Математическое моделирование влияния процесса сопряженного теплообмена в сопловом блоке на энергетеческие характеристики HF-НХЛ тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

р рйкт-пз?шрургс1сми государственный технический университет

На правах рукописи

Булович Сергей Валерьевич

УДК 553.6.011

математическое моделирование влияния процесса сопгпшшого теплообмена в сопловом блоке . НА энергетические характеристики 1ячш1

и1.иг.иь - механика жидкости, газа и плазмы !

Автореферат диссертации на соискание ученой стелем кандидата физико-математических нау!с

СлнктПетербург - 1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете, г.Санкт-Петербург*

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Лашш Ю.В;

официальные оппоненты: доктор технических наук, проф. А.С.Борейшо, кандидат физико-математических наук А.В.Лавров .

Ведущая организация: 4изйко-технический институт им.¿¿Ф.Иоффе РАН.

Защита состоится *2£>,л1993 Г..в Часов на . заседании специализированного Совета I 063¿38.15 Санкт-. Петербургского государственного технического университета (1952514 г.Санкт-Петербург» Политехническая ул. 28, корп. 1« каф. гйдроаэроданамики). ' _

О диссертацией Можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах! заверенные печатью учреждения( просьба направлять по вышеуказанному адреоу на имя ученого секретаря специализированного совета¿

Автореферат'разослал " 993 г;

Учений секретарь специализированного совета) канд. физ;-мат. наук

Д*К. 8айцев

СЩАЯ. ХАРЖТЕГОСТККЛ РАБОТУ

АК1УМШСС1Ь ЛРС'ЕЯШ/. Числсни1.'.? • моделирсггнир- сопряженного теплообмена становиться областью, устойчивого интереса по ряду причгн. В первую очередь слядует нпзвоть; гьтокую сложность или даже невозможность' проЕедеи::я полю^яктогных ■ натурных экспериментов для . широкого спектра -.режимных параметров и воспроизведен™ реального состава смеси рабочего тела. Среди других"не. менее важных аспектов 'следует признать, что.для сложных систем при .воспроизведении гсей .тартины взаимодействия <?изико-химических ■ явлений чрезвычайно " ■ трудно выдержать • согласованность .и пропорциональность . мейду • параллельно протекающими процессами по критерналЫшм числам.- подобия. При постановке, численного эксперимента ряд указанных трудностей успешно разрешается,.однако, и это особенно проявляется в • случае решения, задач внутренних течений, возникает не менее "сложная проблема задания корректных граничных условий. Если, в устройстве-существуют конструкционные" участки, где- возможен активный, взаимовлияющий между, частями, тепломассообмен,, /го априорное задание в этом случае'определяемых в ходе решения Йункцийили их поведение в местах сопряжения может существенно'- исказить всю. картину моделируемых <!иэикЬ-химицеских' процессов" несмотря на. привлечение-'для исследования . достаточно полной математической модели. В таких-случаях.обоснованная постановка'граничных условий может быть достигнута, если вовлечь в рассмотрение большее количество сегментов конструкции. Например,' корректным' набором для высокознергетических агрегатов, являются параметра торможения на входе в устройство и расхб-д охладителя- при известной начальной температуре.. Соответствующий . вариант . теплозащиты отделышх поверхностей определит ¡"актическое" распределение гаэодгна'ьтчсснгх и тёплотехи"чеснгх. н.г>1 .-мгтроп в. грсснг»тр»;влсии. устройстве • и их значение на учостт>?-< гочтр'тл.

ССНОВШК ЦЕЛИ настоящей работы-заключались: .1) с рпэрпботке алгоритма, численного интегрирования -систем*'. урогнсний узкгго ктмпла (УК),- записанных • для многокомпонентной химкчееп! реагирующей гезопой ; смсеи . применительно к лмбг-,1 дгум'.-рн^й кон > игу] ацин гпнпля, шмючяя.н точения.-в сспл.чх Лагпля с икс'к ей степенью лод-'-т'П'л потуга ип пхода к) г'едлизлн"»» мот^дсч- ] 0«!"н.'я

уравнений теплопроводности (111) и . однотеипературной фильтрации (£) для области произвольной ^орш - £) в постановке и рвении задачи нестационарного сопряженного тепломассообмена, для малорасходных, устройств. 4) :t расчете' параметров, работы химического лазера непрерывного' .действия (IKJ1) с ¿четом результатов.. ' математического моделирования '- • сопряженного, тепломассообмена в сопловом блоке. ■"..'.-• .. .

