Разработка методов расчета и исследование сверхзвуковых пространственных течений в элементах камеры сгорания ГПВРД тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

ГНЦ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННОГО МОТОРОСТРОЕНИЯ

им. П.И. БАРАНОВА"

На правах рукописи

се:

Ломков Константин Электронович

5

УДК 621.452.226.034.022.7

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

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1998

Работа выполнена в ГНЦ РФ "Центральный Институт Авиационного Моторостроения им. П.И. Баранова"

Научный руководитель- кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Копченов В.И.

Официальные оппоненты:

-д.ф.-м.н., Сабельников В.А.

- к.т.н., старший научный сотрудник Строкин В.Н.

Ведущая организация - Институт Теоретической и Прикладной Механики

СО РАН

Защита состоится " " 1998 г. в " " часов

заседании диссертационного совета К.063.91.07 при МФТИ вауд.314 Адрес: 140160, г.Жуковский, ул. Гагарина, д.16

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печать учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя учёно секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФАЛТ МФТИ Автореферат разослан 1998 года

Учёный секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н., доцент

----/А.И.Киркинский/

цая характеристика работы

Математическое моделирование течений в тракте ГПВРД цставляет большой интерес. Это определяется, с одной стороны, жностью и ограниченными возможностями моделирования режимов ета с числами Маха выше 8-9 в наземных экспериментальных иедованиях, с другой стороны, чрезвычайно сложным, существенно (мерным характером течения в ГПВРД и особенно в камере сгорания I, взаимосвязанностью протекающих газодинамических процессов и ико-химических превращений. В то же время к КС предъявляются окие требования, которые предполагают высокую степень смешения и [зекгивное подведение энергии в высокоскоростной поток при высокой "ической температуре и малых потерях, с точки зрения тяговых эктеристик всего двигателя.

/альность темы диссертации определяется интенсивной разработкой !РД в составе гиперзвуковой силовой установки для перспективных ательных аппаратов. Центральная часть ГПВРД - камера сгорания, цессы в которой во многом определяют характеристики всего двигателя, ика потребность в математической модели как всего тракта ГПВРД, так и способной описывать происходящие там сложные газодинамические и ико-химические процессы с учетом смешения, горения и трехмерных [эектов, в то же время не предъявляя чрезмерно высоких требований к /рсам ЭВМ.

овные цели диссертации заключались:

I создании эффективных численных методов течений в КС ГПВРД в фостранственной постановке с учетом смешения, горения и реальных :войств газа, пригодных для расчета пространственных течений в тракте ^У гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА) и оценки характеристик СС ГПВРД

I исследовании возможностей интенсификации смешения и горения с ^пользованием пространственных эффектов, обусловленных ¡заимодействием потоков горючего и окислителя в широком диапазоне >ежимов полета и параметров на входе в КС

I выработке рекомендаций по проектированию камер сгорания и тракта 'ПВРД на основе анализа исследованных эффектов.

защиту выносятся следующие положения:

Эффективный маршевый метод расчета сверхзвуковых лногокомпонентных струйных течений в пространственной постановке с гчетом неравновесных химических реакций в водородо-воздушной смеси.

2) Результаты по исследованию интенсификации смешения и горения помощью эллиптических сопел для подачи топлива.

3) Способ построения эффективной системы инжекции с эллиптически! соплами, значительно сокращающей необходимую для смешения дли КС.

4) Результаты исследования влияния профилирования тракта ГПВРД характеристики КС и тяговые характеристики ГПВРД и рекомендации профилированию тракта на основе метода оценки полноты сгорания выделенной энергии в виде 3-х составляющих: полнота смешен1 качество равновесия и степень равновесности.

Научная новизна и практическая ценность работы заключается в следующем:

На основе обобщения стационарного аналога схемы С.К.Годунова течения многокомпонентной среды разработан численный мет повышенного порядка точности для решения пространственных зад сверхзвукового смешения и горения в приближении диффузионного фрон пламени, а также с учетом неравновесных химических реакций в рамк параболизованной системы уравнений Навье-Стокса с использовани« дифференциальной модели турбулентности. Разработан алгоритм комплекс программ для расчета смешения и горения сверхзвуковых стр применительно к камере сгорания ГПВРД.

С помощью разработанного метода и комплекса пpoгpa^ исследованы способы интенсификации смешения, связанные с управлени! струей водорода. Обнаружен эффект и объяснен механизм интенсификац смешения, основанный на использовании эллиптических сопел для пода водорода, связанный с разделением струи на две части.

Проведено исследование истечения нерасчетных стр эллиптической формы в спутный поток. Оценено влияние нерасчетное струи по давлению и числа Маха спутного потока на эффе переориентации осей ("переворачивания струи").

Проведенные расчеты с учетом горения водорода показали, что п использовании эллиптических сопел длина выгорания по сравнению осесимметричными соплами может сокращаться в 2 раза. На основан исследованного эффекта выработаны рекомендации по выбо конструктивных параметров пилонного устройства подачи, обеспечивающе высокую эффективность смешения и горения.

Проанализирован вклад смешения и неравновесных химическ процессов в энергетическую эффективность процесса в КС. Показа возможное влияние профилирования КС на смешение, качество химическс равновесия и степень неравновесности процесса.

Предложенный метод обладает высокой эффективностью и позволь рассчитывать сложные пространственные турбулентные течения интенсивными скачками уплотнения, тепловыделением с учетом реальны>

(йств газа за приемлемое время на компьютерах класса рабочей станции 9000/735 или современных персональных компьютерах класса Pentium и ие. Это позволяет использовать разработанный комплекс программ на пе проектирования ГПВРД.

