкой к 300 К. Нагрев этих веществ до температуры воспламенения происходит в основном за
счет конвективных тепловых потоков. Фронт пламени располагает-
ся в виде поверхности значительной кривизны как в продольном,
так и в поперечном направлениях, что связано с характерными
для КС большими градиентами температур и концентраций. Горячие продукты сгорания (СО, СО2, Н2О, ОН, Н2) смешиваются за
счет диффузии и конвекции с холодными компонентами топлива и
обеспечивают таким образом их нагрев до температуры воспламенения.
Из-за плохого перемешивания не всегда удается полностью
сжечь все компоненты топлива, и значительная их часть может
покидать КС, не прореагировав. Таким образом, основными факторами, определяющими совершенство процесса в КС, являются
смешение и устойчивое воспламенение компонентов топлива.

1.2.2. Математическая модель определения характеристик
рабочего процесса в камере сгорания РДМТ

Математическая модель и программа решения задачи горения
метана с кислородом в условиях КС РДМТ разработаны в двумерной постановке с учетом турбулентного и конвективного переноса
массы, энергии и количества движения и особенностей горения
газообразной смеси [2].
Используемый метод решения таких задач является конечноразностным. В ходе решения задачи поле течения условно покрывается расчетной сеткой, в узлах которой определяются расчетные
параметры.
В исследуемую численным методом КС (см. рис. 2) горючее
поступает через кольцевую щель Б, окислитель — через кольцевую
щель А, кислород от свечи воспламенения (кислород воспламенения) — через центральное отверстие В. Полученная в результате
процессов тепломассообмена и горения смесь истекает из критического сечения Г. В двумерной постановке задачи в цилиндрических
координатах отверстия А и Б приобретают форму колец.
Существенное значение в постановке задачи имеет вопрос
определения границы зоны подготовительных процессов и горения — поверхности фронта горения. За границу раздела этих зон

9

принимаем поверхность достижения смесью кислорода и метана
температуры воспламенения метана в кислороде, равной 815 К [4].
Считаем, что при достижении этой температуры горение возникает мгновенно и протекает до полного выгорания хотя бы одного
из двух взаимодействующих компонентов топлива. Если хотя бы
одно из веществ сгорело полностью, то дальнейшее химическое
преобразование невозможно, и выделение теплоты за счет химической реакции прекращается.
В результате химического взаимодействия в КС происходит изменение состава и температуры газа. Поэтому возникает необходимость проведения (с учетом многообразия химических реакций)
термодинамических расчетов в каждом узле исследуемого объема
для каждой итерации, что приводит к большим затратам времени
счета и делает нецелесообразным решение задачи даже на быстродействующих ЭВМ. Этот недостаток обходится путем замены всей
совокупности реакций одной одностадийной реакцией с эмпирическими поправочными функциями для согласования расчетной и
термодинамической температуры горения топливной смеси. Такой
подход позволяет значительно упростить расчеты и сократить время счета при допустимой погрешности.
Принимаем следующий вид одностадийной химической реакции:
24СН4 + 47О2 = 8СО2 + 16СО + 30Н2О + 32ОН + 2Н2
Таким образом, в расчетный состав смеси входят компоненты:
СН4 , О2 , СО2, СО, Н2О, ОН, Н2.
Учитывая изложенное выше, можно сформулировать основные допущения задачи. Некоторые из них являются общепринятыми [2, 5]:
1) задача стационарна;
2) границы КС нетеплопроводны;
3) камера сгорания является изобарической до входа в сужающуюся часть сопла. Распределение давления по докритической
части сопла принимается одномерным и определяется газодинамическими функциями;
4) коэффициенты переноса массы и энергии равны эффективному коэффициенту турбулентной вязкости (турбулентное число
Прандтля Pr = 1,0);
5) между кислородом и метаном имеет место одностадийная
химическая реакция;

10

Доступ онлайн
640 ₽
В корзину