НАУЧНАЯ НОВИЗНА, работы заключается в следую^еш . . I.-Ha основании: ые.тода . масштабирования сжимаемости • (ШС)-, предложеного М.Х. Стрельцом и .JauJI.lfypoM. (Ж&Ш, 1966,, T.icfc, 2,с.254) для расчета дозвуковых "и .сверхзвуковых . .. течений однородного.газа' в' декартовых . координатах и' предложенной O.A. Нехамкин.ой и ЬиЛ. 1%ром маршевой-схемы для интегрирования системы уравнений УК' (Гос. кн-т прикладной химии. ~Препр»JIг,IS9I, 65с.) разработана неявная разностная . схема. численного -интегрирования ■ стационарных Двумерных уравнений . УК. Сочетание ■• Процедуры . определения критического расхода реагирукнцей газовой . смеси', в сопле Лаваля с И»С позволило успешно проводить расчеты для- сопел, • имеющих высокую степень поджатая потока, в дозвуковой-области. . "

2. Разработана 'И реализована . элективная схема решения'-квазистационарной .системы, уравнений однотрмпературной' фильтрации газа' через неразрушаешй каркас для .двумерной области' произвольной iopMSJ, позволяицеЯ учитывать возникающие.. ;пря. определенных ситуациях . инерционныеэ^екта потока в широких. . пределах. ■ '.■; . .;' ',•-■' '" ''.:•" .''■ '.'•■

с. Впервые в достаточно полной постановке - исследован .'процесс тепломассообмена в сопловом блоке HXJi. Получены количественные оценки влияния -тепломассообмена йа шходные характеристики НХЛ. Исследован процесс, выхода устройства на стационарный режим, работы . при водяном охлаадении соплового блока, получены характеристики режима работа устройства при Неисправности системе. „обеспечения охлаждения. • . •■ .' '.• '.." \

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ, В результате проведенных серий расчетов возникла'достоверная информация о тепловом состоянии- плоского соплового, блока и'парЕЛвтрах теплообмена при. различных способах охлаждения. выявлены. зак'ономёрЬсти

поведения конструкции при .выходе на стационарный режим работ и • получены Количественные оценки. Дредложенные програмшые модули' . .2 ' •• . ' , '-

решения задач УК, ТО и 3 могут быть■ использованы ' как -.независимо друг от другаI' так и в любом-сочетании участков- соприкосновения." Конкретное приложение возможно, например, при." моделировании явлений,- происходящих а аппаратах химической . технологии, двигателях малой тяги, теплообменниках и сопловых устройствах.

АПРОБАЦИЯ ЕАБШЫ. Основные результаты работы докладывались на 4' Всесоюзной конференции.. "Кинетические п -газодинамические .процессы в нерашйвесных средах!1 "(Койквя, 6 Вевесжвной школс-оеминаре "Современные. проблей' . газодинамики и тепломассообмена и пути повышения з^-ект.чвностг снеггетических установок" (Москва,К'91), «сО-оЛ. научно-техшческой конференции НПО . г;ш по . актуальным проблемам прикладной химии. (С. -Петербург, КП)

■ ПУЬСКЛ!?;!" . ПО' ■ там дассьртлции. ■ Основные результаты диссертаций изложены в 9 научных публикациях.'

СПУКШ'А И ОЬ"Ш РАШШ. Диссертация состоит из предисловия, пяти глав и списка" цитируемой литературы ( 67 наименования). Она содержит .156 страниц машинописного текста, включая I таблицу и 20 страниц с рисунками. '•'."'

СОДЕРЖАНИЕ РАБ01Ы

ПРЕДИСЛОВИЕ вводит в курс решаемой задачи, определяет.ее место среди других разделов гидрогазодинамики. Здесь нлгало отражение обоснование актуальности работы, формулируется цель, кратко излагаются содержание и основные положения,- выносимые на защиту.