Полученные результаты о возможности значительной интенсификации гшения и горения позволяют сократить длину КС. Это имеет важное 1чение для экономии ресурсов, расходуемых на охлаждение стенок КС, зньшает потери на трение и вес конструкции. Разработаны рекомендации выбору таких конструктивных параметров КС, как количество сопел для 1ачи водорода в пилонах, их размер, расстояние между ними, а также пень расширения и форма сверхзвуковой части сопел. Эти рекомендации уг использоваться на этапе проектирования системы инжекции камеры рания.

зобация работы

фаботанный комплекс программ использовался для расчета течений в ГПВРД при разработке технических предложений в ЦИАМ и ТМКБ ЭЮЗ" по гиперзвуковым двигателям и гиперзвуковой летающей Моратории "ИГЛА" а также при выполнении программы "Орёл" для хийского Космического Агентства.

новные результаты работы докладывались и обсуждались на:

5-й Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы механики

цкости и газа" (Иркутск, 1990),

э советско-американском семинаре "Влияние эффектов тепловыделения

1 горении на турбулентное смешение (Новосибирск,1990),

5-м Всесоюзном семинаре по газовым струям (Ленинград, 1990),

13-м Международном конгрессе по вычислительной и прикладной

канике (Дублин, 1991),

а международном семинаре ЦАГИ "Механика жидкости, газа и плазмы" тодарский, 1992),

ia международном семинаре "Физика ударных волн и высокотемпера-•ных течений". (Минск 1992),

а XVIII научных чтениях памяти С.П.Королева (Москва, 1994), а международном Аэрокосмическом конгрессе (Москва, 1994). а XIX научных чтениях памяти С.П.Королева (Москва, 1995), а XX научных чтениях памяти С.П.Королева (Москва, 1996), а международной конференции "Авиационные технологии 2000" уковский, 1997г),

а XXII научных чтениях памяти С.П.Королева (Москва, 1998).

Эликации по теме диссертации

По материалам диссертации опубликованы 21 печатная работа, пущено 12 научно-технических отчетов ЦИАМ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения библиографии (120 наименований) и содержит 110 страниц машинописно текста и 47 рисунков.

Первая глава представляет собой обзор работ по математичес^ моделированию сверхзвукового горения водорода, а также [ интенсификации смешения и горения в сверхзвуковых потоках. Отмечает! дефицит эффективных быстрых методов, способных рассчитыва пространственные течения реагирующего газа в ГПВРД со сложной ударн волновой структурой. Также известна острота проблемы интенсификащ смешения в сверхзвуковом потоке. Среди предлагавшихся метод* воздействия на смешения отмечаются: прямое воздействие на струю помощью формы сопла, насадков или интерцепторов; воздействие скач! уплотнения; профилирование пилона для подачи водород обеспечивающего интенсивные вторичные перетекания; использоваж нестационарных эффектов и воздействий. Одна из целей настоящей работ - выяснение с помощью математического моделирования роли трехмернь эффектов, возникающих при газодинамическом взаимодействии стр; водорода с потоком воздуха, в процессе смешения.

Во второй главе описана математическая модель и метод расче-сверхзвуковых течений с горением в трехмерной постановке. Использует* система параболизованных уравнений Навье-Стокса д] многокомпонентной смеси газов. Эта система содержит все слагаемы присутствующие в уравнениях Эйлера и пограничного слоя. Поэтому 01 позволяет описывать области невязкого потока, слои смешения пристеночные пограничные слои. Из полной системы уравнений Навь Стокса отбрасываются слагаемые, связанные с дифференцированием I продольной координате X, т.е., отвечающие за диффузионный перен! вдоль этого направления. Такое приближение оправдано, посколь предполагается рассматривать главным образом спутную подачу топлива, качестве координаты X выбрано направление потока воздуха. Для удобст! реализации численного алгоритма на ЭВМ система уравнений записана дивергентном виде в декартовой системе координат. В правой час уравнений для концентраций компонент присутствуют источниковые члеь юк, - массовые скорости образования компонент в результате химичесю реакций. В случае нереагирующего течения сок=0. Для энтальпии компоне используется квадратичная аппроксимация, составленная на основе табл! В.П.Глушко. Уравнение сохранения энергии записано для полной энтальпи включающей энтальпию образования, поэтому не содержит источниковь слагаемых при наличии реакций. Турбулентные режимы течен! рассматриваются в квазиламинарной постановке. При этом молекулярнь коэффициенты переноса заменяются на эффективные. Так, вместо

омического коэффициента вязкости используется ц, = ц + р8, где е -ффициент турбулентной вязкости.

Система уравнений для осредненных параметров замыкается с лощью однопараметрической дифференциальной модели для ^булентной вязкости А.Н.Секундова:

:ГаиУ Г а. У „

эсь а - скорость звука, а под понимается + . Первые два

агаемых, стоящие в правой части, отвечают за диффузию величины е, а ;дующее слагаемое, пропорциональное поперечному градиенту щольной компоненты скорости, определяет генерацию турбулентной ¡кости в слое смешения.

Для описания течений с тепловыделением при горении в хертации используются модель бесконечно тонкого фронта пламени или цели неравновесной химической кинетики.

На первом этапе работы использовалась первая модель, 1В0ляющая оценить величину тепловыделения и сравнивать фективность разных схем подачи водорода. В рамках модели фронта змени (ФП) предполагается, что лимитирующим процессом является зшение горючего и окислителя, а скорости всех химических реакций ¡конечно велики. В каждой точке пространства окислитель и горючее не ■ут существовать одновременно. По одну сторону ФП содержится 1ород и нет окислителя, а по другую сторону ФП - только окислитель без 1орода. Реакция с образованием продуктов сгорания происходит ювенно на ФП. На ФП диффузионные потоки горючего и окислителя содятся в стехиометрическом соотношении. Продукты сгорания ^фундируют в обе стороны от ФП. В этом случае систему уравнений для эеноса компонент можно свести к единственному уравнению для щентрации пассивной примеси Т.

