Экспериментальные и расчётные исследования условий появления нетипичного отрыва потока в соплах и потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

005000769

На правах рукописи

Пономарев Александр Александрович

Экспериментальные и расчётные исследования условий появления нетипичного отрыва потока в соплах и потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания

Специальность: 01,02.05 Механика жидкости, газа и плазмы

1 7 НОЯ 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005000769

На правах рукописи

Пономарев Александр Александрович

Экспериментальные и расчётные исследования условий появления нетипичного отрыва потока в соплах и потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания

Специальность: 01.02.05 Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский физико-технический институт (государственный университет)».

Научный руководитель: доктор технических наук

Сидлеров Дмитрий Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Стернин Леонид Евгеньевич

кандидат технических наук Весноватов Анатолий Григорьевич

Ведущая организация: ОАО «Конструкторское бюро

химавтоматики» (г. Воронеж)

Защита состоится «18» ноября 2011 г. в AZ часов в ауд._на заседании

диссертационного совета Д212.125.14 при ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» по адресу: 125993, Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)».

Автореферат разослан «_»_

2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент

В.Ю. Гидаспов

Общая характеристика работы

Предлагаемая диссертация посвящена исследованию течений газа в сверхзвуковых соплах при наличии неравномерного распределения состава газа и других параметров в поперечном сечении потока. Кроме того, всесторонне исследуется малоизученный на настоящий момент нетипичный отрыв потока газа в сопле в условиях сильного перерасширения.

Актуальность работы заключается в необходимости экспериментального подтверждения влияния неоднородности состава продуктов сгорания в поперечных сечениях камеры ЖРД на характеристики течения потока продуктов сгорания в сопле и, соответственно, на удельный импульс тяги ЖРД. Необходимо экспериментально подтвердить существование потерь удельного импульса тяги, связанных с наличием неоднородностей состава продуктов сгорания, и определить величину этих потерь. Экспериментальное изучение процессов, определяющих данные потери важно, поскольку с его помощью можно повысить точность прогнозирования удельного импульса тяги, соответственно, повысить удельный импульс тяги за счёт более обоснованной оптимизации смесительной головки, камеры сгорания и сопла ЖРД.

В связи с тем, что развитие современных ЖРД верхних ступеней ракет и разгонных блоков сопровождается постоянным увеличением степени расширения их сопел с целью повышения их удельного импульса тяги, а также для этой же цели разрабатываются различные способы повышения степени расширения сопел ЖРД вторых ступеней ракет, работающих с места старта, во время наземных испытаний, запуска и работы ЖРД с такими соплами повышается вероятность нетипичного отрыва потока продуктов сгорания от стенки сопла. Следовательно, актуальна разработка методики прогнозирования возникновения такого отрывного течения и, соответственно, способов его предотвращения.

Целью работы является: 1) построение методики организации модельного эксперимента для высокоточного измерения потерь удельного импульса тяги из-за мелкомасштабных и крупномасштабных неоднородностей состава продуктов сгорания; 2) разработка полуэмпирической методики определения потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания на основе рассмотрения картины распыла компонентов топлива смесительными элементами смесительной головки; 3) управляемое воспроизведение нетипичного отрыва потока в сопле большой степени расширения; 4) комплексное изучение картины течения и свойств нетипичного отрыва потока в сопле; 5) дополнение существующей теории отрывных течений в соплах с целью расширения области ее применения.

Методы исследований

В работе применены комплексные расчетно-экспериментальные методы исследования процессов в ЖРД.

Для экспериментального определения потерь удельного импульса тяги из-за мелкомасштабной неоднородности состава продуктов сгорания в поперечных сечениях камеры использовалась дифференциальная схема проведения эксперимента, т.е. измерялась разность тяг двух модельных камер, а также специально разработанный алгоритм обработки полученных экспериментальных данных. Свойства нетипичного отрыва потока исследовались с помощью измерения распределения статического давления вдоль стенки сопла с пристыкованным к нему сужающимся коническим насадком, величины и корреляции пульсаций статического давления в разных точках стенки сопла.

С помощью известных соотношений для характеристик распыла компонентов топлива смесительными элементами смесительной головки камеры сгорания ЖРД расчетно строилось распределение соотношения компонентов в поперечном сечении камеры сгорания, а затем определялся удельный пустотный импульс. полученного неоднородного потока продуктов сгорания путем взятия двумерного интеграла по поверхности, представляющей собой поперечное сечение камеры сгорания. Для выработки критериев возникновения того или иного типа отрыва использовался программный комплекс, позволяющий рассчитывать в расширяющейся части сопла двумерное (осесимметричное) сверхзвуковое течение идеального газа с постоянным показателем изоэнтропы.

Научная новизна работы:

1) впервые в специально организованных экспериментах доказано существование потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания и определена их возможная величина, тем самым впервые количественно описано влияние неравномерного распределения параметров газа в поперечном сечении камеры сгорания на характеристики течения газа в сопле;

2) разработана расчетная полуэмпирическая методика определения потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания, основанная на математическом моделировании течения смеси реагирующих газов в канале переменного сечения с привлечением экспериментальных данных для восстановления картины распыливания и перемешивания компонентов топлива смесительными элементами смесительной головки камеры сгорания модельного ЖРД;

3) создана экспериментальная модель, позволяющая воспроизводить нетипичный отрыв потока в сопле и исследовать его свойства;

4) впервые измерены пульсационные характеристики потока при его нетипичном отрыве от стенок сопла;

5) предложено использование потока импульса газа в качестве параметра, определяющего тип отрывного течения.

Практическая ценность работы

Экспериментальное доказательство существования и величины потерь удельного импульса тяги ЖРД из-за мелкомасштабной и

крупномасштабной неоднородностей состава продуктов сгорания обосновывает отраслевую методику определения удельного импульса тяги ЖРД в части определения этих потерь, позволяет уточнить метод определения этих потерь и, соответственно, оптимизировать конструкцию и параметры смесительной головки и её смесительных элементов совместно с системой завесного охлаждения стенок камеры сгорания и сопла с целью повышения удельного импульса тяги и надёжности ЖРД.

Экспериментально показано, что в соплах больших степеней расширения, в том числе спрофилированных методом характеристик, на определенных режимах работы возможно возникновение нетипичного отрывного течения. Экспериментально показано, что при нетипичном отрыве потока действующие на сопло нестационарные боковые нагрузки выше, чем при типичном отрыве потока, а конвективные тепловые потоки в стенку сопла в зоне отрыва потока в несколько раз выше, чем при типичном отрыве, что может приводить к разрушению камеры. Разработанная теория, описывающая отрывные течения, позволяет прогнозировать возникновение нетипичного отрыва и давать рекомендации по проведению наземных испытаний ЖРД и их камер с высотными соплами, разработке устройств для таких испытаний, а также профилированию сопел для ЖРД вторых ступеней ракет, начинающих работать с места старта.

Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивается тщательным планированием эксперимента и качественным экспериментальным оборудованием, аттестованным Ростестом. Достоверность разработанных в диссертации расчетных методик подтверждена сравнением их результатов с экспериментальными данными, полученными в настоящей работе и в работах других авторов.

На защиту выносятся:

1) методика организации модельных экспериментов для высокоточного измерения потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания;

2) расчетная полуэмпирическая методика определения потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания на основе рассмотрения картины распыла компонентов топлива смесительными элементами смесительной головки;

3) экспериментальная модель, позволяющая управляемо воспроизводить нетипичный отрыв потока в сопле;

4) структура течения при нетипичном отрыве потока в сопле, его пульсационные характеристики;

5) критерий возникновения отрывного течения в сопле.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на XLVIII научной конференции МФТИ в 2006 г., научно-технической конференции -конкурсе научных работ молодых ученых, приуроченной к 75-летиему юбилею ФГУП «Центр Келдыша» в 2008 г., на конференции «45th Joint

Propulsion Conférence and Exhibit» (Денвер, Колорадо, США) в 2009 г., на XVI Международном Симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» в 2010 г., Международной научной школе для молодых ученых и преподавателей «Прикладные математика и физика» (школа ПМФ) в МФТИ в 2011 г.

Публикации

Работа содержит результаты, полученные в период с 2004 г. по 2010 г. и опубликованные в 5 статьях и 8 научно-технических отчётах.

Объём работы

Диссертация состоит из списка условных обозначений, введения, 2 глав, выводов, списка использованных источников из 73 наименований, изложенных на 149 страницах, 45 иллюстраций, 4 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой задачи, определены цели работы, методы достижения этих целей, а также показана практическая значимость получаемых результатов.

Первая глава посвящена исследованию влияния неоднородностей состава продуктов сгорания и других параметров потока в его поперечном сечении на интегральные характеристики, в частности, на удельный импульс тяги (УИТ).