В .ПЕРВОЙ ГЛАВЕ' "кратко . изложены . необходимые сведения, позволяющие выполнить .постановку . задачи - сопряженного тепломассообмена для'соплового.блока НХЛ..-

ПЬРВКЛ ПАРАГРАФ является обзорным. В нем представлено текущее состояние численного исследования сопряженного тепломассообмена. Проведен -анализ трудностей численного моделирования пнутреишгх течений химически реагирующих газовых смесей в рамках обш-х и приблгаонных моделей описания среда и. пути их пргодоленнл. Делается вывод в пользу целссообрпзности для задач качпл&нсго типа пг'п.т!'нть приближенные 'модели в силу преимуществ, срязшшнх с роомс^сштм и Обработкой .'информации при их интегрпро,-лини. Ст{'Плсоищ:'Я. е публикациях опыт показывает, что кспольз.-гяннс

однородных по своей структуре уравнений'УК, Ене зависимости ог режиме течения по .чиг.л} Ьаха,. но многом . предпочтительнее других . моделей пги.:еш-тсяьно к мялорасходным течениям..

Выполнено качественное сравнение - трпспйрационного . и кондуктивного охлаждения устройства. Анализируются математические модели описания состояния фильтруемого газа в пористой среде.'

■ ВО .BTUP» ПАРАГРАйЕ, сф ормулирована задача сопряженного тепломассообмена применительно к сопловым блокам HXJI, Опираясь да • ранее проведенные..исследования конструкция НХЛ представлена в виде взаимодействующих сегментов, 'поведение .которых описывается, в рамках речения задачи УК, ТП.или." Обосновывается' возможность . получения эволюционных решений в квазистационерной постановке. .

ТРЕТИЙ ПАРАГРАФ содержит обзор попроблеме . интегрирования ^ уравнений УК применительно к геометрии' типа 'сопля ' Лявадя» Предлагаемая постановка задачи разрешает' присуч^'Ю уравнениям. УК особенность типа, седловой .точки в .критическом сечении, а- в сочетании с totoC делает ее работоспособной при любых , значениях , локального числа tea.

. ЧЕТВЕРТЫЙ ПАРАГРАФ Зорыулирует.. достаточные , признаки, .когда' решение уравнения .Til является решением уравнения анергии в задаче фильтрации газа. ' _"'.'*. ' : • '

• ВТОРАЯ ГЛАВА- .содержит изложение /алгоритма интегрирования уравнений УК для конфигураций области типа соплаЛавалд. .

■ В ПЕРВОМ' ПАРАГРАФЕ представлена система уравнений. УК ,-для . описания течения многокомпонентной химически реагирующей газовой смеси.: • ' • . ■ '

[fK^lW, =0 : . +(^К - - (щ'.

+(- Wt - ({f. J»)*О i'bt/« . ■: fm 'RpT - jfi.P.fr^T

. Диффузионные потоки компонентов^ определяются из. - соотношений Степана-Максвелла, . коэ|$ициен1щ. вязкости - и теплопроводности . компонентов и коэффициенты бинарной-'- диффузии -'-•по Формулам, молекулярно-кинетической -теории, вязкость и теплопроводность' смеси - по приближенным формулам Уилки.и Масона-Саксены.-

Граничные условия учитывают возможность протекания на стеНках ' i ' •

гетерогенных ' каталитический- реакций в неравновесном или равновесном рсйиме с учетом .произвольного .напраг.адчя' переноса -смеси сквозь поверхности в случае пористости стенок.

Начсль'чь'с условия на входе в канал задаются в виде:

РоЛ, йг^^ад.-

■то есть "определены девлгнге и- -температура, торможения и заданы -"пробили старческой температурь!, . мвссево!! ктцентрации. и расходной .составлявшей вектора скорости. ;Еслй рехш течения определяй.'ло .числу . йаха (в' .интегральном смысле до- или сверхзвуковой для ■-всей исследуемой области), т'о Нормируются статические - Параметры потош во входном сеч они? и осуществляется типичный для системы уравнений УК расчет в . результата одного Маршевого прохода канала, -В случае- расчета течений в соплах Лаваля значение числа !«аха во - 'входном - сечении . и распределение . статического давления; по, длине сопла Задаются- приближенно- и корректируются в результате итераций (серии маршевых проходов с известными- значениями на, входе в сопло - по известному полю давления).

Краевые задачи решаются с помощью конечно-разностного метода. Наиболее оптимальная схема интегрирования-уравнений УК, Запиеаных в консервативной ¿орме.при- широком, диапазоне изменения числа М и темнрратурного - фактора, использует алгоритм локального установления для решаемого ' сечения канала по мере маршевого прохода расчетной области. Принятая, двухслойная аппроксимация обеспечивает второй .порядок точности .по поперечной координате - и первый по продольной. Аналогично'традиционным подходам к .решению •уравнений. УК дискретизация и. интегрирование-Построены так, что бы реиение получалось на базе скалярных прогонок.

ВО ВТОРОМ ПАРЛГРЛйгЕ выполнена ред^-кция к одномерной задаче. Если-значение контравариантной составляющей вектора' скс.рости ь' поперечном направлений на стенке канала представить в виде суиян, отражающей баланс' массы в канале- (то, что .испссмедствечно определяется вдупом) и сшибки, .которую можно связать, гсг и п.р''-тгсгда'синиом способе решенид уравнений УК, с нсгс-ш» «ч-Ы; .. . определения градиента давления:

V = V«/ +

то можно получить следующие соотношения:

™5 'р"Ука?55 - б* -

* /> у

Одномерная задача возникает в результате замени'интегралов н, эквивалентный.набор функций, зависящих от продольной -. координаты. Сущность двумерной задачи .проявилась в значениях источников!« слагаемых отражающих, информацию :.о балансе массы, . трении • и тепловом потоке, Поиск параметров течения в одномерной задаче подчинен тому, чтобы скомпенсировать значение, слагаемых, связанных с неточностью задания поля-давления. Построенный таким, образом.- алгоритм поиске режима течения не.' у отстает по • • времени • счета традиционным подходам методе• "стрельбы",. а в силу того, что лишен необходимости диагностики режиме-как критического ...является более устойчишм для широкого набора геометрических -и. резвашьа параметров.V . . ; ' •. •

'ТРЕТИЙ ПАРАГТ/!- .содержит, рекомендации по построению'' итерационной'процедуры согласования решений задач УК,', полученых при известном градиенте давления 'и системы квазиодномерных, . уравнений газовой динамики, позволяющих сформировать, параметры,, обеспечивающие критический расход и требуемое распределение статического давления вдоль , по соплу Лаваля. Для , втого используется нижняя релаксация к найденым значениям поля Давления и параметрам на цходе в сопло с типовым , значением ко'а^ициента 0.5-1.0. При старте от изэнтропичесного приближения более целесообразно нижнюю релаксации заменить на модификацию граничного условия к ■ ••■••',-

гДе XI -итерационный параметр, который изменяется от 0 до I за несколько итераций, • ■''

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ приведена.система уравнений фильтрации. - "... .

е

|1 , . р**

где н., 0 и л ;. описывают параметры каркаса. На проницаемых • участках границы задается'распределение давления, а на. остальных требуется отсутствие нормальной составляющей вектора скорости. Для уравнения энергии в ка:кдо:3 точке пе£::метрг-'гранив, необходимо задание граничного условгя 1-го-4-го рода.

■ .Нпстпцио.чррлря ■ формулировка требует определения поля температуры На .начальный момент времени. •. Для описания . области . интегрирования произвольной фор.щ применено преобразование коордтаят, согласованное с границей рассматриваемой области;.

Далее изложена- процедура' интегрирования системы уравнений. Выделена система стационарных уравнений> описывающих состояние Газовой базы р,Р. V* и нестационарное уравнение . сохранения энергии» -передающее одновременно ■состояние твердого, тела и. температуры - га'за. ■' Использованный алгоритм . интегрирования" уравнения энергии имеет 2-ой,порядок точности по пространственным, координатам и времени. Для каждого . момента :времени строится стационарное-решение для фильтруемого газа с учетом распределения температуры'в расчетной области. -

•• В-ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлены ссылки на. работы*'' по . которым было 'выполнено тестирование программных : модулей. . Приведены результата для модельных Задач. .".-'_-•'

•В ПЯТОЙ ГЛАВЕ представлены примеры численного исследования сопряженного тепломассообмена В сопловом блоке НХЛ и результаты его влияния на энергетические Характеристики и епектр излучения химического лазера! Расчеты параметров работы полости резонатора НХЛ-выполнены в рамках системы уравнений УК.