Для исследования влияния неравновесной химической кинетики на >актеристики горения в настоящее время в разработанном комплексе ¡грамм используются три модели кинетики: __

1омер Название Количество Число Азот

одели реагирующих компонент реакции

1 Duff 6 9 инертный

2 Dimitrov 8 30 инертный

3 Bowman & Miller 11 21 реагирующий

Полученная система уравнений в случае сверхзвуковой продольной шоненты скорости является Х-параболической. В этом случае 1ускается маршевый расчет от сечения к сечению вниз по потоку, обходимо отметить, что дозвуковые зоны, например пристеночные,

требуют специального рассмотрения, поэтому пограничные слои на стенка не учитывались.

Благодаря тому, что система уравнений записана в дивергентно виде, легко перейти к интегральной форме для расчетной ячейю Интегрирование происходит по сечениям Х=сопз1 от начального сечения, котором все параметры течения известны. Численная схема являете модификацией повышенного порядка типа "предиктор-корректор" схем Годунова-Колгана-Родионова для стационарных сверхзвуковых течени! Приращения параметров в середине ребра ячейки "старого" слс рассчитываются в соответствии с "принципом минимальных приращений предложенного Тилляевой для случая нерегулярных сеток. Параметры центре боковых граней находятся из решения автомодельной задачи взаимодействии двух равномерных сверхзвуковых потоков. Для вычислени производных по У и Ъ от компонент скорости, концентраций и турбулентно вязкости на гранях ячеек для вязких напряжений используются шесть точек центров граней.

Вычислив потоки через боковые грани ячейки и просуммировав их потоками через переднюю грань, получаем систему алгебраически уравнений для параметров на новом слое, которую необходимо решать ке на этапе предиктора, так и корректора. В случае нереагирующего течени получившаяся система не решается сразу, как в случае совершенного газа постоянной теплоемкостью, поскольку теплоемкость компонент зависит с температуры. Поэтому строится итерационный процесс, в котором на каждо итерации уточняется значение теплоемкости смеси.

В случае реагирующего течения и использования модел неравновесной химической кинетики процесс совместного решени газодинамической и концентрационной подсистем сложнее. В этом случа источниковый член в уравнениях для концентраций аппроксимируется п параметрам на новом слое (неявная схема Эйлера). Эта схема являете монотонной, но имеет первый порядок аппроксимации. Выражение для со записывается в линейном виде относительно ск:

юк=- Гк(с,,...,сК,р,Т)ск + Гкь(с1,...,ск,р,Т) • Можно показать, что коэффициент при ск всегда положительный, также как и В этом случае неявная схема Эйлера обеспечивает выполнение условия монотонности.

Тогда можно получить формулу для последовательного уточнения все концентраций методом Гаусса-Зейделя. Таким образом, к описанному выи процессу внешних итераций, в котором уточняются температура, плотност и другие величины, добавляются внутренние итерации для концентрацк компонент при заданной температуре и плотности. Этот алгоритг разработанный в ЦИАМ и хорошо зарекомендовавший себя в двумерно случае, был распространен автором на случай пространственных течений.

К особенностям разработанного метода следует отнести способ

строения сетки. Наряду с регулярными сетками в разработанном мплексе программ могут использоваться и адаптированные. Для еньшения схемных диссипативных эффектов вблизи границы струи может именяться выделение этой границы, то есть связывание сеточной линии с зделительной поверхностью тока в каждом сечении. Это позволяет елать очевидным задание полей параметров в начальном сечении и эдит к минимуму схемную вязкость в слое смешения. Более общей пяется разработанная методика автоматического построения сеток, аптированных к особенностям течения. Для адаптации сетки к зонам акций в течениях реагирующего газа предлагается использовать ехиометрическую функцию", зависящую от концентраций водорода и ;лорода, равную единице при стехиометрическом составе и нулю при иутствии горючего или окислителя. Для сгущения сетки к скачкам потнения, слоям смешения и струям в качестве функции F используется нейная комбинация стехиомерической функции, градиента числа Маха и -щентрации водорода. Для построения сетки используется метод ужинной аналогии. Он состоит в том, что каждая сеточная линия эдставляется в виде набора воображаемых пружин, жесткость каждой из х зависит от функции F. Затем вычисляется движение сеточных узлов, на кдый из которых действуют четыре пружины. При достижении положения вновесия узлы сетки сгущаются в областях градиентов параметров и нах со стехиометрическим составом. Такая процедура применяется на кдом маршевом шаге.

Третья глава содержит результаты расчетов смешения и горения зуй. В первом параграфе приводятся методические расчеты. Для оценки /тренней точности метода выполнены расчеты истечения плоской струи цорода в спутный сверхзвуковой поток воздуха в канале на равномерных щаптированных сетках от 20 до 160 ячеек. Сравнивалась длина задержки ;пламенения. Показано, что на более грубой сетке значение длины ^ержки воспламенения меньше, чем на мелкой, а на адаптированной ньше зависит от числа ячеек и находится ближе к значению, гграполированному на нулевой шаг сетки. Для достижения такой же 1ности на равномерной сетке необходимо использовать примерно в 1.5 за больше ячеек по каждому направлению.

Во втором параграфе исследуется влияние параметров на эффект ¡реворачивания" эллиптических струй с отношением полуосей 2:1 с ;лом Маха 3. Ранее этот эффект был продемонстрирован для "опленных струй с большой нерасчетностью [Численное решение эгомерных задач газовой динамики // Годунов С.К., Забродин A.B., Иванов М.Я., зйко А Н., Прокопов Г.П. М., Наука, 1976]. В диссертации проведена серия счетов истечения струй в сверхзвуковой спутный поток с числом Маха 1.8. казано, что эффект "переворачивания" ослабляется при уменьшении эасчетности струи с 10 до 3. Эффект также ослабляется при увеличении ;ла Маха спутного потока до 2.5.