Из обзора литературы, приведенного в первой главе, следует, что определять реальный УИТ принято путем вычитания из идеального (термодинамического) УИТ суммарных потерь, которые учитывают неидеальность протекания различных процессов. Выделяются потери УИТ из-за рассеяния, трения, химиической неравновесности, двуфазности. Кроме того, ввиду наличия в камере сгорания высоких значений давления и температуры, скорость химических реакций существенно выше характерных скоростей протекания газодинамических процессов (диффузии, перемешивания и т.д.). Следовательно, химическое взаимодействие компонентов топлива происходит при местном соотношении компонентов, которое определяется смесительной головкой и в общем случае не равно среднему по камере сгорания соотношению компонентов, которое используется для расчета идеального УИТ. Соответственно, выделяют потери УИТ из-за неоднородностей состава продуктов сгорания, которые учитывают то, что УИТ, рассчитанный для неравномерного распределения соотношения компонентов в поперечном сечении камеры сгорания отличается от идеального УИТ, полученного по среднему соотношению компонентов. Рассматривая указанные выше особенности протекания процессов в ЖРД, можно исследовать влияние неравномерного распределения параметров во входном сечении профилированного канала на интегральные характеристики потока, истекающего из данного канала.

В первую очередь необходимо экспериментально измерить величину потерь УИТ из-за неоднородностей состава продуктов сгорания,

поскольку ранее этого сделано не было. Такие экспериментальные исследования были проведены на специально предназначенном для этого стенде СДС (сопловой дифференциальный стенд). В экспериментах на этом стенде в качестве рабочего тела используется либо холодный воздух, либо продукты сгорания смеси спирта с воздухом. Стенд СДС имеет дифференциальную схему испытания камеры сгорания с модельной смесительной головкой и модельным соплом, которая основана на принципе измерения разности тяг между двумя одинаковыми камерами ЖРД с испытуемой и эталонной смесительной головкой и/или с испытуемым и модельным соплом. Для этого испытуемое сопло (и/или смесительная головка) устанавливается на одной оси с эталонным соплом (и/или смесительной головкой). Разность тяг двух камер из-за различия в характеристиках эталонной и испытуемой смесительной головки и/или эталонного и испытуемого сопла измеряется с помощью тензодатчиков. Благодаря наличию делительных сопел реализуется подача заданных расходов воздуха в камеры сгорания.

Модельная камера сгорания стенда имеет в штатной комплектации смесительную головку с 90 отверстиями для протока воздуха. Используемый в качестве горючего этиловый спирт подается через 36 центробежных форсунок, расположенных по трем концентрическим окружностям с распределением форсунок по ним 6+12+18. Схема этой смесительной головки (СГ №1) показана на рис. 1.1. Неоднородности продуктов сгорания в рассматриваемой модельной камере сгорания стенда СДС моделировались тем, что 18 форсунок (из 36) были заглушены, а диаметр оставшихся форсунок был увеличен, что обеспечило сохранение суммарного расхода. При моделировании крупномасштабной неоднородности состава продуктов сгорания были заглушены все 18 форсунок горючего периферийного ряда (СГ №2) (см.

Рис. 1.1. Схемы смесительных головок №1 иХ°2 В исследованиях решалась задача определения, абсолютной величины потерь УИТ из-за неоднородностей состава продуктов сгорания. Для этого на одну из модельных камер ЖРД (камера №1)

установили модельную камеру сгорания стенда СДС и модельное сопло, причем в качестве рабочего тела используется холодный воздух. Вторая модельная камера ЖРД (камера №2) состоит также из модельной камеры сгорания стенда СДС и сопла с существенно большей геометрической степенью расширения, причем в качестве рабочего тела используются продукты сгорания спирта с воздухом. Эта камера имеет тягу, близкую к тяге работающей на воздухе камеры №1, установленной на противоположной стороне стенда.

Поскольку в УИТ камеры ЖРД, работающей на воздухе, нет потерь из-за неоднородностей состава продуктов сгорания, то можно непосредственно, определить величину этих потерь УИТ второй камеры ЖРД. Результаты обработки экспериментов представлены на рис. 1.2. Чтобы получить величины потерь из-за неоднородностей состава продуктов сгорания, необходимо от суммарных потерь отнять потери на трение и рассеяние. Таким образом, получаем, что потери УИТ камеры №2 из-за неоднородностей состава продуктов сгорания составили 0,0...1,9% при использовании смесительной головки №1 и 2,0...3,9% при

Для проведения аналитического анализа исследуемого явления перейдем к новой переменной ^ = Km/(Km+l). Величина у/ представляет собой массовую долю окислителя в топливе. Удобство использования данной переменной

объясняется тем, что она ограничена и может принимать

значения от 0 до 1, в то время, как Кт может меняться от 0 до 00.

В цилиндрических координатах элемент расхода

dmj =p(r)u(r)r2drdçz> через площадку, являющуюся окрестностью

выбранной точки ? , вносит свой вклад в суммарную тягу камеры:

dR = I™(i//(r))dms, где ^(v) - зависимость идеального УИТ от

соотношения компонентов топлива. Следовательно, пустотный УИТ камеры выражается следующей формулой:

тг

Jl^(r))dm2

I =_0---. (1.1)

тЕ

использовании смесительной головки №2.

(% а сг-1 « СГ-2 Ltngar (СГ-2)

=

I Е

15 16 17 18 19 Кт 20

Рис. 1.2. Суммарные потери пустотного УИТ №2 при использовании смесительных головок СГ-1 и СГ-2.

Аппроксимируем дискретно заданную функцию 1п'д (у/) полиномом с приемлемо малой погрешностью. Поскольку переменная у/

принимает значения от 0 до 1, а функция ((/) является бесконечно дифференцируемой, то эту функцию можно разложить в ряд Тейлора в окрестности любого значения ц/, кроме 0 и 1. Пусть у/ - средняя по

камере доля окислителя. Тогда ^(г) = у7+Д^(г). Разложим функцию в ряд Тейлора в окрестности точки ц/ :

П!

(1.2)

п=1

Подставив в формулу (1.1) выражение для из (1.2) и

выполнив преобразования, получим:

О

уВД

п=2

П!

ц/=ц/

(1.3)

Используя полученное выражение (1.3), можно в явном виде получить формулу для определения потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания:

<Гн =

п=2

ЫЪТ

П!

ц,=ц/

с1т2.

В предположении, что величина соотношения компонентов распределена по сечению, камеры сгорания слабонеоднородно ( Д^(г)«1), можно ограничиться одним членом разложения:

1 1 тЕ Г (ы?))21

12й ($7) аЕ а^2 ] ц/=ц/ о 2! к /

Из данной формулы следует одно из основных свойств таких течений: существование потерь УИТ из-за неоднородностей состава продуктов

сгорания обуславливается тем, что график функции является

выпуклым вверх, т.е. имеет отрицательную, вторую производную во всем диапазоне величин цг, которые используются в ракетном

двигателестроении.

Основной задачей при построении методики определения потерь УИТ из-за неоднородностей состава продуктов сгорания является

определение распределения соотношения компонентов по сечению камеры сгорания. Для построения этого распределения . рассмотрим процесс распиливания топлива смесительными элементами смесительной головки камеры сгорания (рис. 1.3).

В выбранном поперечном сечении камеры сгорания удельный

поток распыленного одной отдельной струйной форсункой жидкого

(

компонента топлива можно записать в виде: = Ц • ехр

(?-ч)2' 2Н}2

, где

- удельный поток распыленной жидкости от 1-ой форсунки, 5; -радиус-вектор точки в данном сечении камеры сгорания, соответствующая центру ьой форсунки на форсуночной головке, Н| -коэффициенты.

420 Ц15 0,10 0,05

- ¿-вот Г

-шо

280

? ч

да

у«» 120 мм

I f -150

Л I

-10 О 10 30 г-,мм

-180. -120

-60

60 120 180 г, мм

Рис. 1.3. Поля удельных потоков распыленной жидкости (керосин) для струйной (слева) и центробежной (справа) форсунок на различных расстояниях от среза сопла

Если струи распыла соседних форсунок одного и того же компонента топлива либо не взаимодействуют друг с другом из-за слишком большого расстояния между ними, либо состоят из капель, достаточно мелкодисперсных и удалённых друг от друга, так что их двухфазные среды взаимопроникают без существенного взаимодействия капель этих струй, то можно считать, что удельный поток компонента топлива в некоторой точке равен сумме удельных потоков в данной точке от всех форсунок, соответственно, суммарный удельный поток данного компонента топлива определяется следующим образом:

т2

2Н? у

(1.4)

N N

1=1 ¡=1

где N - общее количество форсунок.