. Типовая конструкция соплового блока представлена . на рис Л. Здесь же приведена схема течения, " состав компонентов и ряд. получение .решений, передающих состояние сопловой' лопатш . н стационарном состоянии.

' В ПЕРВОМ ПАРАГРАФЕ продемонстрировано, что для правильного описания процесса сопряженного теплообмена необходимо

рассмотрение.-' конструции сопловой Лопптки .с учетом исех. ее •" геометрических . особенностей к '.корректного 'задания граничных .условий по периметру исследуемой области..' ■ ...

Далее в исследовании приведено две' серии расчетов. В обоих ■ случаях при • одинаковых параметрах" торможения - в ¿©ркамере' и исходных составов компонентов" .'смеси .решена' '.сопряженная, задача теплообмена в квааистационарной ^остановке в лредаоложении, .что' в канале- охлаждения сопловой лепатк.и - реализован интенсивный теплообмен, позволяющий поддерживать постоянную температуру ' на его .стенках. .В. первом" случае исследован. -конДур.тивный !рекйы .охлаждения соплового блока."' Здесь *;е получено решение, моделирующее - возможные неисправности в . системе • обеспечения охлаждения. (Для етого на участке границы, совпадающей с каналом , охлоадеячя сопловой лопйткк, ■ бйло -поставлено -условие .тепловой изоляции) .'■ -Во втором, случае исследован транспирационный способ охлаждения соплового блора на стационарном.режше работы..•

: Расчет ■ neipBoro. варианта является материалом изложения - BTOPCPQ ПАРАГРАФА.' Представленные '• результаты ' расчетов • позволяют утверждать; что .применение ■ предельных допущений о скоросте передачи теплоты в твердом теле (либо постоянство температуры: на поверхности сопловой- лопатки: /| *оо, либо . отсутствие теплового потока в тело сопловой лопатки: Я «0), . приводят • к Существенным ошибкам в определении ряда параметров работы конструкции- НХЛ. Е . качестве характеристик материала •. сопловой / лопатки -. ' были использованы теплотехнические -данные по меди. В этом сшсле все расчеты больше иллюстрируют случай Я •».<» из-за высокого ■> коейфициента теплопроводности меди и. в сочетании с принятием . допущения о'поддержании-низкой температуры на поверхности Канала охлаждения в целом описывают наиболее оптимистическую . ситуации теплового сбстояния соплового бяока.; МекДу тем»; ' даже л развитого охлаждения, соплового блока; зафиксировано;20?$ снижение мощности излучения-.по сравнению с моментом .запуска- установки.' -.

... Результаты .расчета' .- выхода, .параметров 'устройства ..'нг стационарный режим'работы,- Приведены' на -рно.£-£. Здесь же-' нг рисунках ютр1япунктирнай линией отражена ситуация, когда теп'Ло, поступающее с повердаости'канала подачи [окислителя не- попадав? j КвЯал охлаждения, а целиком расхочется на.. Прогрев водорода i сопле подачи - горйчего. В качестве параметров нормировю 6 ■ '- V- ^.V-'/':.;'' "•"..'•'.--•-..: ■'

представленных дункцйональшх • зависимостей выступали соответствующие вначення на момент запуска сопла.

' Ríe.2 отрвдает изменение расхода подачи компонентов в каналах горючего и окислителя. Рйс.3-4 передают поведение среднерасходных характеристик (давления и температуры) газовых потоков- на срезе соплового блока в зависимости от' времени. ' Рис.5 отражает соотношение подведенного и отводимого, тепла в сопловом блоке. • Увеличение температурного' пограничного слоя влечет за собой увеличение газодинамического слоя, что сказывается на уменьшении расхода газа в обеих, соплах Давали и увеличении средней, температуры потока на срезе соплового блока. Прогрев поверхности в сопле, подачи .окислителя уменьшает суммарную тепловую нагрузку (в сопле подачи'горючего она.возрастает), и это оказывает влияние на. оостав. смеси из-за снижения рекомбинации тора в пристеночной области. '

V . Заканчивая описание, параметров соплового блока следует остановиться' на' изотермах, полученых для двух ' стационарных состояний (рис.1, случай а) и б)). Можно констатировать, что-даже для'материала, обладающего высокой теплопроводностью, наблюдаются области с высокими градиентами температуры. Примененный способ охлаждения успешно, решил задачу теплозащиты в - лобовой части сопловой лопатки, однако, при этом поверхность соплового блока- не защищена от воздействия хттсески активного газового . потока, кроме.юго,- и это наиболее существенно,. оказался., прогретым до высокой температуры хвост сопловой лопатки. Последнее -определяет уровень, температуры, в '.зоне, реакции, при которойначинаются процессы в резонаторе НХЛ. " ■' .. | .. '.

: Указанные физик о -х ишч é с ки е процессы, Протекающие; й'. сопловом блоке. НХЛ,' и наведшие', отражение в 'формировании профилей газодинамических., величин'.на- срезе соплового,- блока, вызвали ■ соответсвующие изменения в определении ■ параметров течения в области, резонатора.

, На рис.6 представлено изменение удельных величин: расхода смеси (1),. длины зоны генерации (2), энергосъема и. мощности (2) по кере прогрева сопл&вого блока. При 'моделировании работы устройства.при неисправностях в'системе скяаадения зг*;г,с ¡грешны : существенные изменен™ в -режимах подачи - горючего, п." е?нслкгеля вследствие. прогрева соплового блока. При • этом наблюдается ' " '•'. • " - •■'.'''•"•'.' -9

ч

существенное отклонение от расчетного режима смешения струй.

В ТРЕТЬЕМ 'ПАРАГРАФЕ проиллюстрирована ситуация, возникающая ■ при транспирационном охлаждении соплового блока.. При; принятой, пористости материала соплсвой лопатки давление газа , в канале охладителя подбиралось таким, чтобы при. фильтрации гёлия сквозь-каркас расход охладителя составлял от общего рёсз^>да в сспле. подачи окислителя. Это привело к почти четырехкратному снижению интенсивности- суммарной тепловой нагрузки, по сравнёнмо " с сопоставимым - вариантом, и,, как следствие, . .« i снижению температурных, градиентов- и среднего уровня температур; в теле сопловой лопатки (см. рис.1,в)). На рис.1,г) приведены изобары, которые отражают поведение фильтруемого газа в теле- сспловой лопатке. Одновременно наблюдается оттеснение охладителем Р , Fj и сопутствующих, вксоконагретых компонент смеси- от ' поверхности сспловой лопатки, что приводит к более чем двухкратному снижению потерь .атомарного.-фтора в результате рекомбинации. Формирование погрэнг°чного слоя на поверхности сопловой, лопатки из инертного газа с невысоким уровнем температуры -оказывает прямое влияние на режим работы резонатора HXJI. ■■',.■ ■'.-.•■-'

При транспирационном охлаждении, соплового блока ' струи подачи горючего и окислителя разделены, используя терминологию, принятую при расчете режима работы резонаторов НХЛ, разбавителем ^гелием) с низкой температурой. Сравнивая профили температуры в- дабраных сечениях резонатора НХЛ (см» рис.7)¿ следует обратить внимание на резкий монотонный рост температуры в зоне смешения, струй горшего и окислителя для- случая без применения пористого охлаждения соплового блока. (Это кривые; пронуыерюьаннные соответственно цифрами С-Г-2-2-4. Числовое значение -указывает на положение сечения относительно среза соплового блока в см.). Немаловажным моментом является наличие максимума температуры непосредственно на. ср-езе. - соплового»-блока в зоне смешения еще до начала интенсивного протекания реакции-между горючим и окислителем, что является результатом правильного учета температурных пограничных слоев на стопках , соплового блока; . В случае применения тренс'пррпциоииой. тепл'овсй защит - поверхности, соплового ■ блока .исходный макет.:; м. тс-мп«'раг ]и, шэюишй. нлличием ' температурного' ПОГ5 ПШИК-ГО í-ЛС'Я : гокруг ооплоьой • лопатки,- ро-псрии, - по' . f Cr;i :1:о'П!.г:п гч-л-ч: иг м'гпьше, - п b¡>-i.i"¡vx, н?.- 4 игчельном _ «чпеко 1С

нивелируется за счет' процессов .ди^сТузии, а-затем вновь возникает и развивается уже за счет протекания экзотермических химических реакций. При этом уровень- достигнутой температуры на момент -окончания- генерации, излучения ' значительно ниже (кривые ¿Г-^'-Б-е).

■ В случае традиционной теплозащиты в- районе смешения реагентов на начальных стадиях из-за- более .высокой температуры процессы дк^узте компонентов в-зону реакции и. сами, химические реакции протекают более- интенсивно. При пористом охлаждении присутствие избытка инертного. газа, в зоне реакции приводит к более протяженной зоне генерации и в. итоге, более высокому к.п.д. процесса. . ■ '•' .

На рис.6 приведены 'интенсивности полос излучения для сравниваемых режимов речения в полости резонатора , в зависимости от.продольной координаты",. отс^тываемой от среза соплового блока. Приведенный . результат наглядно- демонстрирует . увеличение протяженности зоны генерации излучения' и снижение удельной световой нагрузки на оптическую поверхность - зеркал резонатора. (Кривые 1-2-3 соответствуют; случаю, без пористого охлаждения, Крише'1-£-о -при применении, пористого охлаждения).

. Дяя полнота гзлскенкя следует, указать, что для сравниваемых конструкций исполнения сопловых блоков расход газовой смеси без применения вдува гелия и при .транспирационном охлаждении составил 1.833 кг/о> длина, зСны генерации: 5.5194 и 6.4в?2 см, суммарная мощность-генерации 130.3 и 103.1 КВТ.- ' ; ' - . :'.'■■'

ВЫВОДа . ,'.;;' _'г ' "•

I. Для- репгения задач сопряженного тепломассообмена применительно к течениям канального типа использованы постановки задач УК для химически реагирующих газовых смесей в сочетании с задачами Т11 и На основании известного метода ММС- и маршевой схемы для интегрирования системы уравнений УК разработана неявная разностная.схема численого интегрирования стационарных двумерных уравнений УК, записанных в дивергентной форме. Сочетание процедур» - определения критического расхода . реагирующей газовой смеси в сопле Лаваля с.ШйС позволило успешно проводить расчеты

II

для сопел, имеющих высокую степень подаатия в дозвуковой области»■ Дчя решения уравнения теплопроводности д- одиотемперотутмой -Тцльтрации газа через нераздешаеш»» каркас попользуется неявная схема второго порядка .точности, пс Бремен;: и • njo?rifадетЬеннйм коотдлнатем. ' - . ':'"'.".'

2. Разработанные численные алгоритма реализованы в веде программ для ЭШ ' серии № fe среде ¡»ji. и под ^провлсшдал операционной системы CC-S на машине .фирмы 66SC0MP не языке . 20FTPAH. - .''..' ' •'•'

3. Высокая универсальность и эффективность программных модулей позволили выполнить ряд конкретных Исследований однородных газов и химически реагирующих газовых смесей в каналах и соплах Лаваля. Наиболее важные результаты этих исследований состоят в следующем:

3.1 Впервые ' исследован . процесс запуска - и," выхода на стационарный режим работы (включая й • аварийный в. смысле-обеспечения охлаждения) химического лазера непрерывного действия. Определены параметры . работы основных элементов, устройства: соплового блока и резонатор» •' HXJI. Установлено,, /что ' за время перехода, составляющего порядка. 10 с,- - даже ' при развитом, охлаждении, из-за процессов теплообмена в' конструкции происходит снижение суммарной мопрости излучения на 20?й. В.. случае неисправностей в охлаждении '.соплового блока уровень, суммарной моарости излучения составит порядка СОЯ , от величины на момёнт запуска НХЛ. .'•'-;..

. 3.2 Выполнен расчет для конструкции, изготовленной ' из • пористого материала,. изменяющего режим тепломассообмена - и' влияющего • в -итоге • на' параметры -генерации излучения. Продемонстрировано, что применение транспкрационного охлаждения позволяет добиться '.ряда преимуществ. ■ Бо-перйых, остается достаточная технологическая простота изготовления -традиционного (днухщейевого)[ блока«в котором однако решены вопросы теплообмена г-зге,ты поверхности материала от воздействия хсмицески актигной rtзн-лй rpf №. Pen; тно ое''п1гсИ1 оггне. ен"гс;гт потерь втокгрчего .' ■'z-'r'-. v резуЛЕТ-гс .if гcr-ti-.j'i/i"--'. . -fio-pioj'Kt, ■ лчг.^г'г''1,уя . течение • п t'i'i-ей гксси с реэспотора,-следует ' констатировать, что.

ло rrorii о/-; п"-1{тпоет1'''рг0« чь i снс<т]«-|щия с пористым еммгсшм Сл;1гм* 1!р1-ч»>;т» <чтя; к. ребс-те решетки, ■ -у которой ест*-Д11ч:г::;-г.,'!Ь!и>{ V- or. для 'тдачг' геля (то с-ть к -трехцелсвой ". К. . '

конструкции соплового блока, где между соплами подачи гогючего и окислителя расположено дополнительное сопло для поддчи ргзбавителя). .

"ПУМ .НАЦИИ ГЮ, ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Еулович C.B., Поспелов В.А. Математическое моделирование физико-химических процессов в малорасходных соплах.-4 Всесоюзная конференция "Кинетические и . газодинамические процессы' в неравновесных средах" / Под ред. Прохорова А.М.-М.:Изд-ео Мсск. ун-та,19ES.-¿24с.

2. Б'лович C.B., Поспелов - Б.А. Решение двумерной задачи Фильтрации газа в произвольной области. //НТК "Проблемы экологии и ресурсосбережения,"ЕК0РЁСУРС-1П". Черновцы. IS9C.

3. Б/лое1гч C.B., Поспелов В.А'. Сопряженная задача теплообмена для- ыалорасходных сопловых блоков.-Гидродинамика. с .В-94. 'Сборник научных трудов. -Л.,изд.ЖШ,1£90,120с. •

,' 4, %лович C.B., Поспелзв В.А., Pj-динский В.А. Проблемы охлаждения и конверсия топлива. 8-ая Всесоюзная школа-семинар молодах ученых и специалистов "Довременные проблемы газодинамики и темлообмена и пути повышения. э^-ектиЕНости энергетических установок",М:МТИ,15.03.SI'

5. Бу-лович C.B. Проблемы охлаждения конструкции гиперэвукового самолета и подготовка топлива. . 20-ая

научно-техническаяконференция НПО ГЖК по актуальным проблемам прикладной химии. Л: Ш1Х., 10.04. SI- . '.'"<•

. Ç.-. Вулович C.B.,,Лапин Ю.В., Поспелов В.А. Др. Отчет о научно-исследовательской, работе "Разработка' " математических моделей-,■ вычислительных алгоритмов и проведение численных исследований'сверхзвуковых течений при наличии ' г'йзи^о-хкмпчгскнх процессов"-. Л.: ЛГТУ, I99C, с.44-71.

7. Б'лович С*В., Лапин Ю.'В., Поспелов В.А. и др. Отчет о »нэучно-исслсдогртольсксй работе "Исследование и разреботка активных-сред мсщшх непрерывных химически лазероЕ." Л.: ЛГТУ, 1590, с.££-120.

£. Еуловнч C.B., Л?ш:н 2.В.,. Поспелов В.А. Отчет о научно-исследсватсльсгой. работе ■ "Ргзработкэ моделей турбулентности для гтсгстенсчных течений п методов т сменяя задач *" "' ' '-'.-' ' ■ 12

сопряженного теплообмена в сопловых аппаратах". Л.: ЛГ1У, IS.9I, с.4-36. ' ; • .

.е. Булович C.B., -Лапин Ю.В., Поспелов В.А. Отчет о научно-исследовательской работе "Разработка' моделей турбулентности для пристеночных течений и методов-. решения . задач сопряженного тепломассообмена в сопловых, аппаратах"..^.: ,ЛГ1У, ISS2, с.£6-128. '

({«ркамера сопловой блок резонатор

Рис. I.

Подписано к печати /30993, Тира« 100 экз.

Заказ .3&8. Бесплатно;

Отпечатано на ротапринте СПбГТУ ■

195251» Санкт-Петербургь Политехническая ул., 29;