В следующем параграфе приводятся центральные результать диссертации - исследование интенсификации смешения с помощьн эллиптических сопел для подачи водорода. Анализируется влияни* геометрических факторов на эффект интенсификации смешения Выбранный режим и параметры воздуха (с индексом а) на входе в К( примерно соответствуют полетному числу Маха Мп=10: Ма=3.5, Та=1250°К Ра=0.7 бар. Длина КС - 2.5м, диаметр круглых струй в базовом варианте 8мм (рис.1). Показано, что можно достичь сокращения длины смешения два раза по сравнению со случаем осесимметричных сопел. Для этого сопл' должно обеспечивать необходимое разделение струй, т.е. быт спрофилированным определённым образом. Горло сопла выбираете: круглым, а выходное сечение - эллиптическим с отношением осей 2:1 Сверхзвуковая часть имеет прямолинейную образующую поверхности. Дл: достижения разделения вытекающей струи в потоке на две части (рис.2 угол расширения сверхзвуковой части в плоскости большей оси долже быть достаточно большим - для рассмотренных параметров потока воздух (М=3.5) - 49°. Так, при угле расширения от 0° (равномерная струя, рис.3) д 30° разделения струй не происходит. Вытянутость выходного сечения сопл обеспечивает расширение струи преимущественно в выбранног направлении (рис.4). В результате взаимодействия неравномерной стру водорода с потоком воздуха за срезом сопла образуются поперечны перетекания с продольной компонентой завихренности (рис.5), приводящи к разделению струй при достаточно большом угле расширения. Это эффект качественно подтвержден на стенде филиала ЦИАМ группо А.Прохорова и В.Александрова как для затопленной струи, так и дл горения спутной струи в сверхзвуковом потоке (рис.6).

Применяя полученный эффект для пилонной системы спутно подачи водорода в КС ГПВРД, представляется наиболее выгодным подат водород через эллиптические сопла так, чтобы каждая струя разделилас на две части, а получившиеся струи равномерно заполнили поток воздухе т.е. отстояли друг от друга на одинаковом расстоянии как по гopизoнтaл^ так и по вертикали. Для этого необходимо, чтобы распределени водородных сопел по сечению соответствовало элементарному каналу отношением сторон около 2:1, т.е. расстояние между соплами на пилон было вдвое меньше расстояния между пилонами. А равномерно заполнение сечения разделившимися частями струй обеспечиваете подобранным углом расширения сверхзвуковой части сопел. Различны варианты подачи водорода через круглые и эллиптические сопл рассчитываются с учетом неравновесных химических реакций в рамка модели Димитрова. Их эффективность сравнивается по коэффициента полноты сгорания г-11 и смешения г)2. Первый определяется очевидны образом по фактически выделившейся энергии к данному сечению, а второ - по энергии, которая может выделиться в данном сечении в соответствии локальными концентрациями горючего и окислителя при протекании до

ща одной глобальной реакции. Обе величины относятся к максимальной эргии при полном смешении компонент. При подаче водорода через пиптические сопла величина полноты смешения г|2 достигала единицы на ходе КС (рис.7). Потери импульса водорода в сопле по сравнению с номерным изэнтропическим расширением составили 3.3% или 0.13% от пульса всего потока, т.е. невелики.

В четвертой главе рассматривается, какое влияние оказывает следованный способ интенсификации смешения на горение, оценивается няние неравновесной химической кинетики на характеристики КС и следуется вопрос профилирования КС с учетом химических реакций и геграции с соплом. Как уже упоминалось, в диссертации для делирования процесса горения использовались модель диффузионного юнта пламени и модели неравновесной химической кинетики, описанные второй главе.

В первом параграфе анализируется эффективность горения для эиантов из предыдущей главы с круглыми и эллиптическими соплами с ^влечением модели диффузионного фронта пламени и кинетической дели Димитрова. Показано, что:

а) модель фронта пламени завышает уровень температуры в зоне >ения и полноту сгорания по сравнению с моделью кинетики. Тем не нее она позволяет оценивать эффективность смешения и сравнивать зные варианты с этой точки зрения

б) интенсификация смешения приводит и к интенсификации горения

в) даже при высокой эффективности смешения согласно модели штики не удается достичь высокой полноты энерговыделения из-за зсоциации в потоке.

Для получения более полной информации о происходящем горении >ме полнот смешения и горения, вводятся дополнительные интегральные тичины и их комбинации. Для этого построена процедура расчета стояния химического равновесия в ячейке при заданных начальных эмодинамических параметрах смеси и сохранении объёма и полной зргии. При применении этой процедуры в выбранных сечениях к еющимся полям параметров при расчете или после расчета оеделяется "равновесная" энергия, которая выделилась бы, если довести есь в каждой ячейке до состояния равновесия. Тогда можно ввести ещё э величины:

- "качество равновесия" - определяется в соответствии с локальными щентрациями отношением энергии которая соответствует равновесию в кдой точке сечения, к энергии, которая могла бы реализоваться в случае ной прямой глобальной реакции, дошедшей до конца.

- степень равновесности, которая определяется отношением выделенной эргии к равновесной. В случае равновесного протекания реакций гц =1. !Жно представить полноту сгорания в виде произведения полноты ешения, качества равновесия и степени равновесности:

П1= Л2 ("ПзЛ4>.

Произведение в скобках определяет эффективность протекания химически реакций.