Таким образом, используя приведённые выше выражения удельного расхода для горючего и окислителя, в каждой точке сечения

камеры сгорания можно определить величину у/ =

<1тг

с!т0+с1тг

где

(Зш0 =я0 -с!Р, <1тг=яг-с1Р, сШ - элементарная площадка, ч0,яг

и

удельный расход окислителя и горючего соответственно, т.е. ц/ ■

Чо

Чо+Чг

При этом, распределение удельных потоков для жидких компонентов топлива находится по формуле (1.4), а для газообразного полагается постоянным по сечению камеры сгорания. Конкретная форма зависимости (1.4) и полученные выражения для у/ позволяют произвести численное двумерное интегрирование и определить , а, следовательно, и величину потерь УИТ из-за неоднородностей состава продуктов сгорания.

В вышеописанной методике остаются неизвестными только коэффициенты к; и Н;, характеризующие поле удельного потока распыленного ¿-ой форсункой жидкого компонента топлива. При известном расходе компонента через струйную форсунку можно получить

с»

соотношение для коэффициентов к} и Н}, учитывая, что т; = , и

О

переходя в систему координат, связанную с осью форсунки:

иу 2 '

т; = ^¡сП7 = |к;ехр --- г<1г = к{Н? |ехр О О I Ш1 У О

2Е-

1 У

Ч2НГ

Второе соотношение получается на основе анализа экспериментальных данных.

Полученные экспериментальные значения величины потерь УИТ из-за неоднородностей состава продуктов сгорания использовались в изложенной расчётной методике для получения эмпирических коэффициентов и построения распределения величины Кт по сечению камеры сгорания. В результате была определена величина эмпирической константы Н. При этом рассчитанные потери УИТ из-за неоднородностей состава продуктов сгорания для данной камеры ЖРД при Кт=18 составляют 0,5% при использовании смесительной головки СГ-1 и 2,4% при использовании СГ-2. Эти величины потерь в сумме с расчётными значениями потерь на трение и рассеяние для данной камеры ЖРД при Кт =18 согласуются в пределах погрешности эксперимента с экспериментально полученными значениями суммарных потерь УИТ (рис. 1.4).

Полученные с использованием данной константы Н распределения

т/К

(здесь К

т

величины избытка окислителя а = К стехиометрическое соотношение компонентов) по сечению камеры сгорания приведены на рис. 1.5. На представленных графиках явно выражено наличие пристеночного слоя, богатого окислителем, в камере

сгорания при использовании смесительной головки СГ-2. Кроме того, из-за относительно большего количества воздушных протоков по сравнению с форсунками горючего в смесительной головке №1 также выделяется пристеночная область с небольшим избытком окислителя.

Рис. 1.4. Определение эмпирического Рис. 1.5. Распределение величины коэффициента по зависимости потерь УИТ из-за избытка окислителя по сечению камеры неоднородностей состава продуктов сгорания от сгорания, создаваемое смесительными среднего по камере сгорания соотношения головками СГ-1 и СГ-2. компонентов при использовании смесительной головки СГ-2.

Для дополнительной верификации полученных результатов проведено сравнение экспериментальных и расчетных распределений полной температуры по выходному сечению сопла. В экспериментах с помощью термопар измерялись температуры передней части внутренней поверхности насадков термопарной гребёнки. Поскольку расстояние от этой точки измерения температуры внутри насадка составляет около 4,5 мм от передней части внешней поверхности насадка (от точки растекания потока), то для определения по этой температуре полной температуры продуктов сгорания были проведены расчетные исследования распределения температуры по насадку при его обтекании потоком продуктов сгорания при различных значениях коэффициента избытка окислителя. Один из результатов расчетов показан на рис. 1.6. По результатам данного расчетного исследования была получена зависимость между полной температурой продуктов сгорания и температурой передней части внутренней поверхности насадка,

измеряемой термопарой._

~~ НПИПН Соответствующая распределению соотношения компонентов топлива в поперечном сечении камеры сгорания полная температура продуктов сгора-

РисЛ.6. Обтекание и прогрев насадка гребёнки в ™я в ВЫХОДНОМ сечении

потоке продуктов сгорания спирто-воздушной смеси сопла рассчитывалась ПО

с Кт = 9,4 (Т0 = 2130 К при Р„ = 70 ата) при скорости программам термодинами-

набегающего потока 1884 м/с (М„=3,5) (Результаты ческого расчёта TDPC И расчёта по COSMOSFIoWorks 2005 SPO). F

Астра для химически равновесного состава продуктов сгорания, поскольку расчетное исследование показало, что для рассматриваемых условий полная температура химически равновесных продуктов сгорания в выходном сечении сопла не более, чем на 5% отличается от полной температуры продуктов сгорания, состав которых «заморожен» от критического сечения сопла.Поскольку средний по камере сгорания коэффициент избытка окислителя был разным в разных экспериментах, то сравнивались распределения не абсолютных значений полной температуры продуктов сгорания, а отнесённых к среднемассовой температуре продуктов сгорания в камере сгорания. Из этих сравнений видно, что результаты расчётов близки к экспериментальным данным. Это подтверждает гипотезу об образовании неоднородностей состава продуктов сгорания в камере сгорания, на которой основана представленная методика.

Во второй главе рассматриваются отрывные течения потока газа в сверхзвуковых соплах. При запуске и останове ЖРД при атмосферном (ненулевом) внешнем давлении с соплами любой степени расширения, а также на рабочих режимах во время наземных испытаний ЖРД верхних ступеней и разгонных блоков ракет-носителей с соплами большой степени расширения без устройств понижения внешнего давления поток продуктов сгорания отрывается от стенок расширяющейся части сопла.

В литературе подробно описан типичный отрыв потока в соплах («free shock separation»). Отмечено, что его появление определяется статическим давлением продуктов сгорания в выходном сечении сопла ра, давлением окружающей среды р[г и величиной критического отношения давлений Ph/Pa • При pjj >ра течение в сопле становится перерасширенным. При Ph/Pa > больше некоторого критического значения, поток отрывается от. стенок сопла вследствие отрыва пограничного слоя, система скачков истекающей из сопла струи и граница этой струи сохраняются, но передвигаются внутрь сопла. При этом давление в области между стенкой сопла и границей оторвавшегося потока ниже атмосферного, что приводит к затеканию в эту область атмосферного воздуха. Этот воздух движется вдоль внутренней поверхности сопла к месту отрыва, а затем эжектируется струёй продуктов сгорания обратно. Критический перепад давлений всегда меньше отношения давлений на прямом скачке уплотнения, т.е. при течении с сильным перерасширением адаптация потока к давлению окружающей среды будет осуществляться не прямым скачком уплотнения, занимающим все сечение сопла, а показанной на рис. 2.1 мостообразной системой скачков.

В литературе представлены результаты испытаний модели экспериментального кислородно-водородного ЖРД J-2S (прототип ЖРД SSME) и описан обнаруженный в этих испытаниях нетипичный отрыв потока от стенок сопла («restricted shock separation»). При таком отрыве

поток газа, оторвавшийся от стенки сопла, затем вновь присоединяется к ней ближе к выходному сечению сопла. При этом около стенки сопла в месте отрыва потока образуется замкнутая рециркуляционная область, а около оси сопла образуется область медленных дозвуковых возвратных токов. Оторвавшийся поток обтекает эту приосевую область как центральное тело с небольшой сверхзвуковой скоростью. Ударно-

пограничного слоя: 1 - начало зоны сжатия; сопла (вверху) и картина течения (внизу)

э - точка отрыва; р - начало зоны при нетипичном отрыве потока

рециркуляции

В диссертации для исследования течений с перерасширением использовалась модель, состоящая из сопла большой степени расширения и присоединенного к его срезу сужающегося конического насадка с полууглом раскрытия 45°. В каждом эксперименте полное давление воздуха, который выступал рабочим телом, перед соплом постепенно или резко увеличивалось до 10-11 МПа. Истечение осуществлялось в атмосферу. Во всех экспериментах, проведенных без конического насадка, была получена картина течения, соответствующая типичному отрыву потока сопла (рис. 2.3 а). Во всех экспериментах с коническим насадком типичный отрыв потока реализовывался при перепаде

Рс/Ра < {Рс/Ра)* при увеличении рс/ра- Здесь рс, ра -соответственно давление в камере сгорания (давление торможения) и

внешнее давление, а (рс/ра) - критическое значение перехода от

типичного отрыва к нетипичному. Затем при Рс/Ра ~{Рс/Ра) мгновенно возникает нетипичный отрыв потока, который продолжает

существовать при больших рс и даже при рс/Ра <{Рс/Ра) ПРИ уменьшении рс/ра (рис. 2.36). Обратный переход от нетипичного отрыва к типичному осуществляется только при

Рс/Ра ~ {РсIРа) <{Рс/.Ра) > т-е- наблюдается своеобразный «гистерезис» при переходе от одного отрыва к другому.

