Математическое моделирование нестационарных газодинамических процессов, сопряженного теплообмена и воспламенения конденсированных веществ в каналах сложной формы тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

УДК 519.6

На правах рукописи

КИСА РОВ А Светлана Юрьевна

Математическое моделирование нестационарных газодинамических процессов, сопряженного теплообмена и воспламенения конденсированных веществ в каналах сложной формы

Специальность 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

С

Ижевск - 1995

Работа выполнена в Институте прикладной механики УрО РАН.

Научный руководитель - член-корреспондент РАН А.М.Лнпанов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор И.М. Васенин; доктор физико-математических наук профессор В.А. Тененев;

Ведущая организация - ЛНПО " Союз " г. Люберцы.

Защита диссертации состоится " 22 " декабря 1995 г.

в_ час. на заседании специализированного совета при Физико-

техническом институте УрО РАН, 426001, Ижевск, ул. Кирова, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического институтаУрО РАН.

Автореферат разослан "_"_199 г.

Ученый секретарь специализированного совета, д.ф.-м.н

В. Г. Чудинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА'РАБОТЫ

Необходимость исследования нестационарных течений возникает при создании ряда устройств повой техники н. разработке высоко интенсивных технологай. Экспериментальное исследование ; нестационарных течений, особенно при наличии ударных волн ii высоких температур, весьма дорого и трудоемко, а иногда и просто неосуществимо. Эффективным методом исследования нестационарных, течений является численное моделирование, позволяющее получить подробную информацию о происходящих процессах. \

Значительное внимание теоретическому исследованию : нестационарных процессов было уделено в исследованиях, посвященных . периоду выхода на стационарный режим ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ), что связано с необходимостью ? исключё-ния аварийных ситуаций, особепно частых в этот п^под, сокращению /сроков и затрат йа отработку двигателей. Значительный вклад в пссле-дованпе нестационарных процессов в двигателях внесли работы Р.Е: , Хоркшт, Б.А. Райзберга, Б.Т- Epoxinia, А.М. Ливанова, А;В. Алиева в Др. . v • ■ '••••...- "'■';• ''

..'•' v Кромё яисто газодинамических процессоп при расчете выхода •; даигателя на: стационарный режим большую ролЬ играют процессы , прогрева п воспламенениятвердого тошпшй (ТТ); Как правило, при "расчете этих процессов используются з&юнрические зависимости для fc козффцциапгов теплоотдачи. Однако такие йотаошепия но учнты-: '■ вают детальной струотуры течения и, по существу, яшксотся фуикция-Л'ш для сотсошти расчет^^ •/ ' г

, Такое аи положение вещей имеет место п при решении других задач, расшатривагощпх существеннонестационарные даення; процес-. *. СЬ1 в ударных ipy6ai, при заполнении ёмкостей Йгдр^; . <0 : ?':'•. Для того, чгобш'вдоведаь» ргю*6ш le^^'jD^ilÉmB/Bé'i^á'-v : бегая к эмпирическим. формулам,: необходимо- p^ii-'^npsi^ú^b >задачу; иесгациднариого теплообмена; a kotóipyro ¡bxo^itoi -Gí-iцолпьгё уравиенкя Навье- Стокса дга одбуцатх^^ yÉSiféfefc*

ч. шй теплопроводаоста для когщенафовзшгоПфазы.Вдайнбй работе \ Ьбйрзскетная'задача решалась из примере расчета п^цссса поспяймс-i иенга .топлива s двигателзС внутр|тшерныы объемом ^автггепъио

Socroñ фррмь!, предегавляю'вдам собой канал заряда,;пафетодяпдай в йло. Заряд- врсоДаменяется высокоскоростной струей горячего газа, втекающей о "канал. Подобная схема хараст^на дай РДТТ, » которых . .йооттаиёй&ше происходит при помоЩй пусжоБ0го;дан^атой, а также .дЛя цёкоторых прямотЬчньнс воздушнецрейшЬ^йх: V двигателей топливо в которых воспламеняется нто^адйверно струей '' ВбЗд&а. ' ' *

Цель работы.

Построение физической и математической моделей, опнсы-цающих газодинамические процессы, нестационарный теплообмен и процессы <з конденсированной фазе для течений в каналах сложной формы. - .

Создание алгоритмов, позволяющих совместно рассчитывать эти процессы.

Исследование связи детальной структуры газодинамических особенностей спроцессамн восшшменошя и горения для течений в каналах сложной формы. К

Научная новизна.