На рис.8 показана зависимость качества равновесия смеси водород воздух от температуры при разных давлениях и коэффициенте избытк воздуха ос=0.9, рассчитанное по модели Димитрова. В качестве пример рассчитано горение в КС длиной 2.5м для выбранного ранее режиме Показано, что на выходе из КС полнота смешения г|2 и степей равновесности гц достигают единицы, а полнота сгорания г^, составляюща 0.71, определяется "качеством равновесия" г|3. Для уменьшения эффект диссоциации предлагается снижать температуру потока, расширя выходной участок КС. Расширение происходило ме>ццу сечениями 1.5м 2.5м. Расчеты проведенные при увеличении степени расширения п площади Б выходного участка КС с 1.0 до 3.5 показали, что при Р=3. можно повысить полноту сгорания на выходе из КС на 14% (рис.9) п сравнению с Б=1. При этом полнота смешения уменьшается, поскольк расширение начинается до достижения единицы кривой смешения. Кром того, 5% энергии теряется на неравновесность.

Для сравнительной оценки эффективности разных КС проведен! расчеты течения до выхода из сопла ГПВРД. Степень расширения сопла о сечения Х=250см выбрана равной 19. При угле расширения 30° длина сопл составила 12.5м. При изменении профиля КС сохранялась площад выходного сечения сопла и общая длина КС и сопла. Сравниваете величина суммарной продольной силы, действующей на КС и соплс которая для краткости в диссертации называется тягой. Оказалось, чт максимальный выигрыш по тяге в 0.05% достигается при степен расширения КС, равной Б=1.2, а при дальнейшем увеличении расширени тяга падает и проигрыш составляет 0.46% при Б=3.5. Сплошная кривая н рис.10 показывает, что потери на неравновесность, составляющие около 5 возникают при слишком быстром расширении КС и не восстанавливаются сопле. При снятии ограничения на длину КС, сохранении суммарной длин! КС и сопла и при Б=3.5 можно достичь выигрыша тяги 0.28% и полнот! сгорания 18% при длине КС 9м. В этом случае расширение и рекомбинаци происходят практически равновесно, как показывает штриховая кривая н рис.10.

Проанализировано и влияние неполного смешения на тяговы характеристики ГПВРД. Так, в базовом варианте из главы 3 с подаче водорода через круглые сопла полнота смешения на выходе КС составляе 0.88 (потери 12%), а тяга КС и сопла на 3% ниже, чем при подаче чере эллиптические сопла. То есть, прирост тяги на каждый дополнительны процент выделившейся энергии при интенсификации смешения больше, че при изменении длины КС.

Представленные примеры показывают, что при проектировании КС

достаточно опираться только на интенсификацию смешения и полноту эрания на выходе КС. Необходимо также учитывать неравновесные оцессы, а при выборе геометрии проточного тракта ГПВРД необходимо осматривать камеру сгорания совместно с соплом.

Выводы

Разработаны математическая модель, эффективный метод расчета и комплекс программ для моделирования сверхзвуковых многокомпонентных струйных течений в пространственной постановке с учетом неравновесных химических реакций в водородо-воздушной смеси. Разработанный метод и комплекс программ позволяют моделировать течения в камерах сгорания ГПВРД, в частности при тангенциальной подаче водорода, и оценивать их характеристики.

Проведённые исследования подачи водорода с пилонов показали путь построения системы подачи, обеспечивающей высокую эффективность смешения и горения с помощью использования эллиптических сопел и эффекта разделения струй на две части. Для этого необходимо, чтобы расстояние между соплами на пилоне было вдвое меньше расстояния между пилонами, а сопла имели достаточный угол расширения и обеспечивали необходимое разделение струй. При взаимодействии струй и потока воздуха образуются поперечные перетекания с продольной компонентой завихренности. Спроектированная таким образом система подачи с эллиптическими соплами обеспечивает вдвое меньшую длину смешения, чем при равномерном заполнении сечения камеры сгорания струями водорода и таком же количестве пилонов с осесимметричными соплами и такую же эффективность, как камера сгорания с вдвое большим числом пилонов и осесимметричных струй. Показано, что интенсификация смешения приводит и к интенсификации горения, но даже при высокой эффективности смешения не достигаются столь же высокие уровни полноты энерговыделения из-за эффектов диссоциации. Для увеличения снимаемой в КС энергии предлагается расширять выходной участок КС и использовать энергию, выделяемую при рекомбинации. В приведённом примере это позволило увеличить полноту сгорания на 14% для модельной КС с длиной 2.5м. Представленные примеры расчетов убеждают в необходимости рассмотрения КС совместно с соплом ГПВРД. Показано, что это дополнительное выделение энергии в КС может не приводить к росту тяги ГПВРД, а наоборот, может её уменьшить из-за потерь на неравновесность. При совместном профилировании камеры сгорания и сопла удается добиться выигрыша по тяге за счет более равновесного расширения. Поэтому при выборе геометрии и оптимизации проточного тракта ГПВРД необходимо рассматривать КС не отдельно, а совместно с соплом.

Основные результаты диссертации изложены в следующих научны

публикациях:

1. "Математическое моделирование турбулентного смешени; сверхзвуковых пространственных потоков". Копченов В.И., Ломков К.Э. > Всесоюзная школа-семинар "Современные проблемы механик! жидкости и газа". Тезисы докладов, Иркутск, август 1990.

2. "Численное моделирование и интенсификация смешения i пространственных турбулентных струях". Копченов В.И., Ломков К.Э. Х^ Всесоюзный семинар по газовым струям, тезисы докладов. Ленинград сентябрь 1990.

3. "Математическое моделирование смешения и горения в сверхзвуковог потоке". Ломков К.Э., Копченов В.И. Ежегодная научная школа-семина| ЦАГИ "Механика жидкости и газа» 25 февраля -1 марта 1992г., "Методе исследования гиперзвуковых летательных аппаратов", сборни докладов, часть 3, ЦАГИ, 1994.

4. Kopchenov V.I., Lomkov К.Е. "The enhancement of the mixing am combustion processes applied to scramjet engine", AIAA paper, № 92-3426 1992.

5. V.Kopchenov, K.Lomkov, L.Miller, V.Krjukov, I.Rulev, V.Vinogradov V.Stepanov, N.Zacharov, R.Taguirov, M.Aukin. "SCRAMJET CFI METHODS AND ANALYSIS" Part 1. SCRAMJET CFD METHODS. Part 2 SCRAMJET CFD ANALYSIS by V.Kopchenov, K.Lomkov, S.Zaitsev I.Borisov. AGARD LECTURE SERIES 194. Research and Development с Ram/Scramjets and Turbojets in Russia. 1993.

6. Копченов В.И., Ломков К.Э. "Математическое моделировани интенсификации процессов смешения и горения применительно камере сгорания ГПВРД", Труды XVIII Научных чтений по космонавтике посвященных памяти выдающихся ученых - пионеров освоени космического пространства (Москва, 24-28 января 1994 г.), Москве Фазис, 1994, с.49-51.

7. Копченов В.И., Гуськов О.В., Ломков К.Э., Безгин Л.В., Ганжело A.h "Численное моделирование сверхзвукового смешения и горени применительно к ГПВРД". Международный Аэрокосмический Конгресс Москва, 1994.

8. L.Bezgin, A.Ganzhelo, O.Gouskov, V.Kopchenov, I.Laskin, K.Lomko\ Numerical Simulation of Supersonic Flows Applied to Scramjet Duct. ISABI 95-7082, 1995, p.895-905.

9. В.И.Копченов, К.Э.Ломков. "Численное исследование интенсификаци сверхзвукового горения и профилирование камеры сгорания ГПВРД учетом неравновесных эффектов в трехмерной постановке". Журна "Аэродинамика больших скоростей". 1997 Т1, №1, с.43-52.

К.Э. Ломков. "К вопросу об интенсификации сверхзвукового смешения и горения в камере сгорания ГПВРД с помощью пространственных эффектов." Журнал "Аэродинамика больших скоростей". 1997, Т1, №3 (в печати).

с.1 Базовый вариант - круглое сопло в квадратном элементарном нале. Концентрация водорода.

Рис.2. Угол раскрытия эллиптических сопел 2а=49°. Концентрация водорода. Достигается разделение струй на две части.

Рис.3 Два эллиптических сопла с равномерным потоком на выходе. Концентрация водорода. Разделения струй не происходит.

File: b.elnoz 14/ Э'1997 9:31:55 SECT. VELOCITY X= 5.65 14» 18

тверть сечения.

SECT. VELOC1T» > = 2.00 20» 35

.2 .6 .s i.c 1.2 i.-J l.s i.a 2.:

ю.5 Поле поперечных скоростей в канале вблизи сечения выдува струи из липтического сопла.

!

Ю.6. Свечение радикалов ОН на выходе КС. Эксперимент НИЦ ЦИАМ, пользовано эллиптическое сопло.

Рис.7 Полнота смешения для разных способов подачи водорода

Рис.8 Качество равновесия смеси водород-воздух с а=0.9 (в процентах). Кривые 1 ...6 - Р=0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9 и 1.1 бар.

1.00

0.90

г|1 - полнота сгорания г|3 - качество равновесия г|4 - степень равновесности

0.80

0.70

эис. 9 Зависимость полноты сгорания на выходе от степени расширения

выходного участка КС

1.00

0.95

0.90

200 300

Х(ст)

Рис.10 Степень равновесности гц при Р=3.5 и длине КС 2.5м и Юм.

./А /

г . ; « г - / V

;; / I

ГНЦ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННОГО МОТОРОСТРОЕНИЯ

им. П.И. БАРАНОВА"

на правах рукописи

Ломков Константин Электронович

УДК 621.452.226.034.022.7

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

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-

математических наук

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Копченов В.И.

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..............................................................................................................4

1. ГЛАВА 1 ОБЗОР ПО СВЕРХЗВУКОВОМУ ГОРЕНИЮ И ЕГО ИНТЕНСИФИКАЦИИ....................................................................................12

1.1 Математическое моделирование сверхзвукового горения водорода12

1.2 Интенсификация смешения и горения сверхзвуковых потоков ..... 17

2. ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И МЕТОД РАСЧЕТА...31

2.10 выборе математической модели.......................................................31

2.2 Система уравнений.................................................................................32

2.3 Модели горения.......................................................................................35

2.3.1 Модель фронта пламени................................'....................................35

2.3.2 Модели неравновесной химической кинетики...................................38

2.4 Численная схема и метод расчета.......................................................39

2.4.1 Автомодельная задача о взаимодействии двух равномерных сверхзвуковых потоков................................................................................45

2.4.2 Вычисление производных на гранях для вязких напряжений............50

2.4.3 Нахождение параметров на новом слое из интегральных законов сохранения....................................................................................................50

2.5 Построение сетки....................................................................................56

2.5.1 Регулярные (прямоугольные) сетки...................................................56

2.5.2 Сетки, адаптированные к разделительной поверхности тока......57

2.5.3 Построение сеток, адаптированных к решению.............................59

3. ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ СМЕШЕНИЯ И ГОРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ЭФФЕКТОВ.......62

3.1 Методические расчеты...........................................................................62

3.2 Исследование эффекта "переворачивания" струй.............................64

3.3 Приближение элементарного канала для исследования процессов

смешения и горения в КС ГПВРД...............................................................66

3.4 Интенсификация смешения..................................................................68

4. ГЛАВА 4 ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК КАМЕР СГОРАНИЯ ГПВРД, РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОФИЛИРОВАНИЮ КАНАЛА.......80

4.1 Применение интенсификации горения в камерах сгорания ГПВРД и оценка влияния химической кинетики на характеристики камер сгорания.........................................................................................................80

4.2 О профилировании КС с учетом химических процессов с целью улучшения ее характеристик......................................................................87

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................97

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................99

Рисунки к главе 2..........................................................................................111

Рисунки к главе 3..........................................................................................116

Рисунки к главе 4..........................................................................................131

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 ГПВРД 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 ГПВРД 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.

На разных режимах полета на передний план могут выходить те, или другие требования. По-видимому, можно говорить о двух режимах горения при сверхзвуковом потоке на входе в камеру сгорания. При сравнительно небольших сверхзвуковых числах Маха на входе в камеру процесс горения реализуется, в основном, при дозвуковой скорости в канале. Последнее обусловлено формированием системы волн так называемого псевдоскачка вследствие тепло-массоподвода, реализующегося при горении. Существенную роль в организации режима течения играют также эффекты, вызванные взаимодействием системы скачков уплотнения с пограничным слоем. В результате реализуется режим горения с образованием обширных дозвуковых зон и областей возвратного течения. Кроме того, в зоне псевдоскачка наблюдаются интенсивные пульсации параметров, что способствует интенсификации перемешивания и горения. Следует отметить, что в большинстве случаев в стендовых условиях реализуется, по-видимому, именно такой режим, отвечающий полетным числам Маха от 6 до 8. При этом необходимо обеспечивать самовоспламенение топлива и стабилизацию горения а также исключить тепловое запирание камеры.

При больших полетных числах Маха горение будет происходить в сверхзвуковом потоке, когда скорость остается сверхзвуковой везде, включая зону горения. Исключение составляют пристеночные пограничные слои. Моделирование таких режимов в стендовых условиях затруднительно. Однако именно эти режимы представляется возможным проанализировать с использованием математических моделей в первую очередь. Режимы с большими скоростями полета (Мп=14 и выше) имеют свои особенности. Во-первых, из-за больших абсолютных скоростей потока уменьшается время пребывания в КС и отношение скоростей водорода и воздуха может быть близким к единице, что ухудшает смешение. Во-вторых, из-за высоких уровней статических и полных температур острее стоят проблемы охлаждения стенок камеры и системы подачи. Кроме того, при таких

температурах невозможно подвести к потоку всю энергию, заключенную в топливе из-за эффектов диссоциации и смещения равновесия от продуктов сгорания в сторону исходных реагентов. В-третьих, подводимая энергия мала по сравнению с кинетической энергией потока, поэтому возрастает влияние потерь импульса на тяговые характеристики двигателя. Важное значение может иметь собственный импульс водорода, подогретого в системе охлаждения и инжектируемого в КС. Поэтому необходимо возможно более полно его использовать. На промежуточных режимах (Мп=10-12) перечисленные проблемы стоят менее остро, и эффективность КС в основном определяется смешением и горением.

Необходимо отметить чрезвычайно сложный существенно трехмерный характер течения в КС ГПВРД а также взаимосвязанность газодинамических процессов и физико-химических превращений. Таким образом, моделирование процессов в камере сгорания является очень сложной задачей. Возможности наземных экспериментальных исследований весьма ограничены. Главная сложность при этом - обеспечение высоких полных параметров потока - температуры и давления при больших расходах. При том, что основной диапазон работы ГПВРД располагается в районе чисел Мп>10 со сверхзвуковым горением, максимально достижимые параметры в наземном эксперименте соответствуют полетным числам Маха до 8, в отдельных случаях на импульсных установках - до 10. Более высоких параметров можно достичь только в летном эксперименте, очевидными недостатками которого по сравнению с наземным экспериментом являются ограниченные возможности измерения параметров, малое количество пусков, трудоемкость и высокая стоимость. Поэтому огромное значение имеет моделирование процессов применительно к камерам сгорания с помощью численных методов.

Таким образом, актуальность проблемы определяется острой потребностью в математической модели тракта ГПВРД, в частности КС, способной описывать происходящие там сложные газодинамические и физико-химические процессы с учетом смешения и горения, в то же время не предъявляя чрезмерно высоких требований к ресурсам ЭВМ.

Основные цели настоящей работы заключались:

в создании эффективного численного метода расчета течений в КС ГПВРД в пространственной постановке с учетом смешения, горения и реальных свойств газа, пригодных для расчета пространственных течений в тракте СУ гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА) и оценки характеристик КС ГПВРД;

в исследовании возможностей интенсификации смешения и горения с использованием пространственных эффектов, обусловленных взаимодействием потоков горючего и окислителя в широком диапазоне режимов полета и параметров на входе в КС.

в выработке рекомендаций по проектированию камер сгорания и тракта ГПВРД на основе анализа исследованных эффектов.

Научная новизна и практическая ценность работы заключаются в следующем:

На основе обобщения схемы С.К.Годунова для стационарных течений на случай многокомпонентной среды разработан численный метод повышенного порядка точности для решения пространственных задач сверхзвукового смешения и горения в приближении диффузионного фронта пламени, а также с учетом неравновесных химических реакций в рамках параболизованной системы уравнений Навье-Стокса с использованием дифференциальной модели турбулентности.

Разработан алгоритм и комплекс программ для расчета смешения и горения сверхзвуковых струй применительно к камере сгорания ГПВРД. Предложенный метод обладает высокой эффективностью и позволяет рассчитывать сложные пространственные турбулентные течения с интенсивными скачками уплотнения, тепловыделением с учетом реальных свойств газа, представляющие серьезные затруднения для других методов.

Проведены расчеты истечения нерасчетных струй эллиптической формы в с путный поток. Продемонстрирован эффект переориентации осей или "переворачивания" и влияние на него нерасчетности струи и числа Маха спутного потока.

Исследованы способы интенсификации смешения, связанные с управлением струей водорода. Обнаружен эффект и объяснен механизм интенсификации смешения, связанный с разделением струи на две части, основанный на использовании эллиптических сопел для подачи водорода с большими углами раскрытия сверхзвуковой части.

Проведенные расчеты для камеры сгорания с учетом горения водорода показали, что при использовании таких эллиптических сопел длина выгорания по сравнению с осесимметричными соплами может сокращаться в 2 раза. На основании исследованного эффекта выработаны рекомендации по конструктивным параметрам пилонного устройства подачи, обеспечивающего высокую эффективность смешения и горения. Полученные результаты о возможности значительной интенсификации смешения и горения позволяют значительно сократить длину КС. Разработаны рекомендации о выборе таких конструктивных параметров КС, как количество сопел для подачи водорода в пилонах, их размер, расстояние между ними а также степень расширения и форма сверхзвуковой части сопел. Эти рекомендации могут использоваться на этапе проектирования системы инжекции камеры сгорания.

Введены характеристики, составляющие общую энергетическую эффективность процесса в КС - эффективность смешения и неравновесных химических процессов. Кроме того, предложено представить химическую эффективность как произведение степени равновесности и качества равновесия. Это позволило проанализировать возможное влияние профилирования КС на отдельные составляющие и на суммарную энергетическую эффективность КС.

Эффективность метода расчета увеличена применением процедуры автоматического адаптирования расчетной сетки к особенностям течения на основе "пружинной аналогии". Эта технология обычно применяется в методе установления несколько раз в процессе итераций. В данной работе применяется на каждом расчетном шаге.

Разработанный метод может быть использован для расчета широкого круга течений со смешением и горением спутных сверхзвуковых струй, в том числе при наличии сильных разрывов, и может быть использован для исследования других способов подачи топлива, не рассмотренных в данной работе.

Апробация работы

Разработанный комплекс программ использовался в ЦИАМ при разработке технических предложений по гиперзвуковым СУ, перспективным JIA, летающей лаборатории "ИГЛА", в ТМКБ "СОЮЗ" при разработке камеры сгорания ГПВРД, при выполнении программы "Орёл" для Российского Космического Агентства, при выполнении работ по контрактам с зарубежными фирмами, в частности с Aerospatiale (Франция). Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

- на 5-й Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Иркутск, 1990),

- на советско-американском семинаре "Влияние эффектов тепловыделения при горении на турбулентное смешение (Новосибирск,!990),

- 15-м Всесоюзном семинаре по газовым струям (Ленинград, 1990),

- 13-м Международном конгрессе по вычислительной и прикладной механике (Дублин, 1991),

- на международном семинаре ЦАГИ "Механика жидкости, газа и плазмы" (Володарский, 1992),

на международном семинаре "Физика ударных волн и высокотемпературных течений". (Минск 1992),

- на 28 конференции AIAA (Nashville, 1992).

- на XVIII научных чтениях памяти С.П.Королева (Москва, 1994),

- на международном Аэрокосмическом конгрессе (Москва, 1994).

- на XIX научных чтениях памяти С.П.Королева (Москва, 1995),

- на 12-м международном симпозиуме по ВРД (Мельбурн, 1995),

- на XX научных чтениях памяти С.П.Королева (Москва, 1996),

- на международной конференции "Авиационные технологии 2000" (Жуковский, 1997),

- на XXII научных чтениях памяти С.П.Королева (Москва, 1998). Публикации по теме диссертации

По материалам диссертации опубликовано 21 печатных работ, выпущено 12 научно-технических отчетов ЦИАМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения.

Первая глава представляет собой обзор работ по математическому моделированию сверхзвукового горения водорода, а также по интенсификации смешения и горения в сверхзвуковых потоках.

Во второй главе описана математическая модель, численная схема и метод расчета сверхзвуковых течений с горением в трехмерной постановке.

Третья глава содержит результаты расчетов смешения струй и является центральной частью работы. В начале главы приводятся методические расчеты смешения и горения струй, исследуется эффект "переворачивания" нерасчетной эллиптической струи. Но главным является исследование интенсификации смешения с помощью эллиптических сопел для подачи водорода. Анализируется влияние геометрических факторов на эффект интенсификации смешения. Показаны преимущества использования эллиптических сопел по сравнению со случаем осесимметричных сопел.

В четвертой главе рассматривается, как исследованный способ интенсификации смешения влияет на горение, оценивается влияние неравновесной химической кинетики на характеристики КС, а также исследуется вопрос профилирования КС с учетом химических реакций и интеграции с соплом.

Библиография содержит 120 работ.

1. Глава 1 Обзор по сверхзвуковому горению и его интенсификации

1.1 Математическое моделирование сверхзвукового горения водорода

Прежде чем переходить к обзору работ по математическому моделированию сверхзвукового горения, необходимо отметить, что экспериментальные и теоретические исследования в этой области велись с 60-х - 70-х годов как за рубежом, так и в нашей стране, в том числе в ЦИАМ, ЦАГИ, МАИ, ИТПМ СО АН, НИИ Механики МГУ. Теоретические основы работы ГПВРД были даны еще в 50-х годах Е.С.Щетинковым [2]. Среди ранних работ, выполненных в ЦИАМ, можно отметить экспериментальные исследования воспламенения водорода при додаче со стенок в сверхзвуковой поток воздуха с М=3.5 [3]. Исследовалась также стабилизация горения с �