- -"♦-РиРеНЮ

! / О

/

Р»Т«-Нр«п(1-11.7 с) ■Ы^ИТрпв-Рс!

Р«Т>-<5 надо» 1(41 с) ГкРсЫидмшгГМг)

Рис. 2.3. Распределение относительного давления вдоль стенки сопла при использованием

насадка (б) и без него (а) В противоположность картине течения при нетипичном отрыве потока полученное в данной работе распределение давления имеет кроме основного пика, расположенного рядом с местом отрыва, еще 5 дополнительных пиков меньшей амплитуды. Все эти пики давления стабильны, т.е. не меняются при фиксированном рс/ра , но смещаются при изменении рс/ра-

Влияние относительного радиуса выходного сечения усе / % на

значения (рс1ра) и (рс/ра) , а также на значение (рс/ра)и, при

котором течение в районе ближайшей к критическому сечению дренажной точки (№14) становится безотрывным, показано на рис. 2.4. Уменьшение (рс/ра)14 по мере увеличения усе/г(^ от 9,0 до 11,8 объясняется ростом давления в отрывной зоне.

Для

—Лвяш1«и|и нетипичного огрьш* яри роет* Ро

- -Ш • Т«Ч«(МСГа«О«1(Г£ЯтСМОД*ПкНЬ)М*Т0ЧК*Р14 прирост* РО —Исч«>но»«н»»шт)1п)1чмого отры»апото«прппэд*т1МРо

прояснения полученной картины течения были проанализированы измеренные в эксперименте пульсации давления в нескольких измерительных точках на внутренней поверхности сопла. Проведение исследований пульсацион-ных характеристик отрыв-Рис. 2.4. Влияние относительного радиуса выходного ного течения является в сечения конического насадка на переход от типичного данном случае весьма отрыва к нетипичному и наоборот, а также на полезным ПОСКОльку 1) величину перепада давлений, при котором

реализуется безотрывное обтекание точки №14 позволяет определить

место отрыва, а также является ли отрывная зона замкнутой или нет; 2) позволяет оценить силовые нагрузки стенки сопла по значению спектрального уровня пульсаций и разницы фаз между пульсациями в различных точках. В эксперименте без конического насадка было показано, как движется место отрыва в зависимости от перепада

давлений, а также, что зона отрыва является незамкнутой. Спектральный уровень пульсаций давления вблизи места отрыва в этом эксперименте представлен на рис. 2.5а. Максимум спектрального уровня на частоте 550 Гц объясняется в рамках теории пульсаций давления, если зону отрыва рассматривать как цилиндр, открытый с одного из торцев.

В эксперименте с использованием конического насадка показано, что зона отрыва является замкнутой, т.е. поток, отрываясь от стенки сопла, затем вновь к ней присоединяется. Спектральный уровень пульсаций (см. рис. 2.56) в данном случае выше примерно на 10 дБ (в 3 раза) и имеет максимум в низкочастотной области.

•Apvf 6 [vS

•я- — — — - - - ■ —

з»-

30-

... — ч

■ £ Ys 5*, >v Л V*

13-

У 7 00 1? 53 25 Ю '32 SO JS » 37

ш

Л

Л

_ "-ч

\ Л

\ Л

V

|vi ["V К

Рис. 2.5. Спектральный уровень пульсаций в измерительных точках в экспериментах с использованием конического насадка (6) и без него (а) Масляные картины на внутренней поверхности сопла в отрывной зоне при типичном отрыве (в сопле без конического насадка) и при нетипичном отрыве (в сопле с коническим насадком), которые показаны на рис. 2.6, ясно демонстрируют особенности данных типов отрыва. При типичном отрыве воздух из окружающей среды втекает в отрывную зону и течет далее вдоль стенки сопла к месту отрыва, т.е. в сторону,

противоположную основному потоку. ' - МИИГТ^У ^

-6у. л

Рис. 2.6. Масляные картины в отрывной зоне модельного сопла при типичном (а) и нетипичном (6) отрывах В то же время в случае возникновения нетипичного отрыва поток присоединяется к стенке сопла после небольшой отрывной зоны и течет вдоль стенки к выходному сечению сопла. Кроме того, можно косвенно фиксировать наличие вихрей Гертлера у поверхности сопла при нетипичном отрыве по размытию масляных полосок в окружном направлении.

Что касается ударно-волновой структуры в струе модельного сопла, которая определяется типом отрыва, то ее теневые картины были получены на экспериментальном стенде. Одна из них показана на рис. 2.7. Здесь срез сопла расположен слева (за границей кадра), поток воздуха движется вправо, также справа видна граница области наблюдения. В струе, истекающей из сопла,

видна структура, соответствующая нетипичному отрыву потока, хотя сопло имеет идеаль ный контур, полученный методом характеристик. Тем не менее, в сопле без конического насадка возникает только типичный отрыв

В настоящей диссертации выдвинута и обоснована гипотеза, позволяющая объяснить возникновение обоих видов отрыва. Рассмотрим импульс ] потока: ] = р + риг. Вообще говоря, величина ] является векторной, однако оговоримся, что в дальнейшем будем в основном работать с модулем данного вектора, дополнительно указывая направление вектора, если это необходимо.. Данная величина является силовой характеристикой потока. При истечении струи в окружающую среду с ненулевым давлением ей нужно преодолевать сопротивление этой среды. Сравнивая импульс струи с давлением окружающей среды можно определить, сможет ли поток струи от определенной точки двигаться в определенном направлении. С помощью газодинамических функций

__г_

можно показать, что ХМ) = р0 + М2 j 7 (1 + ^М2) и при М>1 аП л

—— < 0, т.е. по мере ускорения газа в сопле импульс все время с!М

уменьшается. Здесь необходимо отметить, что убывает лишь импульс, отнесенный к единице поверхности поперечного сечения потока, а суммарный импульс безусловно растет. Движению струи продуктов сгорания препятствует газ из окружающей среды, который имеет постоянное давление рь. Струя же, расширяясь, теряет импульс на единицу площади, поэтому логично ожидать торможения струи в точке, где ] = рк. Именно так и формулируется критерий возникновения отрыва потока в рамках предлагаемой модернизации теории отрывных течений.

В сверхзвуковых соплах, спрофилированных методом характеристик, в каждом поперечном сечении расширяющейся части

Рис. 2.7. Теневая картина ударно-волновой структуры в истекающей из модельного сопла струе (срез сопла слева)

сопла, за исключением небольшой зоны вблизи критического сечения, скорость потока идеального газа на оси сопла всегда выше, чем у стенки: где индексы «ах» и «\у» относятся соответственно к параметрам на оси сопла и на стенке сопла в выбранном поперечном сечении. Данный факт объясняет причину возникновения нетипичного отрыва.

Для описания в рамках этой теории явления типичного отрыва потока от стенок сопла необходимо учесть вязкость продуктов сгорания. Для этой цели используются имеющиеся эмпирические соотношения, которые приводят к следующему выражению для импульса потока вблизи стенки:

Таким образом, методика определения типа отрыва заключается в следующем: 1) производится двумерный расчет течения идеального газа с заданным показателем изоэнтропы в сопле; 2) строятся распределения чисел Маха потока вдоль оси и вдоль стенки сопла; 3) по соотношениям для импульса потока на оси и вблизи стенки определяется, где (у стенки или на оси) и в каком сечении сопла впервые выполняется критерий возникновения отрыва 3 = рь; 4) если отрыв потока у стенки сопла, то это типичный отрыв, если у оси сопла, то нетипичный. В дальнейшем можно использовать все необходимые соотношения, верные для определенного типа отрыва.

Результаты расчета с применением данной методики для сопла, спрофилированного методом характеристик, без насадка показывают, что импульс потока на оси всегда выше, чем на стенке, т.е. возможен только типичный отрыв (см. рис. 2.8). В то же время использование сужающегося конического насадка привело к возникновению висячих скачков уплотнения при натекании на него струи и, следовательно, к повышению противодавления на оси сопла, что и стало причиной перехода от типичного отрыва к нетипичному. Применение методики к расчету отрывного течения в сопле ЖРД ЛЛЛсат, при запуске которого был обнаружен нетипичный отрыв потока в сопле, дало следующие результаты (см. рис. 2.10). Если истечение продуктов сгорания осуществляется в атмосферу, то при р0<6,65 МПа отрыв является типичным, при 6,65 < р0 < 9,1 МПа - нетипичным, а при р0 >9,1 МПа сопло будет работать в автомодельном режиме. Полученные оценки удовлетворительно соответствуют экспериментальным данным.