Впервые построена математическая модель и численно исследована задача о начальном периоде работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя с зарядом из твердого топлива, воспламеняемым потоком воздуха, сжатым ударной волной. Модель построена На основе полных уравнениях Напье-Стокса, учитывает процессы турбулентного переноса, сопряженного теплообмена, воспламенения и горения конденсированной и газопой фаз. .

Показано, что взаимодействие ударных волн с поверхностями каналов, с газодинамическими и тепловыми неоднородностями течений приводит к образованию в каналах вихревых структур. Впервые исследовано влияние последних на общий уровень и возникновение пиковых значений тепловых потоков, на характер воспламенения конденсированной фазы.

. Впервые исследовано изменение турбулентной вязкости во вре-. мени и по объему каналов при их заполнении и показано, что максимальный уровень турбулентности имеет место в областях Ьихревых; структур..

Впервые теоретически показано влияние ударно-волновых явлений на возникновение неустойчивого горения в камерах.

Практическая ценность работы. Разработанный алгоритм расчета нестационарных турбулентных течений вязкого сжимаемого реагирующего газа благодаря использованию метода расщепления векторов потоков высокого порядка точности позволяет детально исследовать широкий класс нестационарных течении, в которых присутствуют ударно-волновые области и пограничные стой, как, например, процессы в ударных трубах, заполнение емкостей, пожары и взрывы и т.д. - .. V..

Показано, что применение критериальных зависимостей оправдано в тех случаях, когда характерное время тепловых процессов значительно превышает характерное время газодинамических процессов.

■ Исследованы различные режимы воспламенения твердого топлива и получена зависимость времени воспламеиення заряда от от скорости набегающего потока. '

Исследована связь режимов воспламенения с геометрическими характеристиками каналов зарядов. Показано, что тот или иной режим реализуется о зависимости от амплитуды отраженной ударной волны. ' .

Реализация результатов работы. Разработанные по данной методике пакеты программ внедрены в КБСМ г. Санкт-Петербурга,. НПО "Союз" г.Люберцы.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на-/ следующих конференциях:

1. III Всесоюзная школа-ссминар " Макроскопическая кинетика, химическая и магнитная газодшгамнко Красноярск,1990.

2. IV » V Всероссийская школа - семинар молодых ученых " ; Численные методы в механике сплошных сред " , п. Абрау-Дюрсо,

^ 1992,1993. .

3. Научно-технические конференции " Ученые - производству " , ИМИ, ИжГТУ, г. Ижевск, 1992,1994. ' .

4. Межрегиональная научно-техническая конференция, г. Пермь, .'1993.'. ' * /\ ' ..■;.•/ ■■■'- '•. ■'.'; '

5. .МежДународаая ппсола-огшнгар " Бнутрикамерные процессы, горение и газовая динамика днеперенкх систем-", г. Сашсг- Петербург, 1995. : V.

6. Международмый семинар по химической газодинамике и горе-1ппо высокоэнергетнчсских материалов, г. Томск, 1995.

•лу; Опруюнурл'-Ч объем.' Диссертационная работа объемом 460 стр. включает в себя введение, 4 главы,- заключение, список литераторы из. ^20 наименований. В диссертацию входит 5"?■ рисунков:

' СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во владении дан краткий ■ обзор сутцествующпх т; Настоящему " времени работ, посвященных нестационарный течениям, , показаны ■ сложности численного решения ксстздйонарикх задач, отмечены

осюбапгоот! нового под хода,;прнмеценного в работе, а. также опнсаио . . . содержание птав. . '/"' ■ •• ' • • -

Перист глава состоит га наш параграфов.К переем %а т\х {: м'" описывается совре?дашое состояние исследоагшй пестэцгюнарного; .■.■ теплообмена.^-.; "' Оч-'-'.. '"'•'-.'.;

В качестве прнмфа'применения рдарабогашой методики вы., полнено кссяеяовзнйе начального повода работы твфд<лх)гш1внЬгЬ ;

ПВРД (рис.1) актцвно - реактивного снарада ( APQ. Стартовое ускорение такой снаряд получает & стволе орудия, а при выходе его ю ' ствола в головной часта корпуса открывается воздухозаборник; ù по его каналу о камеру поступает сжатый воздух, который и воспламеняет заряд а двигателе. . .

Второй параграф посвящен постановке начальных и граничных условий, соответствующих физической модели задачи. Полагаем, что в начальный момент даьпение и температура в камере.равны атмосферным, а газ в объеме неподвижен. Концентрация атмосферного воздуха в камере считается равной 1, а концентрации продуктов горения топлива и продуктов их реакций с воздухом - нулевые.

Так как исследование обтекания снарада и процессов в воздухозаборнике не проводилось, то для упрощения задачи система скачков уплотнения в воздухозаборнике заменена одним прямым скачком на входе в камеру двигателя. Параметры на этой границе рассчитываются по соотношениям на скачке уплотнения.

Сопло двигателя в назальный момент закрыто заглушкой, удаляемой напором потока воздуха. Поэтому на выходной границе сначала ставим условия отражения. Когда давление вблизи выходной -границы достигает заданного уровня, считается, что заглушка удаляется из сопла, и начинается сверхзвуковое истечение, то есть параметры на выходной хран1ще экстраполируются из внутренней области.

При прохождений через скачки уплотнения воздух нагревается и при контакте с поверхностью топлива воспламеняет ее. Прогрев топлива описывается уравнением теплопроводности. С целью упрощения задачи была принята гипотеза о том, что в довослламешпельный период химические реакции окислителя с продуктами : разложения . топлива, так же, как и гетерогенные, происходят непосредственно на поверхности заряда с образованием конечных продуктов реакций. После воспламенения топливо горт со стащюнарной скоростью. Перемещением поверхности горения пренебрегаем ш-за кратковременности процесса. .У-..-.'-v • ' В третьем параграфе приводятся уравнения математической модели. Она включает в себя полные осредненные уравнения Яавье-Стокса, а также уравнения для концентраций компонентов и уравнение, моделирующее турбулентную вязкость. Данная сисгема уравнений записана в Векторной форме и имеет вид:

где:..'

Q *• ( P» P", pv, pC, pvr, pQ У - вектор независимых (1 a)

переменных; \Т

F = (pи, рг? + p, pw, puH, p:rvT, puC, ) , _ ; ; - (i6) C" (pv, P«v, pvJ pv#, pw r, pvC, J

вектора конвективных потоков;

_ / ' T " °B)

вектора диффузионных потоков;

Gi-^CU'.v.tf.Yr.cJ,

-7 т \г (,г)

■ В этих формулах К, Е„, {? - предокспоиент, энсрпш актива-цго1 и тепловой-эффект газофазных реакций, г ,'. г^ - компоненты тензорааязкнх напряжений; * тепловые потоки в соответствующих направлениях ; уг - кинематическая турбулентная вязкость. С/ - концентрация г - ого компонента газовой смеси ( 1 - атмосферный воздух, 2 - продукты сгорания топлива, 3 - продукты их догорания в воздухе); ГГу - скорость образования 1-го компонента. Через

Дг^ обозначена совокупность членов модели турбулентности Л.Н. Се-

кундопа, описывающих генерацию п диссипацию турбулентной вязкости. ' ■•

• В этом же параграфе уравнения ( I ) преобразуются к новой системе координат: .

*г),-

7, Г).

Это необходимо для изменения формы расчетной области от сложной к более простой. С другой стороны, переход к новым координатам необходим для измельчения вычислительной селен в областях, где параметры претерпевают наиболее резкие изменения. В данном случае такой областью является зона вблизи поверхности заряда. Пос-

ле преобразования всех производных » уравнении (1) получим новое уравнение того же вида, что и (1):

bQJ 8F dG „ 1 /а д Л '■.„ Beicropa в новой системе координат запишутся как:

Здесь / - якобиан преобразования, а Чг. . Чг метри-

ческие коэффициенты. Аналогичным образом будут выглядеть выражения для других потоков.

В четвертом параграфе сделал обзор моделей турбулеит-ностн. Обсуждаются такие методы, как прямое численное моделирование; моделирование крупных вихрей: полуэмпирпческис методы.

Поскольку гаобая модсль турбулентности дает лишь при-ближепное иредскишенис о процессах в турбулентном потоке, целесообразно примаить более простые однопараметрнчеекпе модели, которые вкшочахот небольшое числоэмпирических постоянных. Исходя ш этого была, выбрана модель для турбулентной вязкости, предложенная Коважным п ыодифицированнал Секундовым. Эга ыодель представляет собой дифференциальное уравнение для турбулентной вязкости. Оно приведено выше. ;

Во второй главе: обсуждается алгоритм расчета и пс-пользуемый при его построении метод расщепления векторов потоков. 1 В состав второй главы входят пять • параграфов. Первый из них - это краткая характеристика ншйейных .монотонных методов решения задач газовой дапамнкп. Однимнз_ таю!х методов является метод расщепления вектс^ов потоков. Впервые он был ^разработай Стегсром и Уормингом, а впоследстзии усовершекствбваи вал Лирои. Это метод : сквозного счета, использующий разнбот! против потока. Суть метода : описана во втором пвраграфе.

В следующем; п;реш&н параграфе обсуждается кснользова-- ние метода расщеплеиия потоков в условия* криволинейных обоб-• щенных координат. " i, . . : ч '.".-"•■■■•.>',

. .". . •• Разностная схем£ й пэдвясваз^^ даются

, к четвертом параграфе второй 171авь1. Шак даскрегю уравнения будут иметь ввд: " ' : ;

д

+ Д гг)и

Номера I н ] присваиваются центрам ячеек, в которых определяются значения всех параметров. Граи» ячеек нумеруются дробными

индексами: / ± ^, у ± ^ .

После линеаризации уравнение (3) принимает вид:

где Л ий-матрицыЯкоби.

Вычисление потеков Е и С правой части уравнения ( 4 ) производи гсч с использованием метода расщепления ректоров потоков. Диффузионные потоки аппроксимируются центральными разностями.

Следующая ступень алгоритма - расщекление уравнения (4) по координатным направлениям н физическим процессам. После этого уравнение распадается на следующие:

- <5б>

Используя преобразование подобия

А - А* + А' - + ) АГ/

. приведем ( 5а) к виду:

+ "А й-у)

- мАл -Ам-*{ЛЙ<М - V

Введем следующее равенство: Д » Л/^'Д } . Тогда

- ла-у)- л-Ддй+и - )] - (6)

Так как Л* - диагональные матрицы, уравнение ( 6 ) может быть решено скалярной прогонкой. После этого находим Д£> , ,^ . Затем таким же образом проводится прогонка в

другом направлении, для уравнения ( 56 ). Наконец, последнее из уравнений (5в ) также решается методом прогонки. Так, для одного из уравнений импульсов схема будет следующей:

---

J.I.V . (7)

л

После того, как получено окончательное значение приращений Д£ , находим значения всех параметров на новом временном слое.

Реализация граничных условий в атгоритме описана в патом параграфе.

Результаты проведения тестовых расчетов но разработанной методике изложены в третьей главе. В качестве тестовых рассматривались несколько задач: распад произвольного разрыва, отражение ударной волны от твердой поверхности; формирование пограничного 'слоя на бесконечной плоской пластине, внезапно помещенной в равномерный поток и развитие турбулентности в нем: течение в осесим-мегричном сопле; отрыв пограничного слоя при взаимодействии со скачком уплотнения. Результаты исследований обнаруживают удовлетворительное или хорошее сходство с экспериментальными данными, а также с результатами других работ.

Кроме приведенных выше тестовых задач, эффективность методики для расчета течений, включающих как ударно-волновые об-

ласти, так и пограничные слан, была подтверждена при проведении расчетов воспламенения в двигателе, приведенном па рнс.1, с диаметром какала воздухозаборника, равном диамегру канала заряда. Результаты расчетов этой задачи приведены в первой параграфе четвертой главы, которая "посвящена описанию численных исследовании по данной методике. После открытия воздухозаборника по каналу заряда начинает двигаться ударная волна, за которой формируется спутный ' поток, а на стенках капала ( поверхности заряда) нарастает пограничный слой: Начальный период работы такого двигателя напоминает работу ударной трубы, поэтому для сравнения могут быть использованы соотношения из теории ударных труб. Сопоставление некоторых параметров потока на начальном этапе работы /цшгателя (до отражения ударной волны от сопловой части) пуп разных числах Маха полета снаряда М„ с вычисленными по этим соотношениям показывает хорошее совпадение, как качественное, так н количественное ( рис.2 ).

Расчеты проводились дал разных чисел Маха набегающего пото-1' к а. Оказалось. что число Мп влияет на качественную картину воспламенения. Так, при низких (< 2) числах А/, заряд не воспламеняется вовсе из-за недостаточно высокой температуры вдуваемого воздуха. При очень высоких Мп 2 б заряд воспламеняется вслед за движением фронта ударной волны, т.е. практически мгновенно из-за высокого, уровня тепловых потоков. Рассмотрим процессы, происходящте в дчнгателе • при числах Маха 2< М„<6.

' Ниже описываются результаты, характерные для 2 < Мп < 4 ( на пртгере М„ ~ 3.4 ). За движущейся по каналу ударной волной течение лвляегсл квазистационариыМ. В таких случаях, как правило, используют критериальные соотношения для кооффяциеггта теплообмена а. Однако если сравнить расчетное распределение теплового потока в заряд с получении;,! при использозашш стандартных кр:гг«риальных соотношений для ламинарного и турбулентного пограничных слога, ока- , зываеггея, что удовлетворительное совпадение имеет место го;глсо в области, достаточно удаленной как от кромки капала, так и от фронта ударной вош.ы (кривые 1 рис.3). Это вызвано тем, что критериальные соотношения не учитывают реальных особенностей течения.

Достигнув сопловой части, ударная полна отражается от сопловой части и вызывзет отрыв пограничного слоя на стенке канала. Из-\ вестно, что отрыв потока под действием падающей ударной волны , приводит к возрастанию теплового потогса (кривая 2 рис. 3 ). Экспериментально усгаиогтеио, что при этом йынеяпягтея следующее соотношение: : . . , •

0,8$

<7.

2

(8)

где индекс " 1 " обозначает параметры перед отраженной ударной волной, а " 2 " - параметры за ней. Это соотношение с удовлетворительной точностью выполняется и при расчетах по данной методике. • .

Отрывная зона и связанный с ней пик теплового потока передвигаются вдоль поверхности заряда, способствуя ее прогреву. Однако из-за кратковременности воздействия заряд не успевает воспламениться за время движения отраженной ударной волны. Б этом случае воспламенение происходит на стадии, когда газодинамические процессы уже установились. Здесь можно сравнить уровни тепловых потоков, рассчитанных пс данной методике и по критериальным соотношениям. Как видно по рис. 3 (кривые 3 ), совладение между шши достаточно хорошее. Таким образом, критериальными соотношениями можно пользоваться в том случае, когда характерное время газодинамических процессов гораздо меньше характерного времени для процессов тепловых.

Наиболее сложный характер имеет воспламенение при Мп = 4 + 6 В этом случае тепловые потоки к поверхности заряда достаточно высоки , п ее температура достигает температуры воспламенения практически сразу вслед за ударной волной. В первую очередь происходит воспламенение заряда у кромки канала. При отражении ударной волны от стенок сопла на оси резко возрастает давление, так как здесь фокусируются отраженные ударные волны. Из-за этого происходит образование приосевой вихревой зоны на. входе в сопло (рис. 4 а). Это ведет к.развороту струи и ее присоединению к поверхности топлива, что вызывает пиковое повышение теплового потока » этой точке, сохраняющееся в течение всего времени существования вихря. Таким образом, соотношение ( 8 ) здесь уже не выполняется. Действие повышенных тепловых потоков приводит к воспламенению заряда также и в хвостовой части.

Отраженная волна, двигаясь по нестационарному потоку, состоящему из ядра и пристеночного слоя, расщепляется с образованием косого скачка (так называемого предвестника ). При достижении волной горящей поверхности это расщепление становится еще более заметным, так как скорость движения ударной волны в пристеночном высокотемпературном слое выше, чем в более " холодном " ядре. Положение и вид отраженной ударной волны в различные моменты времени Показаны на рис. 4 б, в.

Когда отраженная ударная волна достигает входного сечении, здесь может резко возрасти давление, что приведет к росту температуры и, как следствие, скорости химических реакций между продуктами горения топлива и атмосферным воздухом. А это, в свою очередь приведет к еще большему росту давления на входе и возможному нарушению режима работы воздухозаборника. Такие явления набдюда-

лись при отработке ПВРД. Необходимо учитывать возможность появ-. ления таких режимов, что и позволяет сделать данная методика.

Зависимость времени воспламенения от числа Маха набегающего . потока приведена нарис. 5.

Больший практический интерес представляет исследование процессов в двигателе, где во входном сечении имеется резкое расширение ( ступенька ). Результаты расчетов приведены по втором параграфе. Высота ступеньки была принята равной 0.03 м, а диаметр воздухозаборника составлял 0.61 от диаметра канала.,Предполагалось,- что снаряд движется со скоростью 2000 м/с. Шп - 5.6)Для того, чтобы установить, как зависит-ход воспламенения от геометрических характеристик двигателя, в частности, от соотношения размеров критического сочетай и каната заряда, был проделан ряд расчетов, з которых этот параметр варьировался.

Начальный период заполнения для этих вариантов проходит ■ одинаково и совершенно отличен от предыдущего случая. Благодаря наличию резкого расширения структура течения напоминает истечение нестационарной сверхзвуковой струн. В частности, наблюдается образование бочек, хорошо, заметных па рис. 6а . Однако картина усложняется отражениями ударных вочп от твёрдых поверхностей. В начальный период формируется возвратное течение между ступенькой и местом первого присоединения струи к поверхности заряда. Другая особенность течения - образование пристеночного слоя переменной. толщины( в зависимости от характера течения в ядре потока) вслед за прохождением ударной полны. Необходимо отметить, чго в этих областях длительное время сохраняется наиболее ншкая но всем объеме температура и, следовательно, уровень тепловых потоков в -топливо. Лишь з тех местах,, где толщина пристеночного стоя наименьшая, то есть п местах прилипания струи, наблюдаются пики турбулентной вязкости и теплового потока, а также наибольшие значения температуры поверхности заряда.

Рассмотрим наиболее подробно ход процесса после отражения

добно предыдущему случаю, то есть с образованием присоплового вихря, который здесь занимает значительно большую зону и сохраняется в течение более длительного времени. Обтекающий вихревую область поток высокотемпературного газа присоединяется к стенке и. воспламеняет заряд в его хвостовой части. В этом случае также имеет место расщепление отраженной ударной волны с образованием пред-

ел.

для соотношения

= 0.375. Само отражение происходит по-

вестника, которое вызнано отставанием приосепой части волны, где скорость встречного движения газа значительно выше, чем в пристеночной области. Явление расщепления ударной волны в неоднородных средах и возникающей при этом глобальной перестройки потока отмечалось в некоторых теоретических и экспериментальных работах. Отметим; однако, что данный случаи отличается значительно большей сложностью из-за наличия встречного потока, ограничивающих поверхностей и т.д.

Течение за отраженной волной имеет очень сложный характер (• рис. 6в ). Здесь присутствуют волновая структура, цепочка вихрей, а также колеблющаяся контактная поверхность, разделяющая ядро потока и пристенную зону, в которых потоки газа движутся в противоположных направлениях.

В результате взаимодействия отраженной ударной волны с прямыми скачками уплотнения в струе втекающего воздуха, в этих зонах происходит кратковременное резкое повышение давление, нз-за чего на оси появляются области возвратного течения (рис.бг).

Фронт горения в камере с соотношением диаметров

0.375 движется от хвостовой части к головной. Когда ударная волна достигает первой " бочки " , струя отсоединяется от поверхности заряда, н отрывная зона размыкается. Таким образом, к головной части заряда начинает поступать горячий газ, что создает более благоприятные условия для воспламенения (рнс.б д). , ..

При последующем отражении ударной волны от входного сечения образовавшиеся за ней структуры сглаживаются и постепенно исчезают, кроме вихревых зон, которые сохраняются в ходе последующего процесса, меняя вид и расположите при взаимодействии с отраженными ударными волнами ( рис.б е, ж }. Благодаря наличию этих зон продукты горения топлива и атмосферный воздух лучше перемешиваются, что обеспечивает их более полное сгорание. В областях этих вихревых структур уровень турбулентной вязкости по каналу наиболее высок. Этот уровень сохраняется в течение длительного времени, что может оказывать влияние на процесс горения и б стационарный период работы двигателя,

В том случае, когда отраженная воина не возникает, как при

= 1 ( такие камеры используются в гиперзвуковил ПВРД ),

отрывная зона за входной ступенькой долгое время остается замкнутой. Воспламенение начинается в месте первого присоединения сгруи, где наибопее высок уровень тепловых потоков (рис.7). Затем заряд воспламеняется в точке вторичного присоединения, и, таким образом, возникают два расположенных вблизи очага горения. После воспламенения, а результате повышения давления и чемперагуры, струя отсос-

диняется от поверхности заряда. Затем горенке распространяется к хвостовой части, а головная, где наиболее низок, уровень.температуры газа и тепловых потоков, воспламеняется в последнюю очередь.

По описанной выше схеме происходит и воспламенение п камере

У

с /и - 0.875, Однако из-за наличия слабой отраженной волны и

' ик ли

связанного с ней отрывного пузыря пристеночный слой имеет гораздо большую толщину, чем в предыдущем случае. Поэтому уровень тепловых потоков здесь ниже (рис.8 а), и воспламенение происходит значительно позже. Интересной особенностью данной конструкции является образование вихревой зоны в приосевой части (рис.8 б) после вторичного отражения ударной волны от первой " бочки " втекающей струи.- В дальнейшем этот вихрь удаляется через сопло, оказывая, однако, значительное влияние на процессы в камере, так как основной поток, обтекая его, разворачивается к стенке, из-за чего резко возрастает тепловой коток к поверхности заряда. Пик на кривых теплового потока перемещается по мере продвижения по каналу вихревой Зоны (кривые 2,3 рис. 8 а).

Перемещение фронтов горения в зависимости от времени для не-' которых исследовавшихся случаев отражено на рис.9. На графиках нанесены стрелки, показывающие направление их движения и точки появления и исчезновений. Эти рисунки иллюстрируют закономерности процесса воспламенения топлива, описанные ранее. Построив касательные к этим кривым, можно определить скорость движения пламени по заряду на различных этапах горения. Можно заметить, что в том случае, когда воспламенение поверхности топлива происходит вслед за прямой или отраженной ударными волнами, скорость распространения фронта пламени значительно выше, чем при обычном конвективном теплопереносе (рис.9 а, б ).

'Таким образом, можно'сделать вывод, что сложная структура потока в период заполнения объема двигателей оказывает существенное, а в ряде случаев определяющее влияние на уровень тепловых потоков и процесс воспламенения. Принятая математическая модель и используемый алгоритм позволяют достаточно полно исследовать все эти процессы в совокупности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Впервые проведены исследования начального периода работы различных типов ПЗРД на ТРТ и особенностей воспламенения в них. Показано, что при низких числах Маха набегающего потока воспламенение происходит после окончания волновых процессов в камере, что позволяет в этих случаях пользоваться квазистационарными софт-ношениями для коэффициентов теплообмена.

2. Впервые теоретически предсказан ряд эффектов, характерных для нестационарных Течении в каналах при высоких числах. Маха Мя и исследовано их влияние на теплообмен. К таким эффектам относятся следующие:

- наряду с появлением отрывных зон при взаимодействии ударных волн с пограничными слоями наблюдается образование лриосевых вихрей, вызванное взаимодействием ударных волн с поверхностями каналов и скачками уплотнения во втекающей струе газа;

- обусловленное обтеканием вихревых зон возникновение локальных пиковых значений тепловых потоков к поверхности топлива, перемещающихся вместе с перемещением вихрен; • ii

- расщепление отраженных ударных волн при их взаимодействии v с тепловыми и газодинамическими неоднородностями, связанная с ' этим глобальная перестройка течения , приводящая к возникновению пиков давления на оси канала:

- образование системы вихрей за отраженными волнами, сохраняющихся в канале в течение длительного времени;

- повышение уровня турбулентности в вихревых, областях и ее влияние на дальнейшее протекание процессов в канале.

3. В условиях 11ВРД эти явления оказывают существенное влияние на процесс воспламенения топлива и протекание реакций в газовой фазе. В частности показано, что положение очагов воспламенения и скорость распространения фронтов горения существенно зависят от газодинамических особенностей течения, обусловленных скоростью полета снаряда и геометрическими параметрами камеры.

4. Теоретически показана возможность возникновения в условиях ПВРД неустойчивого горения при взаимодействии ударных волн с : фронтом реакций в газовой фазе, приводящих к резким повышениям в камере давления, температуры, скорости химических реакций в газовой фазе.

5. Созданы методика и пакет прикладных программ для расчета турбулентных нестационарных течений сжимаемого газа, сопряженно го теплообмена, процессов воспламенения и горения. По разработанной методике выполнен ряд тестовых расчетов. Их результаты показали удовлетворительное совпадение с известным/! аналитическими и эмпирическими зависимостями для газодинамических параметров течения и тепловых потоков. N

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: ■ .

1.Липанов A.M.. Кисаров Ю.Ф., Кисарова С.Ю. Математическое моделирование процессов воспламенения и горения в турбулентном двухфазном потоке.-Тезисы докладов на II! Всесоюзной школе-семинаре по макрокинетике, Красноярск, 1990. с.35-38.

2. Кисаров Ю.Ф., Кисарова С.Ю., Кточншсо» И.Г. Математическое ' моделироваше И исследование механизмов турбулентных потоков. -Отчет по НИР. ИМИ, шш. 02910007032 ВНТИЦ, Ижевск, 1990. 62 с.

3. Кисаров Ю.Ф, Кисарова С.Ю., Мерзлякова Н.И. Разработка ком* ' плекса программ по исследованию теплообмена в силовых цилиндрах. - Отчет по НИР ИПМ - КБСМ, инв. 4 ИПМ, 1991, 119 с.

4. Кисарова C.IO. Разработка методов решения сопряженной задачи теплообмена при заполнении камер сгорания двигателей. - Отпет по НИР ИМИ инв. 02920003052 ВНТИЦ . Ижевск, 1991,40 с.

5; Кисарова С. 10. Теплообмен в объемах с движущейся границей. -Тезисы докладов паучяо-технической конференции "Ученые ИМИ - производству", Ижевск, 1992, с.ЗЗ.

6. Липзпоа А.М., Кисарова С.Ю. Численное моделирование газодинамических процессов и теплообмена в замкнутом объёме на стадии заполнения. - Тезисы докладов IV Всеросжйской шкоды молодых ученых " Ч ислеиныз методы мехашгкл сплошной среды" , , : Красноярск,.1992, с.77'79. , . ; > К ' . .

7. Кисарова С.Ю., КшочтжОЬ.ЙЛ*., Мерзляк'оеи К.К. Разработка чис-лейкых алгор1пмоа высокого порядкаточпости.:- Отчет по НИР ИПМ; 1ИШ.02940002410 ВНТИЦ; ЙжевЦ 4995,43 с.

. 8.TOicapóna С.10.,;Шумихин Расчет -5ШйЛ1мЬХ91ад^сйроваяиов | {> фазы нгзхарактсрнстнки турбулентности э сверхзвуковых струях. - > Тезисы докладов V Всесоюзной школы молодых yneHiix, Росгов-иа->,-

' Дону, 1993,с. 15. . .,:/..,. ..-v.:;-.. .

; ,9. Kiicapofiá'C.lO. Числбнное исгаедогшййе турбулентныхц

. течений. -Тезисы докладов 'Мсзрегнопалыюй научно-технической :.) ¡

Ш."Кисарова СЛО.ВоамаМенашетошякз областях сложной формы. - Тезисы докладов научно-технической конференции НжГГУ, 'Ижевск, 1994, с.!55. . ; v '•■-''• •.'■"".,..■•'•■'.

11. КисаровЮ.Ф., Шушдаш А.А., кисарова G.IO. Исследование мно-

: госдойных течений в камерах, соплах и струях для. обеспечения

флуктуаций пространственной структуры факела. - Отчет по НИР ИПМ, инв. 23 Й.ПМ, Ижевск, 1994,62 с."

12. Липанои Á.M., Кисаров Ю.Ф., Кисарова СЛО. Взаимодействие ;

• ударных воли с погратпшмми слоями при запуске двигателей.

Труды Мегсдународной школы-семинара по внугрикамерным про- , цессам, горению и газовой динамике дисперсных систем, Саикт- Д • Петербург, 1995, с. 27-29. f ^ ;

Рис.2. Зависимость параметров за ударной волной и в ¿путном потоке от числа Маха полета снаряда М,. Сплошная лкши - расчет по данной методике; значки - расчет по соотношениям теории ударных труб.

А,о» •

МВт/ц»

Газораспределение тепловых потоков к поверхности заряда с ¿¿о ¡¿г* 4с анЛМ„- 3.4); сплошная лиши - расчет по данной методике, луипстнр - расчет по |фнтериальнЬму ' соотношению.' 1 -Г» 0.66 мс; 2-Г= 1.415 мс;

3 - < = 5.4 мс. .

6

4

2 \

0

2 4 6 8 М„

Рис.5. Зависимость времени воспламенения от числа Маха полета сна-рад» Д/„. Кривая 1 - время начала, кривая 2 - время конца воспламенения.

а)| = <Х98кс

ии = 1.4Яиг

Рис.4. Структура течения в камере с (¡ю, т: после отражения ударной волны ( Мя - 4.8 ).

. . 6) t= 1.08 мс

»)t = 1.5 мс

r>»- \Stuc

■lIiiitiF

fl)t = 2.0I MC

|||SlipiSi|il|liiiilll

e)t = Z32nc

' Рис.6. Kaprima течения в каиеро с рёшш расширением на входа

' ^vï -Ó375. ::

\"V/-:,a» «и:-;:;:

0-,

МВт/м1

/Л 1

Ул

2 N

0..

МВт/м»

0.2 0.4 0.6 .хлс

За

(к \ * V

~г— / Г

0.2 0.4 0.6 Х.М

Рис.7. Тепловые шпом» к поверхности заряда в камере сгорания с резким расширением на входе и отношением

I • 1 в 0.85 мс; 2 -1 = 4.17 мс; ' 3-1»5.5» «с.

Рис.8. а) Тепловые потоки к поверхности заряда в камере сгорания с. резким расширением на входа и Отношением ^ 0.875 .

1-1 = 2.3мс;2-1 = 3.6мс; 3-1 = 4.15 ме.

Рис.8 6) Эаолюцня пркосевого вихря а етшере с « 0.875

И

\ = З.б не

I = 4.15 ис

Х.М 0.6 0.4 0.2

. .. > >

0 . 0.5 1.0 1.5 tjtc

a) du« = d им

х.м_.

5 7 9 И /,.«с B)dww< dон¡«Wd«,®0.875

х.м

0 2 4 6 I.mc 6)dmt< dmíídíj/A"ms0.375

jr,.«

0.6 0.6

0.4 / / • 0.4

0.2 jL 0,2

0 0

3 5 7 9 * f. мс

r) dan* < d ш ; Atf! duu = I

Рис.9 Перемещение фронта горения по заряду для различных типов двнгетелей. •'

Додпасенэ з печать 9.П.95, Тира* ICO 8КЗ. Захаэ Р 2364. Объединение * Полиграфия "