■Ям)«

х

(1,21 + 0,39(М-1)+0,055(М-1)2), 1<М<3;

Рис, 2.8. Распределение величины у вдоль оси сопла (серая линия) и вдоль стенки сопла

/ Ро

(черная линия) для сопла, спрофилированного методом характеристик (а), и для сопла ЖРД

Уц1сат (б)

Основные выводы по работе

1. В специально организованных экспериментах впервые экспериментально доказано существование потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания, а также измерена их величина.

2. Разработана расчетная полуэмпирическая методика определения потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания, основанная на рассмотрении картины распьшивания и перемешивания компонентов топлива смесительными элементами смесительной головки камеры сгорания модельного ЖРД;

3. Экспериментально показано, что существует диапазон отношения давления в камере сгорания к давлению окружающей среды, в котором в расширяющейся части сопла с пристыкованным к ней сужающимся коническим насадком возникает нетипичный отрыв потока. Сопло с таким насадком можно использовать для воспроизведения нетипичного отрыва потока в модельных условиях и исследования его свойств.

4. При нетипичном отрыве потока возникает сильная нестационарная боковая нагрузка на сопло, уровень которой существенно выше, чем при типичном отрыве потока. Поток продуктов сгорания при нетипичном отрыве присоединяется к стенке сопла и течет вдоль нее с небольшой сверхзвуковой скоростью, что приводит к высоким тепловым потокам в стенку сопла и угрозе его разрушения.

5. Параметром, определяющим тип отрыва потока, является удельный (на единицу площади) импульс потока в сопле. Сравнение его величин на оси и вблизи стенки сопла с давлением окружающей среды позволяет прогнозировать тип получающегося отрыва потока.

Основные положения и результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Пономарев A.A. Экспериментальные исследования нетипичного отрыва потока газа в сопле с коническим насадком / A.A. Пономарев, Н.Б. Пономарев // Электронный журнал «Труды МАИ» №40, 2010 г.

2. Пономарев A.A. Исследование потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания / A.A. Пономарев, Н.Б. Пономарев // Вестник Московского авиационного института, т. 17, №6, стр. 66-71.

3. Пономарев A.A. Об отрывных течениях в сверхзвуковых соплах / A.A. Пономарев, Н.Б. Пономарев // Вестник Московского авиационного института, тЛ 8, №3, стр. 55-64.

4. Пономарев A.A. Исследование влияния неоднородностей состава продуктов сгорания на удельный импульс и расходный комплекс ЖРД / A.A. Пономарев, Н.Б. Пономарев // Труды XXVI Российской школы «Наука и технологии». Т. 1 .-М. :РАН, Миасс, 2006.

5. Ponomarev A. Experimental Investigations of Flow Restricted Shock Separation in High-Area-Ratio Nozzle with Exit Cone / N. Ponomarev, V. Komarov, A. Ponomarev // AIAA Paper 2009-5145, 2009.

Пономарев Александр Александрович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И РАСЧЁТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСЛОВИЙ ПОЯВЛЕНИЯ НЕТИПИЧНОГО ОТРЫВА ПОТОКА В СОПЛАХ И ПОТЕРЬ УДЕЛЬНОГО ИМПУЛЬСА ТЯГИ ИЗ-ЗА НЕОДНОРОДНОСТЕЙ СОСТАВА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

Подписано в печать 4.10.2011. Формат 60x90/16. Авт. л. 0,9. Уч.-изд. л. 1,1. Усл.-печ. л. 1,2. Тираж 65 экз. Заказ № 32

Государственный научный центр Российской Федерации -федеральное государственное унитарное предприятие «Исследовательский центр имени М.В. Келдыша» 125438, г. Москва, ул. Онежская, 8

Список условных обозначений

Введение

Глава 1. Потери идеального удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания

1.1. Обзор литературы и постановка задачи

1.2. Экспериментальные исследования с целью выделения и определения величины потерь из-за неоднородностей состава продуктов сгорания

1.3. Аналитическое исследование потерь из-за неоднородностей состава продуктов сгорания

1.4. Методика определения потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания по форсуночным факелам распыливания топлива

1.5. Анализ результатов экспериментальных исследований с помощью методики определения потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания по форсуночным факелам распыливания топлива

Развитие современных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) заключается в повышении их энергомассовых характеристик, а также надежности работы всех узлов и агрегатов. С середины 20 века параллельно с развитием ракетно-космической техники, в частности, ракетных двигателей, создавались и усовершенствовались теории, описывающие процессы в ЖРД и базирующиеся на экспериментальных данных, полученных в модельных исследованиях, при наземных и лётных испытаниях ЖРД. В результате были-разработаны руководство для конструкторов и отраслевая методика, позволяющие оценить характеристики создаваемого ЖРД. на этапе разработки, учесть влияние элементов конструкции на процессы в ЖРД и, соответственно, развивать ЖРД дальше.

К настоящему времени > ракетное двигателестроение достигло больших успехов, поэтому требования к энергетической эффективности и надежности создаваемых ЖРД как никогда высоки. В связи с этим возникла необходимость более глубокого» изучения процессов, протекающих в камере сгорания и сопле ЖРД, что требует проведения комплексных фундаментальных расчетно-экспериментальных исследований механики движения химически реагирующих газов с учетом влияния эффектов вязкости и теплопроводности. В настоящее время уделяется много внимания течениям с неравномерным распределением1 состава продуктов сгорания и других параметров по поперечным сечениям потока. Соответственно, актуальными являются исследования, в первую очередь экспериментальные, влияния неоднородностей состава продуктов сгорания^ на энергетические характеристики двигателя, в частности, на удельный импульс тяги.

Все основные характеристики ЖРД, в том числе тяга, удельный импульс тяги, ресурс и т.д., экспериментально определяются в наземных и лётных испытаниях. Кроме того, перед установкой на ракету ЖРД в обязательном порядке проходят кратковременные контрольнотехнологические испытания (КТИ), кроме того, проводятся длительные полные контрольно-выборочные испытания (КВИ) выбранных из партии двигателей. При этом двигатели испытываются в полностью штатном составе. Для двигателей верхних ступеней ракет-носителей атмосферное внешнее давление при наземных испытаниях является* нештатным и приводит к отрыву потока продуктов сгорания от стенок сопла. Если отрыв потока типичный и не приводит к чрезмерным нестационарным боковым нагрузкам на сопло, то наземные испытания двигателя с таким отрывом могут быть допустимы.

Однако, согласно данным европейских и американских специалистов, отрыв потока в сопле может быть нетипичным, с' аномально высоким уровнем нестационарных боковых и тепловых нагрузок на стенку сопла. Такой отрыв>в нашей стране не исследовался и до 2006,г. ни разу не возникал при испытаниях отечественных ЖРД: Его появление в наземных испытаниях одного из отечественных ЖРД в 2006 г. с аварийным исходом было полной неожиданностью для специалистов и вынудило спешно разработать мероприятия по его предотвращению. Эти мероприятия оказались эффективными^ но в целом ухудшили условия наземных испытаний, в частности, не позволили измерять тягу во время этих испытаний. Соответственно, актуально исследование характеристик такого отрывного течения, условий его возникновения и исчезновения с целью прогнозирования его возникновения в соплах и, соответственно, выработки мероприятий по его предотвращению.

Актуальность работы заключается в необходимости экспериментального подтверждения влияния неоднородности состава продуктов сгорания в поперечных сечениях камеры ЖРД на характеристики течения потока продуктов сгорания в сопле и, соответственно, на удельный импульс тяги ЖРД. Необходимо экспериментально подтвердить существование потерь удельного импульса тяги, связанных с наличием неоднородностей состава продуктов сгорания, и определить величину этих потерь. Экспериментальное изучение процессов, определяющих данные потери важно, поскольку с его помощью можно повысить точность прогнозирования удельного импульса тяги, соответственно, повысить удельный импульс тяги ЖРД за счёт более обоснованной оптимизации смесительной'головки, камеры сгорания и сопла ЖРД.

В связи с тем, что развитие*современных ЖРД верхних ступеней ракет и разгонных блоков сопровождается постоянным увеличением степени расширения- их сопел с целью повышения их удельного* импульса тяги, а также для этой же цели разрабатываются различные способы повышения степени расширения сопел ЖРД вторых ступеней ракет, работающих с места старта, во время наземных испытаний, запуска и работы ЖРД с такими соплами повышается вероятность нетипичного отрыва потока продуктов сгорания от стенки сопла. Следовательно, актуальна разработка методики прогнозирования возникновения такого отрывного течения и, соответственно, способов его предотвращения.

Целью работы является:

1) построение методики организации модельного эксперимента для высокоточного измерения потерь удельного импульса тяги из-за мелкомасштабных и крупномасштабных неоднородностей состава продуктов сгорания;

2) разработка полуэмпирической методики определения потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания на основе рассмотрения картины распыла компонентов топлива смесительными элементами смесительной головки;

3) управляемое воспроизведение нетипичного отрыва потока в сопле большой степени расширения;

4) комплексное изучение картины течения и свойств нетипичного отрыва потока в сопле;

5) дополнение существующей теории отрывных течений в соплах с целью расширения области ее применения.

Методы исследований

В работе применены комплексные расчетно-экспериментальные методы исследования процессов в ЖРД.

Для экспериментального определения потерь удельного импульса тяги из-за мелкомасштабной неоднородности состава продуктов сгорания в поперечных сечениях камеры использовалась дифференциальная схема проведения эксперимента, т.е. измерялась разность тяг двух модельных камер, а также специально разработанный алгоритм обработки полученных экспериментальных данных. Свойства нетипичного отрыва потока исследовались с помощью измерения распределения статического давления вдоль стенки сопла с пристыкованным к нему сужающимся коническим насадком, величины и корреляции пульсаций статического давления в разных точках стенки сопла.

С помощью известных соотношений для характеристик распыла компонентов топлива смесительными элементами смесительной головки камеры сгорания ЖРД расчетно строилось распределение соотношения компонентов в поперечном сечении камеры сгорания, а затем определялся удельный пустотный импульс полученного неоднородного потока продуктов сгорания путем взятия двумерного интеграла по поверхности, представляющей собой поперечное сечение камеры сгорания. Для выработки критериев возникновения того или иного типа отрыва использовался программный комплекс, позволяющий рассчитывать в расширяющейся части сопла двумерное (осесимметричное) сверхзвуковое течение идеального газа с постоянным показателем изоэнтропы.

Научная новизна работы:

1) впервые в специально организованных экспериментах доказано существование потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания и определена их возможная величина, тем самым впервые количественно описано влияние неравномерного распределения параметров газа в поперечном сечении камеры сгорания на характеристики течения газа в сопле;

2) разработана расчетная полуэмпирическая методика определения потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания, основанная на математическом моделировании течения смеси реагирующих газов* в канале переменного сечения с привлечением экспериментальных данных для восстановления картины распыливания и перемешивания компонентов топлива смесительными элементами смесительной головки камеры сгорания модельного ЖРД;

3) впервые создана экспериментальная модель, позволяющая воспроизводить нетипичный отрыв потока в сопле и исследовать его свойства;

4) впервые измерены пульсационные характеристики потока при его нетипичном.отрыве от стенок сопла;

5) предложено использование потока импульса газа в качестве параметра, определяющего тип отрывного течения. Практическая ценность работы

Экспериментальное доказательство существования и величины потерь удельного импульса тяги ЖРД из-за мелкомасштабной и крупномасштабной неоднородностей состава продуктов сгорания обосновывает отраслевую методику определения удельного импульса тяги ЖРД в части определения этих потерь, позволяет уточнить метод определения этих потерь и, соответственно, оптимизировать конструкцию и параметры смесительной головки и её смесительных элементов совместно с системой завесного охлаждения стенок камеры сгорания и сопла с целью повышения удельного импульса тяги и надёжности ЖРД.

Экспериментально показано, что в соплах больших степеней расширения, в том числе спрофилированных методом характеристик, на определенных режимах работы возможно возникновение нетипичного отрывного течения. Экспериментально^ показано, что при нетипичном отрыве потока действующие на сопло нестационарные боковые нагрузки выше, чем при типичном отрыве потока, а конвективные тепловые потоки в стенку сопла в зоне отрыва потока в несколько раз выше, чем при типичном отрыве, что может приводить к разрушению камеры. Разработанная теория, описывающая отрывные течения, позволяет прогнозировать возникновение нетипичного отрыва и давать рекомендации по проведению наземных испытаний ОКР Д и их камер с, высотными соплами, разработке устройств для таких испытаний, а также профилированию сопел для-ЖРД вторых ступеней ракет, начинающих работать с места старта.

Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивается тщательным планированием- эксперимента и качественным экспериментальным оборудованием, аттестованным Ростестом. Достоверность разработанных в диссертации расчетных методик подтверждена сравнением их результатов с экспериментальными данными, полученными в настоящей работе и в работах других авторов.

На защиту выносятся:

1) методика организации модельных экспериментов для высокоточного измерения потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания;

2) полуэмпирическая методика определения потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания на основе рассмотрения картины распыла компонентов топлива смесительными элементами смесительной головки;

3) экспериментальная модель, позволяющая управляемо воспроизводить нетипичный отрыв потока в сопле;

4) структура течения при нетипичном отрыве потока в сопле, его пульсационные характеристики;

5) критерий возникновения отрывного течения в сопле.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на XLVIII научной конференции МФТИ в 2006 г., научно-технической конференции - конкурсе научных работ молодых ученых, приуроченной к 75-летиему юбилею ФГУП ,1

Центр Келдыша» в 2008 г., на конференции «45 Joint Propulsion Conference and Exhibit» (Денвер, Колорадо, США) в 2009 г., на XVI Международном Симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» в 2010 г, Международной научной школе для молодых ученых и преподавателей «Прикладные математика и физика» (школа ПМФ) в 2011 г.

Публикации

Работа содержит результаты, полученные в период с 2004 г. по 2010 г. и опубликованные в 5 статьях и 15 научно-технических отчётах.

Объём работы

Диссертация состоит из списка условных обозначений, введения, 2 глав, выводов, списка использованных источников из 77 наименований, изложенных на 149 страницах, 45 иллюстраций, 4 таблиц.

Выводы

1. В специально организованных экспериментах впервые экспериментально доказано существование потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания, а также измерена их величина.

2. Разработана расчетная полуэмпирическая методика определения потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания, основанная на рассмотрении картины распыливания и перемешивания компонентов топлива смесительными элементами смесительной головки камеры сгорания модельного ЖРД;

3. Экспериментально показано, что существует диапазон отношения давления в камере сгорания к давлению окружающей среды, в котором в расширяющейся части сопла с пристыкованным к ней сужающимся коническим насадком возникает нетипичный отрыв потока. Сопло с таким насадком можно использовать для воспроизведения нетипичного отрыва потока в модельных условиях и исследования его свойств.

4. При нетипичном отрыве потока возникает сильная нестационарная боковая нагрузка на сопло, уровень которой существенно выше, чем при типичном отрыве потока. Поток продуктов сгорания при нетипичном отрыве присоединяется к стенке сопла и течет вдоль нее с небольшой сверхзвуковой скоростью, что приводит к высоким тепловым потокам в стенку сопла и угрозе его разрушения.

5. Параметром, определяющим тип отрыва потока, является удельный (на единицу площади) импульс потока в сопле. Сравнение его величин на оси и вблизи стенки сопла с давлением окружающей среды позволяет прогнозировать тип получающегося отрыва потока.

2.4. Заключение

На основе исследований, представленных в главе 2, можно сделать следующие выводы:

1) подробный обзор литературы, посвященной отрывным течениям, показал, что наряду с типичным отрывом потока, изученным в многочисленных работах, в определенных условиях в сверхзвуковых соплах реализуется другой тип отрыва потока, названный нетипичным;

2) сужающийся конический насадок, установленный на- срезе сопла, может использоваться для воспроизведения и изучения свойств нетипичного отрыва потока в модельных экспериментах.

3) по измеренным в экспериментах распределению статического давления вдоль стенки сопла при нетипичном отрыве потока и пульсациям давления в зоне этого отрыва, а также масляным и теневым картинам определена картина течения при нетипичном отрыве потока.

4) получено, что при нетипичном отрыве потока возникают сильные вибрации сопла, уровень которых существенно выше, чем при типичном отрыве потока; поток продуктов сгорания при нетипичном отрыве присоединяется к стенке сопла и течет вдоль нее с небольшой сверхзвуковой скоростью, что приводит к высоким тепловым потокам в стенку сопла и угрозе его разрушения.

5) выдвинут критерий возникновения отрывных течений обоих типов, заключающийся в сравнении величины удельного потока импульса с давлением окружающей среды; с помощью данного критерия объяснены причины возникновения нетипичного отрыва в конкретных условиях и представлены рекомендации по применению данного критерия с целью предотвращения нетипичного отрыва в соплах проектируемых двигателей.

1. Рабочие процессы в жидкостном ракетном двигателе и их моделирование / Е.В. Лебединский, Г.П. Калмыков, C.B. Мосолов и др. Под ред. академика РАН A.C. Коротеева. М.: Машиностроение, 2008, 512 с.

2. Дрегалин А.Ф. Пакет прикладных программ термодинамического расчета / А.Ф. Дрегалин, P.P. Назырова. — Казань: Изд-во КАИ, 1990.

3. Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах (Астра-4/рс) / Б.Г. Трусов. — М.: Изд-во МВТУ им. Э. Баумана, 1991.

4. Термодинамические и теплофизические чвойства продуктов сгорания: Справочник в 10 т. / В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин, У.Г. Пирумов, В.А. Худяков; под. ред. акад. В.П. Глушко. М.: Изд. ВИНИТИ АН'СССР, 1971-1979?

5. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. М.: Наука, 1972.

6. Melnikov D.A. Performance of Rocket Engine Nozzles with Slot Injection / A.L. Voinov, D.A. Melnikov // AIAA Paper 96-3218, 1996.

7. Руководство для конструкторов по проектированию сверхзвуковых осесимметричных круглых сопел реактивных двигателей. М.: Изд-во ОНТИ, 1964.

8. Расчет трения и теплообмена в соплах при турбулентном пограничном слое (TREN-1) / Д.А. Мельников, Л.Ф. Кузьмина, Г.З. Никулин, И.К. Соловьева. М.: Изд. НИИТП, 1983.

9. Мельников Д.А. Потери удельного» импульса, тяги из-за трения в соплах / Л.Ф. Кузьмина, Д.А. Мельников, Г.З. Никулин // Ракетно-космическая техника: Сборник. Вып. 2 (135). -М.: Изд. НИИТП, 1992.

10. Сергиенко A.A. Газодинамический импульс потока в осесимметричных соплах / A.A. Сергиенко // В кн.: Проблемы механики и теплообмена в космической технике. -М.: Машиностроение, 1982.

11. Пономарев Н.Б. Программный комплекс OPTIS для прямой оптимизации профилей сопел ракетных двигателей / Н.Б. Пономарев. — М.: Изд. НИИТП, 1985.

12. Пономарев Н.Б. Программный комплекс PEGAS для расчета двумерного поля» течения идеального газа в соплах / Н.Б. Пономарев. — М.: Изд. НИИТП, 1985.

13. Пирумов У.Г. Газовая динамика сопел / У.Г. Пирумов, Г.С. Росляков. -М.: Наука, 1990.

14. Авдуевский B.C. Метод расчета пространственного турбулентного течения в соплах / B.C. Авдуевский // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа, №4, 1962.

15. Пирумов У.Г. Расчет неравновесных течений в соплах / В.Н. Камзолов, У.Г. Пирумов // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа, №6, 1966.

16. Волков В.А. Программа расчета потерь удельного импульса реактивного двигателя за счет неравновесного протекания химических реакций / В.Ю. Волков, В.Ю. Гидаспов. М.: Изд-во МАИ, 1994.

17. Завелевич Ф.С. Исследование химически неравновесных струйных течений применительно к задаче взаимодействия струй ракетных двигателей с озоновым слоем атмосферы / Ф.С. Завелевич, H.H. Ушаков. — М: Изд-во ФГУП «Центр Келдыша», 1999.

18. Переверзев В.Я. О влиянии потерь в камере и докритической части сопла ЖРД на коэффициенты cp¿K и срс / В.Я. Переверзев, К.И. Светушкин. —1. М.: Изд-во НИИ-1, 1962.

19. Светушкин К.И. Об анализе энергетических характеристик камер ЖРД / К.И. Светушкин // Ракетно-космическая техника: Сборник. -М.: Изд. НИИТП, 1986.

20. Шустов С.А. Экспериментальное исследование процессов формирования поперечных профилей термогазодинамических параметров навходе в сопло штатных ЖРДМТ / С.А. Шустов // Вестник Московского авиационного института, т. 16, №2, 2009, стр. 85-92.

21. Шустов С.А. Численное моделирование термогазодинамических процессов в ЖРДМТ с учетом их неидеального протекания / С.А. Шустов // Вестник Московского авиационного института, т.16, №2, 2009, стр. 146-153.

22. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике / A.A. Алямовский, A.A. Собачкин, Е.В. Одинцов, А.И. Харитонович, Н.Б. Пономарев. СПб: Изд-во «БХВ-Петербург», 2008, 1024 с.

23. Шехтман A.M. Газодинамические функции реальных газов: Справочник / A.M. Шехтман М.: Энергоатомиздат, 1988, 175 с.

24. Основы теории и расчёта жидкостных ракетных двигателей. Учебник для вузов / Под. ред. В. М. Кудрявцева. М.: Высшая школа, 1975, 656 с.

25. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика, издание третье, переработанное / Г.Н. Абрамович. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит, 1969, 824 с.

26. Мельников Д.А. Сопла реактивных двигателей / Д.А. Мельников, У.Г. Пирумов, A.A. Сергиенко // Аэромеханика и газодинамика: Сборник. -М.: Наука, 1976, стр. 57-76.

27. Петров Г.И. Экспериментальное исследование взаимодействия турбулентного пограничного слоя со скачками уплотнения / E.H. Бондарев, Г.И. Петров // Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Аннотационный доклад. М.: Изд-во АН СССР, 1960.

28. Стернин JI.E. К расчёту осесимметричного реактивного сопла наименьшего веса. / JI.E. Стернин // Изв. АН СССР. ОТН, Механика и машиностроение, 1959, № 1.

29. Rao G.V.R. Approximation of optimum thrust nozzle contour. / G.V.R. Rao // ARS J., V.30, No.6, 1960.

30. Пономарев Н.Б. Прямая оптимизация профилей сопел ракетных двигателей / Н.Б.Пономарев // Ракетно-космическая техника: Сборник. Вып. 2 (135). М.: Изд. НИИТП, 1992, стр. 9-20.

31. Shmucker R.H. Ein vereinfachtes Verfahren zur Abshätzung der Leistungsgrenzen von Triebwerken für Kernstufen parallelgestufter Raketen und einstufige Träger / R.H. Shmucker, M.E. Braitinger // Z.Flugwiss. Weltraumforsch., №13, 1989, стр. 137-144.

32. Shmucker R.H. Side Loads and Their Reduction in Liquid Rocketth

33. Engines / R.H. Shmucker // Proceedings of 24 International Astronautical Congress, Baku, USSR, 1973.

34. Frey M. Status of Flow Separation Prediction- in Rocket Nozzles / M. Frey, G. Hagemann // AIAA Paper 98-3619, 1998.

35. Terhardt M. Flow Separation and Side-load Behavior of. Truncated Ideal Rocket Nozzles / M. Terhardt, G. Hagemann, M. Frey // AIAA Paper 20013686,2001.

36. Стернин JI.E. Исследование тяговых характеристик реактивных сопел, спрофилированных разными методами / JT.E. Стернин // Изв. АН. Механика жидкости и газа, 2000, №1.

37. Думнов Г.Е. Исследование перспективных сопел ракетных двигателей / Г.Е. Думнов, Г.З. Никулин, Н.Б. Пономарев // Ракетно-космические двигатели и энергетические установки: Сборник. Вып. 4 (142). М.: Изд. НИИТП, 1993.

38. Dumnov G. Thrust Nozzle Profiling / G. Dumnov, N. Ponomarev, I.iL

39. Eliseev, M. Terhardt // Proceedings of 4 International Symposium on Liquid Space Propulsion, Lampoldshausen, March 2000.

40. Dumnov G. Comparison of Two Methods Used for Contouring Launch Vehicle's Engine Nozzles / G. Dumnov, N. Ponomarev // AIAA Paper 2000-3170, 2000.

41. Стернин JLE. Основы газовой динамики: Учебное пособие. / JI.E. Стернин. М.: Изд-во МАИ, 1995, 336 с.40: Шлихтинг F. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лиг, 1969; 744 с.

42. Petrov GJ; .Determination of the positioniof the supersonic flow closing shock wave in the channels of an air-breathing jet- engine*/ G.I. Petrov // Second Int. Conf.onSpace Enginering, D:; Reidel Publf Go., Amsterdam, 1969:

43. Алемасов B.E. Теория ракетных двигателей: Учебник; для студентов высших технических учебных заведений.; / В.Е. Алемасов, А.Ф: Дрегалин, А.П. Тишин; Под. ред. В.П. Глушко. М: Машиностроение, 1989,464 с:

44. Пульсации давления: при струйных и отрывных: течениях / А.Н. Антонов- B:Mi Купцов; В;В. Комаров: М;: Машиностроение;1990j;272.c.

45. Думнов Г.Е. Нестационарные пульсационные поперечные нагрузки на сопла реактивных двигателей, работающих на нерасчетных режимах: / Г.Е. Думнов // Ракетно-космическая- техника:Сборник. Вып.2 (135): М.: Изд. НИИТП; 1992; стр. 58-70.

46. Сое- G.F;. Pressure: fluctuations underlying . attacks and separated supersonic turbulent boundary layers and shock waves / C.F. Сое, WJ. Chyn // AIAA Paper 73-996, 1973.

47. Hagemann G. Flow Separation and Side-Loads in Rocket Nozzles. / G. Hagemann; M. Frey, Ph. Reijasse; M: Onofri, F. Nasuti, J. Ostlund // Proceedings of 4th International Symposium-on Liquid Space Propulsion, 2000.

48. Ostlund J. Side-load Phenomena in Highly Overexpanded Rocket Nozzles / Л Ostlund, T. Damgaard, M. Frey II AIAA Paper. 2001-3684, 2001.

49. Pekkari L.-O. Aeroelastic Stability of Supersonic Nozzles with Separated Flow / L.-O. Pekkari // AIAA Paper 93-2588, 1993.

50. Nave L.H. Sea Level Side Loads in High-Area-Ratio Rocket Engines / L.H. Nave, G A. Coffee // AIAA Paper 73-1284, 1973.

51. Frey M. Subscale Nozzle Testing at the P6.2 Test Stand / M. Frey, R. Stark, H.K. Ciezki, F. Quessard, W. Kwan // AIAA Paper 2000-3777, 2000.

52. Reijasse Ph. Flow Separation Experimental Analysis in Overexpanded Subscale Rocket Nozzles / Ph. Reijasse, L. Morzenski, D. Blacodon, J. Birkenmeyer // AIAA Paper 2001-3556, 2001.

53. Frey M. Flow Separation and Side-loads in Rocket Nozzles / M. Frey, G. Hagemann // AIAA Paper 99-2815, 1999;

54. Preuss A. An Analytical Approach for the Flowfield Analysis of Overexpanded Rocket Nozzles / A. Preuss // Proceedings of 51st International Astronautical Congress, 2000:

55. Ашратов Э.А. Расчет осесимметричной струи, вытекающей из сопла, при давлении в струе меньшем давления в окружающей среде / Э.А. Ашратов // Изв. АН СССР, МЖГ, №1, 1966. с

56. Reijasse Ph. Flow Separation Regimes Induced by Cap-Shock in Overexpanded Optimized Propulsive Nozzles / Ph. Reijasse, R. .Poutrel // Proceedings of European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS), 2006.

57. Alting J*. .Hot-Firing of an Advanced 40kN Thrust Chamber / J. Alting, F. Grauer, G. Hagemann, J. Kretschmer // AIAA 2001-3260, 2001.

58. Hagemann G. Scalability for Rocket Nozzle Flows Based on Subscale and Full-Scale Testing / G. Hagemann, J. Alting, D. Preclik / Journal of Propulsion and Power, Voh 19, № 3, 2003, pp. 321-331.

59. Stark B. Current status of numerical flow prediction for separated nozzle flows / B. Stark, G. Hagemann // Proceedings of 2nd European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS), 2007.

60. Chen C.L. Numerical Investigation of Separated Nozzle Flows / C.L. Chen, S.R. Chakravarty, C.M. Hung // AIAA Journal, Vol. 32, №9, 1994, pp. 1836-1843.

61. Иванов И.Э. Численное исследование турбулентных течений с ограниченным и свободным отрывом в профилированных соплах /

62. И.Э. Иванов, И.А. Крюков // Вестник Московского авиационного института, т. 16, №7, 2009, стр. 23-30.

63. Xiao Q. Numerical Investigations of Supersonic Nozzle Flow Separation / Q. Xiao, H.M. Tsai; D. Papamoschou // AIAA Journal, Vol. 45, №3, 2007, pp. 532-541.

64. Papamoschou D. Fundamental Investigation of Supersonic Nozzle Flow Separation / D: Papamoschou, A. Zill // AIAA Paper 2004-1 111, 2004.

65. Nasuti' F. Flow Structures and Separation in Overexpanded Rocket Nozzles / F. Nasuti, M. Onofri // Proceedings of European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS), 2006.

66. Wagner B. Test Case la: Short Nozzle Under Separated Flow Condition; Numerical Investigation with the DLR Tau-Code / B. Wagner, S. Karl, K. Hanneman // Proceedings of the FSCD-ATAC Workshop, 2006.

67. Zeiss W. ATAC-FSCD Workshop "After Body and Nozzle Flows" Test Case la / W. Zeiss, R. Behr // Proceedings of the FSCD-ATAC Workshop, 2006.

68. Takahashi M. Transient Flow Simulation of a Compresses Truncated Perfect Nozzle / M. Takahashi, S. Ueda, T. Tomita, M. Takahashi, H. Tamura, K. Aoki // AIAA Paper 2001-3681,2001.

69. Зюзин В.И. О' влиянии закрутки; потока на потери удельного импульса тяги / В.И. Зюзин // Ракетно-космическая техника: Сборник. Вып. 2 (135). М.: Изд. НИИТП, 1992, стр. 35-45.

70. Gross A. Experimental and Numerical Investigation of Heat Loads in Separated Nozzle Flow / A. Gross, O: Haidn, R. Stark, W. Zeiss, C. Weber, C. Weiland // AIAA Paper 2001-3682, 2001.

71. Tomita T. Visualization of the Formation of Separation Bubbles on a Bell-Shaped Nozzle Surface in Relation to Serious Side-loads / T. Tomita, M. Takahashi, M. Takahashi, S. Ueda, H. Tamura, K. Aoki // AIAA Paper 2001-3559, 2001.

72. Luke G.D. Use of Nozzle Trip Rings to Reduce Nozzle Separation Side Force During Staging / G.D. Luke, D.E. Adams // AIAA Paper 92-3617, 1992.

73. Frey M. Critical Assessment of Dual-Bell1 Nozzles / M. Frey, G. Hagemann // Journal of Propulsion and Power, Vol. 15, №1, 1999.

74. Zinner W. Development of Advanced Technologies for Future Cryogenic Thrust Chamber Applications / W. Zinner, D. Haeseler, C. Mading, V. Rubinskij; V. Gorochov, S. Chrisanov, G. Nikulin // AIAA Paper 98-3369, 1998.

75. Haidinger F.A. Numerical Prediction of Flow Separation'for Advanced Nozzle Concept- Applications / F.A. Haidinger, J. Gorgen, D. Haeseler // AIAA Paper 98-3368, 1998.

76. Hagemann G. Experimental and Analytical Design Verification of the Dual-Bell Concept / G. Hagemann, M. Terhardt, D. Haeseler, Mi Frey // AIAA Paper 2000-3778, 2000.

77. Stark R. Cold Flow Testing of Dual-Bell Nozzles, in Altitude Simulation Chamber / R. Stark, Ch. Bohm, O.J. Haidn, H. Zimmermann // Proceedings of European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS), 2006.

78. Hagemann G. Flow Separation and Side-Loads in Rocket, Nozzles /

79. G. Hagemann, M. Terhardt; M. Frey, P.' Reijasse; M. Onofri, F. Nasuti, JLOstlund // Proceedings of the 4th International Symposium on Liquid Space Propulsion, DLR Lampoldshausen, March 12-15, 2000.

80. Широков H:H., Введение в механику жидкости и газа. Учебное пособие / Н.Н. Широков, Э.Н. Вознесенский. М.: МФТИ; 2007, 324 с.

81. Список публикаций соискателя по теме диссертации

82. Публикации^ в рецензируемых журналах (из утвержденного списка ВАК):

83. Пономарев А.А. Экспериментальные исследования нетипичного отрыва потока газа в сопле с коническим насадком / А.А. Пономарев,

84. H.Б. Пономарев // Электронный журнал «Труды МАИ» №40, 2010 г.

85. Пономарев A.A. Исследование потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания / A.A. Пономарев, Н.Б. Пономарев // Вестник Московского авиационного института, т. 17, №6, стр. 66-71.

86. Пономарев A.A. Об отрывных течениях в сверхзвуковых соплах / A.A. Пономарев, Н.Б. Пономарев // Вестник Московского авиационного института, т. 18, №3, стр. 55-64.

87. Статьи в научных сборниках и периодических научных изданиях, публикации в материалах научных мероприятий:

88. Пономарев A.A. Исследование влияния неоднородностей состава продуктов сгорания на удельный импульс и расходный комплекс ЖРД / A.A. Пономарев, Н.Б. Пономарев // Труды XXVI Российской школы «Наука и технологии». Т. 1 .-М. :РАН, Миасс, 2006.

89. Ponomarev A. Experimental Investigations of Flow Restricted Shock Separation in High-Area-Ratio Nozzle with Exit Cone / N. Ponomarev, V. Komarov, A. Ponomarev // AIAA Paper 2009-5145, 2009.

90. Доклады на конференциях, тезисы, краткие сообщения: