Недетерминированное моделирование теплофизических процессов в камерах сгорания

Дронов, Павел Александрович

Недетерминированное моделирование теплофизических процессов в камерах сгорания тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Дронов, Павел Александрович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Воронеж МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Недетерминированное моделирование теплофизических процессов в камерах сгорания»

Автореферат диссертации на тему "Недетерминированное моделирование теплофизических процессов в камерах сгорания"

На правах рукописи

ДРОНОВ Павел Александрович

НЕДЕТЕРМИНИРОВАННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ

Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая

теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ЛЕН 2011

Воронеж-2011

005003016

Работа выполнена в ФГБОУ нический университет»

ВПО «Воронежский государственный тех-

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Кретинин Александр Валентинович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Батаронов Игорь Леонидович;

кандидат технических наук, доцент Гуртовой Андрей Александрович

Ведущая организация ФГУП «Турбонасос», г. Воронеж

Защита состоится «22» декабря 2011 г. в 1000 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.05 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан «22» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бараков А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Проектирование систем смесеобразования и охлаждения камер сгорания двигательных установок и энергетических систем является ответственной задачей, при выполнении которой важную роль имеет оптимизация гидравлических характеристик смесительных элементов для обеспечения расчетного распределения соотношения компонентов и расходонапря-женности в поперечном сечении камеры сгорания. Смесительная головка и тракт охлаждения одной из самых теплонапряженных энергетических установок - жидкостного ракетного двигателя представляют собой набор большого количества однотипных элементов - форсунок и охлаждающих каналов. Коэффициенты расхода и гидравлического сопротивления таких элементов вследствие неизбежных технологических погрешностей их изготовления имеют случайные отклонения от номинальных значений. Допустимый диапазон отклонений, который отмечается в проектной документации, может составлять от десятых до нескольких процентов. В ряде случаев выявленные проблемы при экспериментальной доводке камеры двигателя приводят к необходимости снижения допустимого разброса гидравлических характеристик форсунок за счет усложнения технологии их изготовления, повышения количества отбракованных форсунок, т.е. существенного удорожания и больших сроков выполнения проекта. Неравномерность распределения компонента по форсункам первого периферийного ряда смесительной головки кислородно-водородного ЖРД, вызванная гидравлической разверкой предфорсуночного раздающего коллектора, достигает 11 %. Для подвода охладителя к рубашке камеры вследствие подобной конструкции подводящего коллектора на участке тракта охлаждения, примыкающем к коллектору, неравномерность распределения расходов по каналам составляет несколько десятков процентов. Имеются результаты экспериментальных исследований для ряда двигателей, когда неравномерность распределения расхода компонента топлива через периферийные форсунки может достигать 30 % и более.

Случайные флуктуации гидравлических характеристик форсунок и каналов тракта охлаждения приводят к изменению характера распределения по ним компонентов топлива. Существующие в настоящее время расчетные алгоритмы и инженерные методики определения гидравлической неравномерности основаны на детерминированных математических моделях, т.е. в предположении, что все однотипные форсунки имеют абсолютно идентичные гидравлические характеристики. Вследствие того, что ряд входных параметров при проектных расчетах являются, по сути, случайными величинами, то математическое моделирование и расчет необходимо вести в стохастической постановке. Это позволит не только более точно определить математические ожидания расчетных критериев, но и вычислять вероятность достижения того или иного результата. В контексте рассматриваемой в диссертационной работе предметной области исследований это приведет к повышению надежности и энергетического совершенства камеры при обоснованном назначении допусков на гидравлические характеристики применяемых смесительных элементов.

Актуальность применения рассматриваемых методов в технике подтверждается созданием научного сообщества под названием Non-Deterministic Simulation for CFD based methodologies (NODESIM-CFD), проведением ряда конференций под эгидой AIAA и других организаций. Также показательно, что в состав этого сообщества входят такие гиганты машиностроения, как ОАО «НПО Сатурн», «Airbus», «MAN», «DLR» и другие. Робастное проектирование позволяет снизить чувствительность функциональности изделия к разбросу случайных величин. При этом достигается:

- уменьшение зависимости от случайных параметров;

- увеличение допусков при производстве компонент;

- повышение надежности конструкции;

- учет разброса входных параметров.

Решение выше указанной задачи осуществлялось автором в рамках НИР ВГТУ № ГБ 2007.26 (Гос. регистр. 01.2.007 07564).

Основной целью диссертационной работы является исследование влияния случайных вариаций граничных условий на характеристики теплофи-зических процессов в камерах сгорания энергетических установок.

Исходя из поставленной цели работы и на основе анализа состояния вопроса были определены следующие задачи аналитического и расчетно-теоретического исследования:

создание методики недетерминированного моделирования теплофизи-ческих процессов в камере сгорания одной из самых теплонапряженных энергетических установок - жидкостного ракетного двигателя;

- экспериментальные исследования процессов распределения компонентов топлива по форсункам систем смесеобразования камер сгорания;

- расчетно-теоретическое обоснование вероятностного характера параметров неравномерности распределения топлива по форсункам смесительной головки, определяющего значительную неоднородность распределения параметров тепломассопереноса в огневом пространстве камеры, как следствие, неравномерность тепловых потоков в стенку камеры, для разработки методических основ тепловой защиты и внутреннего и наружного охлаждения в условиях случайных вариаций расходов через форсунки;

- реализация методики расчета потерь полноты сгорания с использованием недетерминированного термодинамического расчета с учетом стохастического характера распределения топлива по форсункам смесительной головки, уточнение моделей гидравлической неравномерности коллекторов камеры и распределения расходов по каналам регенеративной системы охлаждения.

Методы исследований основаны на теории математического моделирования, теории вероятностей, теории искусственных нейронных сетей, численных методах в динамике жидкостей, теории горения в камере ЖРД, гидродинамике и теплопереносе ньютоновских жидкостей.

Научная новизна работы.

1. Разработана методика расчета теплофизических параметров функционирования систем смесеобразования и охлаждения, учитывающая стохастические вариации гидравлических характеристик форсунок и каналов тракта охлаждения.

2. Предложены принципы создания стохастических математических моделей процессов распределения компонентов по форсункам систем смесеобразования как основных подготовительных процессов, определяющих характеристики многокомпонентных смесей химически реагирующих продуктов сгорания. Разработана стохастическая математическая модель распределения компонента по каналам регенеративной системы охлаждения для уточнения параметров теплового состояния конструкции.

3. Получена стохастическая математическая модель процесса горения при соосно-струйной подаче кислородно-метанового топлива в камере ЖРД, проведен расчет горения в камере сгорания ЖРД в стохастической постановке с использованием метода Монте-Карло.

4. Разработана методика определения потерь полноты сгорания с использованием недетерминированного термодинамического расчета.

Достоверность результатов подтверждается применением в расчетных исследованиях фундаментальных законов гидродинамики и теплообмена, обобщением большого массива экспериментальных данных. Стохастические методы расчета применяются для решения задач тепломассообмена с использованием фундаментальных законов явлений переноса. Адекватность математических моделей оценивалась сопоставлением с экспериментом по общепринятым методикам идентификации расчетных результатов.

Практическая значимость работы.

1. Прогнозирование уровня гидравлической неравномерности распределения компонента по каналам рубашки охлаждения необходимо для назначения необходимых расходов охладителя.

2. Прогнозирование уровня гидравлической неравномерности распределения компонента по форсункам смесительной головки необходимо для определения тепловых потоков в стенку с учетом неравномерности распределения соотношения компонентов и расходонапряженности, определяемых работой смесительной головки.

3. Моделирование процесса горения необходимо для оптимизации гидравлических характеристик форсунок для повышения полноты сгорания.

4. Разработанные алгоритмы стохастического моделирования позволяют повысить качество смесеобразования и надежность наружного и внутреннего охлаждения камеры ЖРД.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Российской конференции «Компьютерные технологии автоматизированного проектирования систем машиностроения и аэрокосмической техники» (Воронеж, 2007), Российской конференции, посвященной 105-летию со дня рождения основателя КБХА С.А. Косберга (Воронеж, 2008), 49 научно-технической конфе-

ренции профессорско-преподовательского состава, сотрудников, аспирантов, студентов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2009), 50 юбилейной научно-технической конференции про-фессорско-преподовательского состава, сотрудников, аспирантов, студентов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2010), Российской научно-технической конференции «Ракетно-космическая техника и технология 2010» (Воронеж, 2010), 51 научно-технической конференции профессорско-преподовательского состава, сотрудников, аспирантов, студентов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2011), научной конференции «Талантливая молодежь Воронежской области» (Воронеж, 2011).

Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы:

- в ОАО «КБ химавтоматики» при разработке методики расчета раздающих коллекторов и расходной неравномерности, методов расчета гидравлических характеристик смесительных головок ЖРД;

- в ФГУП «Турбонасос» при прогнозировании энергетических характеристик турбонасосных и насосных агрегатов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числеЗ - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,5] - недетерминированная математическая модель регенеративной системы охлаждения; [2] - недетерминированная модель определения потерь полноты сгорания; [4] - недетерминированная модель теплофизических процессов в огневом пространстве камеры; [6] -методика моделирования процессов теплообмена в энергетической установке замкнутого цикла.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений и списка литературы, включающего 117 наименований. Основная часть работы изложена на 130 страницах, содержит 68 рисунков и 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, представлены основные направления научно-исследовательских и конструкторских работ, проводимых с целью повышения надежности и энергетического совершенства камер ЖРД в условиях гидравлической неравномерности распределения компонента топлива в системах охлаждения и смесеобразования, показаны научная и практическая значимость решаемых проблем, перечислены основные положения работы.

В первой главе приведен обзор известных работ, содержащих результаты экспериментальных и теоретических исследований проблемы влияния разбросов технологических параметров функционирования камеры сгорания энергетической установки, неравномерности гидродинамических параметров в каналах коллекторных систем смесеобразования и охлаждения, свидетельствую-

щих о необходимости применения методов робастного проектирования для повышения параметров эффективности и надежности конструкции камеры.

Важным конструктивными элементами форсуночной головки являются форсунки. К форсуночным головкам предъявляется ряд требований по стабильности характеристик: высокая точность изготовления, герметичность и чистота полостей, точность гидравлических характеристик при изготовлении головок. Погрешность в размещении форсунок в днище допускается ±(0,1-0,3) мм, погрешность общего расхода компонентов топлива через головку и погрешность общего расхода через каждую форсунку - (1-5) %, ось факела смеси должна совпадать с осью камеры сгорания.

Технологические недоработки приводят к значительной неравномерности распределения компонента по факелу распыла форсунки в процессе испытаний. Это может вызывать резкое местное изменение отклонений соотношения компонентов от номинальных значений. На рис. 1 представлены экспериментальные значения полей расходонапряженности и соотношения компонентов в пристеночном слое форсуночной головки.

Рис. I. Экспериментальные значения полей расходонапряженности и соотношения компонентов в пристеночном слое форсуночной головки

Решение подобных задач в настоящее время должно быть основано на вероятностных методах анализа и оптимизации для учета неопределенностей. Совокупность таких методов сегодня трактуется как новое научное направление, называемое «Robust Design Optimization» (RDO). Robust Design в переводе с английского языка означает надежное проектирование. Оно может проводиться на основе двух основных положений:

1. Создание математических моделей на базе существующих экспериментальных данных, полученных на физических моделях исследуемых агрегатов.

2. При отсутствии экспериментальных данных необходимо проводить многопараметрическую оценку результатов расчетов с исследованием влияния разбросов характеристик агрегата при решении поставленной задачи.

В заключение первой главы на основании анализа всего комплекса проблем сформулированы основная цель и конкретные задачи настоящего исследования.

Во второй главе приведен статистический анализ гидравлических характеристик форсунок по данным автономных проливок и проливок в составе сме-

—9; форсункн' I—горючего; 2—окислителя

сительной головки, отмечены особенности технологии изготовления и отбора форсунок. Проведена оценка стохастичности параметров гидравлической неравномерности устройств смесеобразования и охлаждения ЖРД по данным обзора известных работ, содержащих результаты экспериментальных и теоретических исследований данной проблемы, свидетельствующих о негативном влиянии гидравлической разверки на параметры эффективности и надежности конструкции камеры.

С целью получения статистической выборки параметров распределения жидких и газообразных компонентов по форсункам производились гидрогазодинамические испытания на стендах лаборатории кафедры ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». Проливка осуществлялась на гидравлическом стенде (рис. 2). Насос 3 с электроприводом 4 создает напор в гидравлической магистрали. В качестве рабочей жидкости для насоса служит вода, которая подается на вход насоса из сборного бака 5. Вентили 1 предназначены для регулирования расхода жидкости в магистрали. Из магистрали рабочая жидкость подается в экспериментальную установку 2 (модель форсуночной головки с прозрачной верхней крышкой), после которой опять попадает в сборный бак 5. Схема газодинамического стенда изображена также на рис. 2. Для подвода воздуха в пневмосистему стенда служит вентиль 6. Через игольчатый дроссель 7 и демпфер 8, которые предназначены для установки режима испытаний по расходу, воздух через вентиль 9 подается на ротаметр 11. Давление перед ротаметром измеряется манометром 10. Затем воздух подается в исследуемую модель 13, давление на входе в которую измеряется манометром 12. Дифференциальный манометр 14 служит для измерения давления после исследуемой модели.

Рис. 2. Гидравлический и воздушный стенды

По результатам статистического анализа собственных экспериментальных исследований и данных холодных проливок, проведенных в КБ химавто-матики, сделан вывод о возможности использования равновероятного закона

распределения расхода через форсунку. Применение при моделировании методом Монте-Карло равномерного закона распределения при разыгрывании исходных параметров приводит к получению интегральных результатов расчета, лучше согласующихся с экспериментальными данными, по сравнению с использованием нормального закона, который в ряде случаев дает заниженную оценку потерь удельного импульса тяги вследствие неравномерности распределения компонентов по форсункам смесительной головки.

В третьей главе приведены результаты математического моделирования распределения компонентов по форсункам смесительной головки, при этом учитывались случайные флуктуации некоторых геометрических и гидравлических характеристик исходных параметров модели, позволяющих рассчитывать количественные характеристики неравномерности распределения компонента топлива по форсункам смесительной головки в стохастической постановке.

Для моделирования используется 19-форсуночная смесительная головка. Моделирование осуществляется в двумерной постановке.

Подвод компонента осуществляется в общем случае через входной штуцер, представляющий собой тройник, обеспечивающий растекание компонента по предфорсуночному коллектору. Возможен вариант расчета без предфорсу-ночного коллектора с подводом по внешней круговой границе смесительной головки. Отбор среды форсунками осуществляется через 6 отверстий в корпусе каждой форсунки, равномерно распределенными в окружном направлении.

Математическая модель включает в себя известные стационарные уравнения неразрывности и Рейнольдса, замкнутые * - е моделью турбулентности. При постановке граничных условий на всех границах задаются значения давлений. Для моделирования пограничного слоя используются стандартные пристеночные функции для параметров турбулентности. Дискретизация и алгебраиза-ция уравнений неразрывности и импульса производится на основе метода конечных элементов в сочетании с тетрагональной расчетной сеткой.

Проведены следующие варианты расчета:

- расчет распределения расходов по форсункам при условии равномерного подвода по периферии головки. Рассматривается растекание компонента по 19 форсункам, расположенным по концентрическим окружностям, в круговой области со следующими граничными условиями: 1) на внешней границе р=const=зо 1 о5 Па, в отверстиях-стоках форсунок р=const=0Па\ 2) на внешней границе задается постоянный массовый расход. Можно отметить значительную неравномерность распределения расходов по форсункам смесительной головки. Причем, как отмечалось выше, рассматривается идеализированный вариант подвода по внешней границе расчетной области. Т.е. предполагается, что предфорсуночный коллектор идеально выполнил свою задачу и обеспечил равномерное распределение подвода компонента по внешней круговой границе. Кроме того, используются абсолютно идентичные форсунки. Даже в этом случае неравномерность составляет порядка 30 %.

- влияние предфорсуночного коллектора на распределение по форсункам. Проведен численный расчет при различных вариантах расположения предфорсуночного коллектора относительно штуцера подвода компонента.

Различные варианты взаимного расположения отверстий перетока в подколлек-торном кольце и штуцера подвода являются еще одним источником возникновения перераспределения расходов по форсункам смесительных элементов. Неучет этой причины (а учесть ее мы можем только, если используем математические модели микроуровня) приводит к тому, что данная причина переходит в разряд случайных воздействий и ее учет возможен только средствами статистического анализа.

- влияние неперпендикулярности исполнения штуцера подвода. Проведен численный расчет варианта проточной части с неперпендикулярным расположением штуцера подвода. Предположим, что данный штуцер имеет отклонение 0,5 градуса относительно перпендикулярного расположения. Расчет расходов через форсунки свидетельствует о значительном перераспределении расходов через смесительные элементы. Можно констатировать, что в этом случае уровень неравномерности несколько уменьшился. Кроме того, затруднительно найти общие закономерности процессов перераспределения расходов по форсункам при различных конструктивных вариантах оформления подвода.

- влияние случайных отклонений коэффициентов расхода форсунок. По техническим условиям при автономных гидропроливках форсунки смесительной головки должны удовлетворять следующим требованиям: д^ = лрга„ и

= ± Допуск на номинальный расход через форсунку зависит от типа двигателя, типа форсунки и составляет обычно около 5 % (может и превышать это значение). При численном расчете индивидуальные отклонения отдельных форсунок могут быть в нашей модели учтены изменением размеров отверстий-стоков в корпусе форсунок. Однако при этом размер расчетной сетки должен быть сопоставим, а лучше в несколько раз меньше, чем диаметр отверстия стока. Другим путем учета индивидуальных особенностей отдельных форсунок в нашем случае может быть стохастическое задание значений давлений в точках-стоках форсунок при постановке граничных условий. С учетом пропорциональности перепадов давлений на форсунках и квадратов расходов через них мы можем разыграть с помощью датчика случайных чисел 19 значений давлений в граничных точках стоков форсунок так, чтобы в результате отношение квадратных корней перепадов давлений попадало в заданный диапазон разбросов расходов по форсункам.

- комплексное влияние различных факторов. Проведен численный расчет при комплексном изменении некоторых рассмотренных выше факторов, а именно: учитывалось совместное влияние установки подколлекторного кольца, неперпендикулярности тройника подвода и случайных отклонений противодавлений в различных форсунках. На рис. 3,4 приведены некоторые результаты расчета. На рис. 4 приведены полученные распределения относительных расходов через форсунки в условиях воздействия различных факторов. Можно, как и в ряде предыдущих случаев, констатировать, что уровень максимальной неравномерности существенно не изменяется, но происходит перераспределение расходов

Рис. 3. Линии тока в смесительной головке (1 - подвод компонента, 2 - форсунка, 3 - подколлекторное кольцо)

через форсунки. Т.е. нельзя предугадать, какая из форсунок будет работать с повышенным расходом, а какая с пониженным. Внешний вид зависимостей и их количественные характеристики свидетельствуют о стохастичности процессов распределения компонентов по форсункам.

________________

Рис. 4. Распределение относительных расходов через форсунки (■ - влияние предфорсуночного коллектора на распределение относительных расходов по форсункам, когда напротив штуцера подвода в подколлекторном кольце нет отверстия, ♦ -есть отверстие, А - распределение относительных расходов через форсунки при неперпендикулярном исполнении штуцера подвода, - распределение относительных расходов через

форсунки при случайных отклонениях коэффициентов расхода форсунок,--комплексное

влияние различных факторов)

К этому приводят как факторы, имеющие случайную природу, например индивидуальные особенности отдельных форсунок или технологические погрешности исполнения элементов проточной части, так и детерминированные факторы, которые мы, однако, не учитываем обычно при гидравлическом расчете смесительных головок.

В четвертой главе реализуется методика стохастического моделирования процессов горения при соосно-струйной подаче кислородно-метанового топлива в камеру ЖРД.

Составленная система уравнений включает следующие уравнения (используется цилиндрическая система координат и общепринятые обозначения параметров). Уравнение неразрывности

¿И+-М-0. (1)

гас г дг

Уравнение сохранения импульса для осевой компоненты

дхг ' г5г ' дх Зх^й^ гЭг^Чег ёх))

Уравнение сохранения импульса для радиальной компоненты

д , >13/ ¡1 ф д (ди йЛ 1 а (. ау^ V ,,,.

Уравнение энергии

с ' г дгК ' &|Д9 ёх) 0,9 дг)

Уравнение для кинетической энергии турбулентности к

-ре. (5)

йг ' гаг ' дх 1^0,9 дх) г 0,9 дг) ^

Уравнение для скорости диссипации энергии турбулентности е

А(рИЕ)+1±(грге)=±Г _ ) (6)

дх ' гдгУ ' дхуо,9дх) гЗг^ 0,9 дг) *' * " У '

где производство турбулентной кинетической энергии вычисляется по формуле

В к-с модели используются стандартные значения констант с, = 1,44 и

с, = 1,92. Входящая в уравнения эффективная вязкость рассчитывается по фор-р

муле ц = ц£+0,09р—.

Уравнение распределения соотношения компонентов <р = 1 /(к„ +1)

дх* гдгУУ а* ^0,9 дх ) г дг{ 0,9 дг ) ^ '

Уравнение сохранения концентрации горючего Хг

дх* г/ гаг^ '' йг1Д9 дх ) гдг{ 0,9 дг ) ' К/

где скорость горения метана и, = ю10р2л_1.л'0ехр(-153000/лг),

После решения уравнений (7) и (8) определяется равновесный состав продуктов сгорания (ПС) в данной точке потока с учетом полученного значения Хг с использованием первого вариационного принципа термодинамики, т.е. выбирается такой состав ПС, при котором изобарно-изотермический потенциал сис-

темы (свободная энергия Гиббса) принимает минимальное значение. Результаты множества решений системы химического равновесия при различных кт\\Т аппроксимируются нейросетевой зависимостью с„с =/„«(*„,т), где с - изобарная теплоемкость. Параметры зависимости с„с(г) определяются с использованием метода взвешенных невязок на базе нейросетевых пробных функций.

Энтальпия ПС в данной точке потока соответствующего кт, найденная из решения уравнения энергии, должна быть равна

Я = 1ЫГ)Л-Г +С,(Т)Х0 +С„С(Г)Л-„СУ7-+ +Яг(Г0)+Яо(Г0)+Я,к(Г0).

Го

Процесс горения предполагаем адиабатным. При постановке граничных условий на входе допускается, что окислительный генераторный газ представляет собой газообразный кислород с т0г =550К. Температура горючего (метана) на входе Тсн< =250к. Давление в КС рк =9мПа. Изменяя размеры кольцевого канала подачи горючего, можно варьировать скорость подачи метана, следовательно, параметр рй при неизменном к„. Изменение скорости подачи компонентов на входе при неизменной геометрии приводит к изменению ри и кт. При постановке граничных условий на твердых стенках используются стандартные пристеночные функции

^= ,п[98,.009'/^^ 1/2^р/ц 1 ]; * = ^ оо9,/4 ; 4 /^)=0,09'/< .0,42.

В качестве параметра, характеризующего эффективность рабочего процесса на начальном участке камеры сгорания, при анализе численных результатов используется длина факела горения. Основные характеристики факела (его длина, форма и т.д.) определяются диффузионными потоками реагентов, подходящими к фронту пламени, поэтому наиболее показательными расчетными результатами являются интенсивность изменения концентраций топлива и окислителя, а также температуры в зоне смешения. В качестве основной величины, характеризующей процесс смешения и горения, можно использовать температуру (концентрацию). Изучая изменения ее при вариации начальных условий - начальных соотношений скоростей, динамического давления и температуры, можно выявить условия, при которых происходит минимальное или максимальное перемешивание.

Размеры расчетной области следующие: наружный диаметр цилиндра расчетной области 0.02 м. Наружный диаметр кольцевого канала подачи метана с1СН{ =0.012 м остается постоянным. Меняется радиус центрального канала подачи кислорода, который в ходе эксперимента принимал значения 0.003 м, 0.0035 м, 0.004 м, 0.00425 м, 0.0045 ^ 0.00475 м, 0.005 м, 0.0051 м, 0.0052 м. Таким образом изменялся параметр ри при неизменном кт = 3.7. Кроме того, номинальные расходы на входе составляли для метана и кислорода 0.0811 кг/с и 0.3 кг/с соответственно. Таким образом, расходонапряженность в исследуемой области также оставалась постоянной. Условие постоянства расходонап-ряженности должно было выполняться и при случайных флуктуациях подво-

дящих расходов при расчете в стохастической постановке (суммарный расход окислителя и горючего оставался постоянной величиной 0.3811 кг/с). Для всех вариантов размеров входных каналов использовалась идентичная сетка с одинаковым количеством узлов и размером конечных объемов, чтобы исключить влияние сетки на результаты расчета. Эффективность смесеобразования оценивалась по наибольшей длине не полностью прореагировавшей струи окислителя и горючего Г = % . Приведем некоторые результаты расчета.

Рис. 5. Ло =0.003, ри =0.1, I = 40.37

Рис. 6. Л0г = 0.0035, ри = 0.162, I = 36.1

Рис. 7. Ао2 = 0.004, ри = 0.263, I = 30.4

Рис. 8. А02 = 0.0045, ри = 0.454, Ь = 27.45

Рис. 9. йс,2 =0.005, ри = 0.827, I =21.58

Рис. 10. ¡¿02 =0.0051, ри = 0.929, I = 21.25

Рис. 11. ¿о2 =0.0052, ри =1.3, Ь =22.3 По результатам расчета в детерминированной постановке определена зависимость необходимой для полного завершения химических реакций длины камеры от параметра ри на выходе из форсунки (рис. 12).

О 0.2 О.Д 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Рис. 12. Зависимость I =/(ри), где ■ - результата недетерминированного расчета, ♦ - результата детерминированного расчета Из рис. 12 следует, что при проектировании форсунок необходимо подбирать геометрические размеры каналов окислителя и горючего таким образом, чтобы параметр ри = 1. Проведя расчеты в стохастической постановке методом

Монте-Карло с учетом случайного изменения расходов через форсунки в диапазоне ±10%, получена зависимость, представленная на рис. 12. При этом оптимальное (минимальное) значение математического ожидания параметра L получается при рн = 0.94. Также в 4 главе приведены результаты расчета распределения компонентов топлива по смесительным элементам форсуночной головки и каналам охлаждающего тракта ЖРД с учетом случайного разброса значений некоторых исходных параметров на основе метода Монте-Карло. Проведен термодинамический расчет камеры ЖРД в стохастической постановке с применением нейросетевой передаточной функции.

Проведен термодинамический расчет с учетом случайного разброса коэффициента избытка окислителя а для следующих исходных данных: компоненты топлива - жидкий кислород + керосин, давление в камере сгорания рк=15 МПа, газодинамическая степень расширения £=300. Расчет значений удельного импульса тяги у земли производится с использованием стандартной методики решения системы химического равновесия для характерных сечений камеры ЖРД, т.е. после генерации датчиком случайных чисел определенного значения коэффициента избытка окислителя для этой величины рассчитывается значение удельного импульса тяги /„• и заносится в статистическую выборку для последующего анализа.

Стохастический расчет проводился для четырех значений допусков на предельное относительное отклонение номинального значения коэффициента избытка окислителя А=5 %, 10 %, 15 %, 20 %. Необходимо заметить, что статистический анализ многочисленных результатов автономных проливок форсунок и проливок в составе смесительной головки не позволяет сделать вывод о нормальном законе распределения случайной величины расхода через форсунку, поэтому было выбрано равномерное распределение в заданном диапазоне возможных отклонений. По результатам статистических испытаний методом Монте-Карло математическое ожидание значения удельного импульса тяги рассчитывается по формуле

На рис. 13 представлены результаты вычислительного эксперимента по определению /, в детерминированной и стохастической постановках. Можно отметить, что в окрестности оптимальных значений коэффициента избытка окислителя, при которых достигается максимальное значение удельного импульса тяги, расчет в стохастической постановке приводит к некоторому снижению математического ожидания теоретического значения удельного импульса. Так, для коэффициента избытка окислителя а=0.74 и теоретического значения удельного импульса Í? =3195,041 м/с снижение математического ожидания I, составляет М, =7,4м/с или ~ 0.23 %. В зависимости от числа форсунок на смесительной головке А/ф точность A.v достижения рассчитанного в стохастической постановке максимального для данной камеры значения 1, составляет соответ-

ственно (а=0.74, /;' = 3195.041 .и/с, /,с =3187.65м/с): при Ыф=50 Д*=±3.5 м/с, при Щ= 100 Ан=±2.1 м/с, при Л^=200 Ду=±2 м/с и при Л^=400 Дл-=± 1,2 м/с.

1 24/Г ^^ V / / \

4// 5/ а

0.60 0,70 0,80 0,90

Рис. 13. Теоретическое значение удельного импульса тяги (1) и стохастические значения I, для Д=5% (2), 10% (3), 15%(4), 20% (5)

Полученные результаты могут быть непосредственно использованы для вычисления коэффициента потерь удельного импульса из-за неравномерности распределения соотношения компонентов и расходонапряженности в поперечном сечении камеры сгорания ЖРД в случае, если на всей смесительной головке используются одинаковые форсунки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе проведенного анализа проблемы гидравлической неравномерности распределения компонентов топлива в коллекторных системах охлаждения и смесеобразования энергетических установок обоснована перспективность применения методов недетерминированного моделирования теплофизиче-ских процессов в камерах сгорания теплонапряженных энергетических установок. Разработана методика недетерминированного моделирования, учитывающая стохастичность гидравлических характеристик форсунок и каналов регенеративной системы охлаждения, которая приводит к отклонению от расчетных значений величин расходов через ядерные и периферийные форсунки камеры сгорания и через охлаждающие каналы рубашки охлаждения. Использование данной методики направлено на предотвращение снижения надежности внутреннего и наружного охлаждения стенок камеры, тепловой разверки, пролизов или прогаров, снижения несущей способности конструкции.

2. Проведен статистический анализ процессов распределения компонента топлива по смесительным элементам форсуночной головки камеры сгорания (газогенератора) на основе лабораторных экспериментальных исследований и обработки промышленного эксперимента. В результате обосновано использование равномерного закона распределения входных параметров моделирования в стохастической постановке.

3. Уточнена методика оценки уровня гидравлической неравномерности распределения компонентов по форсункам, позволяющая количественно оценивать степень влияния допустимых диапазонов отклонений коэффициентов расхода форсунок на величины расходов через форсунки в составе смесительной головки. Созданы стохастические алгоритмы для моделирования процессов гидравлической неравномерности распределения расходов по форсункам смесительной головки. Проанализированы основные факторы влияния на параметры неравномерности. Показано, что при допуске на расход через форсунку 5 %, неравномерность распределения расходов через форсунки (в том числе периферийные) многофорсуночной смесительной головки может достигать 30 %, что является критическим фактором организации надежной тепловой защиты конструкции.

4. Проведен расчет горения кислородно-метанового топлива в детерминированной постановке. Показано, что при проектировании форсунок необходимо подбирать геометрические размеры каналов окислителя и горючего таким образом, чтобы параметр ры = 1, что согласуется с известными теоретическими и экспериментальными результатами.

5. Уточнены характеристики теплофизических процессов в камере сгорания ЖРД, а именно: расчеты горения в стохастической постановке методом Монте-Карло с учетом случайного изменения расходов через форсунки в диапазоне ±10% показали, что оптимальное (минимальное) значение математического ожидания параметра I получается при рм = 0.94; показано, что при числе форсунок в составе смесительной головки порядка 200 точность определения потерь полноты сгорания из-за неравномерности распределения соотношения компонентов и расходонапряженности в поперечном сечении камеры сгорания составляет ~ 0.06 %, что позволяет использовать для определения потерь расчетные данные без привлечения результатов огневых испытаний; проведение стохастического расчета распределения охладителя по каналам тракта охлаждения заменяет экспериментальные исследования, проводимые с целью назначения необходимых режимов наружного охлаждения для надежной тепловой защиты.

Основные условные обозначения

к„ - соотношение компонентов топлива; я - расходонапряженность, кг/(с ' м2); р - давление, МПа; N - число, х - осевая координата , г - радиальная координата; и - продольная компонента скорости, м/с; \ - радиальная компонента скорости, м/с; р - плотность газа, кг/м ; ц - эффективная вязкость, Н - полная энтальпия газа, Дж/кг; к - кинетической энергии турбулентности м2/с2, в - скорость диссипации энергии турбулентности м2/с3, Я - газовая постоянная, Дж/(кг К); Т - температура газа, К; с - изобарная теплоемкость, Дж/(кг ' К); у1 - расстояние до стенки, м; «„. - компонента скорости вдоль стенки на расстоянии уи м/с; - напряжение трения на стенке, Н/м2; Ь - длина не прореагировавшей струи, м; с1- диаметр, м; а - коэффициент избытка окислителя, I - удельный импульс тяги, м/с; г&- массовый расход, кг/с.

Индексы

о - окислитель, г - горючие, ном - номинальный, отн - относительный, к- камера, ф - форсунка, д - детерминированный, с - стохастический, з - земной.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Стохастический расчет распределения расхода по каналам тракта охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя / A.B. Кретинин, Ю.А. Бу-лыгин, В.Ю. Климов, П.А. Дронов // Известия вузов. Сер. Авиационная техника. 2009. № 4. с. 42-44 = Stochastic calculation of the flowrate distribution along the cooling path channels in the liquid rocket engine chamber // Russian Aeronautics. 2009. T. 52. № 4. C. 440-443.

2. Стохастический расчет теплофизических процессов в камере ЖРД с использованием нейросетевых алгоритмов / A.B. Кретинин, В.Г. Стогней, П.А. Дронов, A.B. Студеникин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т. 4. № 12. С. 154-158.

3. Дронов П.А. О Робастном проектировании смесительных элементов камеры жидкостного ракетного двигателя / П.А. Дронов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т.7. № 3. С. 82-86.

Статьи и материалы конференций

4. Стохастическое моделирование рабочих процессов в камере ЖРД //

A.B. Кретинин, В.А. Волгин, М.И. Кирпичев, П.А. Дронов // Труды Рос. конф., посвященной 105-летию со дня рождения основателя КБХА С.А. Косберга. Воронеж: ВГТУ, 2008. С. 62-68.

5. Кретинин A.B. Нейросетевое моделирование рабочего процесса в коллекторных системах камеры жидкостного ракетного двигателя / A.B. Кретинин,

B.Ю. Климов, П.А. Дронов // Компьютерные технологии автоматизированного проектирования систем машиностроения и аэрокосмической техники: труды Рос. конф. Воронеж: ВГТУ, 2007. С. 31-35

6. Дронов П.А. Математическое моделирование работы ЯЭРДУ / П.А. Дронов, Д.В. Солдатов // Талантливая молодежь Воронежской области: материалы науч. конф. Воронеж: ВГТА, 2011. С. 108-109.

Подписано в печать 17.11.2011. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 85 экз. Заказ № ¿75

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Дронов, Павел Александрович

1.1. Современное состояние проблемы, вызванной разбросами характеристик агрегатов входящих в состав камеры ЖРД.

1.2. Обоснование внутренней стохастичности в конечно-элементной модели.:.

1.3. Применение методов робастного проектирования с использованием вероятностных алгоритмов для решения и оптимизации технических задач.

1.4. Выводы, цель работы и задачи исследований.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВ АНИЯГИДРАВ ЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СМЕСИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ' И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

2.1. Описание стенда и методика проведения эксперимента.

2.2. Автономные гидравлические испытания форсунок.

2.3. Результаты гидравлических испытаний смесительной головки.

2.3Л. Проливка смесительной головки по линии "Г".

2.3.2. Проливка смесительной головки по линии "О".

2.4. Статистическая обработка экспериментальных данных.

2.5.Выво д.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ ПО ФОРСУНКАМ-СМЕСИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ.

3.1. Анализ гидравлических испытаний, проведенных в ОАО КБХА [106]

3.2. Математическая модель гидродинамических процессов распределения компонента топлива по форсункам смесительной головки.

3.3. Расчет распределения расходов по форсункам при условии равномерного подвода по периферии головки.

3.4. Влияние предфорсуночного коллектора на распределение по форсункам.

3.5. Влияние неперпендикулярности исполнения штуцера подвода.

3.6. Влияние случайных отклонений коэффициентов расхода форсунок

3.7. Комплексное влияние различных факторов.

3.8. Выводы.

ГЛАВА 4. СТОХАСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРЕ ЖРД.

4.1 Определение потерь удельного импульса тяги вследствие стохастичности распределения компонентов по форсункам смесительной головки камеры.

4.1.1 Термодинамический расчет с учетом случайного разброса коэффициента избытка окислителя в камере ЖРД.

4.2 Внутренняя стохастичность расчетной модели при моделировании смесительных элементов методом конечных элементов.

4.3 Математическое моделирование процессов горения кислородно-метанового топлива при соосно-струйной подаче в камеру сгорания ЖРД.

4.4 Стохастический расчет распределения расхода компонента по каналам тракта охлаждения камеры ЖРД.

4.5. Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Недетерминированное моделирование теплофизических процессов в камерах сгорания"

Актуальность темы. Проектирование систем смесеобразования и охлаждения камер сгорания двигательных установок и энергетических систем является ответственной задачей, при выполнении которой важную роль имеет оптимизация гидравлических характеристик смесительных элементов для обеспечения расчетного распределения соотношения компонентов и расходонапряженности. в поперечном сечении камеры сгорания. Смесительная головка и тракт охлаждения*одной из самых теплонапряженных энергетических установок - жидкостного ракетного двигателя представляют собой набор большого количества однотипных элементов — форсунок и охлаждающих каналов1. Коэффициенты- расхода и гидравлического сопротивления таких элементов вследствие неизбежных технологических погрешностей их изготовления^ имеют случайные отклонения от номинальных значений. Допустимый диапазон отклонений, который отмечается, в проектнойг документации, может составлять от десятых до нескольких процентов. В ряде случаев выявленные проблемы при экспериментальной доводке камеры двигателя приводят к необходимости- снижения допустимого разброса гидравлических характеристик форсунок за счет усложнения* технологии их изготовления, повышения количества отбракованных форсунок, т.е. существенного удорожания и больших сроков выполнения проекта. Неравномерность распределения компонента по форсункам первого периферийного ряда смесительной головки* кислородно-водородного ЖРД, вызванная гидравлической разверкой предфорсуночного раздающего коллектора, достигает 11 %. Для подвода охладителя- к рубашке камеры вследствие подобной конструкции подводящего коллектора на участке тракта охлаждения, примыкающем к коллектору, неравномерность распределения расходов по каналам составляет несколько десятков процентов. Имеются результаты экспериментальных исследовании для ряда двигателей, когда неравномерность распределения расхода компонента топлива через периферийные форсунки может достигать 30 % и более.

Случайные флуктуации гидравлических характеристик форсунок и каналов тракта охлаждения приводят к изменению характера распределения по ним компонентов топлива. Существующие в настоящее время расчетные алгоритмы* и инженерные методики определения гидравлической неравномерности основаны на детерминированных математических моделях, т.е. в предположении, что все однотипные форсунки имеют абсолютно идентичные гидравлические характеристики. Вследствие того, что ряд входных параметров при проектных расчетах являются, по сути, случайными величинами, то математическое моделирование и расчет необходимо вести в стохастической постановке. Это позволит не только более точно определить математические ожидания расчетных критериев, но и* вычислять вероятность достижения того или иного результата. В контексте рассматриваемой в. диссертационной работе предметной области исследований это приведет к повышению надежности и энергетического совершенства камеры при обоснованном назначении допусков на гидравлические характеристики применяемых смесительных элементов.

Актуальность применения^ рассматриваемых методов, в технике подтверждается созданием научного сообщества под названием Non-Deterministic Simulation for CFD based methodologies (NODESIM-CFD), проведением ряда конференций под эгидой AIAA и других организаций. Также показательно, что в состав этого сообщества входят такие гиганты машиностроения, как ОАО «НПО Сатурн», «Airbus», «MAN», «DLR» и другие. Робастное проектирование позволяет снизить чувствительность функциональности изделия к разбросу случайных величин. При этом достигается:

- уменьшение зависимости от случайных параметров;

- увеличение допусков при производстве компонент;

- повышение надежности конструкции;

- учет разброса входных параметров.

Решение выше указанной задачи осуществлялось автором в рамках НИР ВГТУ № ГБ 2007.26 (Гос. регистр. 01.2.007 07564).

Основной целью диссертационной работы является исследование влияния случайных вариаций граничных условий на характеристики теплофизических процессов в камерах сгорания энергетических установок.

Исходя из поставленной цели работы и на основе анализа состояния вопроса были определены следующие задачи аналитического и расчетно-теоретического исследования: создание методики недетерминированного моделирования теплофизических процессов в камере сгорания одной из самых теплонапряженных энергетических установок — жидкостного ракетного двигателя; экспериментальные исследования процессов распределения компонентов топлива по форсункам систем смесеобразования камер сгорания; расчетно-теоретическое обоснование вероятностного характера параметров неравномерности распределения топлива по форсункам смесительной головки, определяющего значительную неоднородность распределения параметров тепломассопереноса в огневом' пространстве камеры, как следствие, неравномерность тепловых потоков в стенку камеры, для разработки методических основ тепловой защиты и внутреннего и наружного охлаждения в условиях случайных вариаций расходов через форсунки;

- расчет горения и определение характеристик диссоциированной газовой смеси продуктов сгорания с учетом стохастической гидравлической неравномерности распределения топлива по форсункам смесительной головки; реализация методики расчета потерь полноты сгорания с использованием недетерминированного термодинамического расчета с учетом стохастического характера распределения топлива по форсункам смесительной головки, уточнение моделей гидравлической неравномерности коллекторов камеры и распределения расходов по каналам регенеративной системы охлаждения.

Научная новизна работы.

3. Получена стохастическая математическая модель процесса горения при соосно-струйной подаче кислородно-метанового топлива в камере ЖРД, проведен расчет горения в камере1 сгорания ЖРД в<стохастической постановке с использованием метода Монте-Карло.

Практическая значимость работы.

1. Прогнозирование уровня гидравлической неравномерности распределения компонента по каналам рубашки охлаждения необходимо для назначения; необходимых расходов охладителя.

2. Прогнозирование уровня гидравлической неравномерности; распределения компонента по форсункам смесительной» головки необходимо для определения тепловых потоков в стенку с учетом: неравномерности распределения соотношения компонентов и расходонапряженности, определяемых работой смесительной головки.

3. Моделирование процесса горения- необходимо для? оптимизации гидравлических характеристик форсунок для повышения-полноты сгорания:

4. Разработанные алгоритмы стохастического' моделирования позволяют: повысить: качество смесеобразования: и надежность, наружного и внутреннего1 охлаждения камеры ЖРД.

Апробация работы; Основные результаты диссертационного исследования', докладывались, и обсуждались на следующих научных конференциях:. Российской конференции «Компьютерные- технологии автоматизированного проектирования систем машиностроения и аэрокосмической! техники» (Воронеж, 2007);,. Российской конференции, посвященной 105-летию со дня: рождения основателя: КЬХА С.А. Косберга (Воронеж, 2008), 49 научно-технической5 конференции профессорско-преподовательского состава, сотрудников, аспирантов, студентов^ ФГБОУ В ПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2009), 50 юбилейной научно-технической конференции профессорскопреподовательского состава, сотрудников, аспирантов; студентов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2010), Российской научно-технической конференции «Ракетно-космическая.техника и технология 2010» (Воронеж, 2010), 51 научно-технической конференции профессорско-преподовательского состава, сотрудников, аспирантов, студентов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2011), научной конференции «Талантливая молодежь Воронежской области» (Воронеж, 2011).

Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы:

- в ФГУП «Турбонасос» при прогнозировании энергетических характеристик турбонасосных и насосных агрегатов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. На основе проведенного анализа проблемы гидравлической неравномерности распределения компонентов топлива в коллекторных системах охлаждения и смесеобразования энергетических установок обоснована перспективность применения методов недетерминированного моделирования теплофизических процессов в камерах сгорания теплонапряженных энергетических установок. Разработана методика недетерминированного моделирования, учитывающая стохастичность гидравлических характеристик форсунок и каналов регенеративной системы охлаждения, которая приводит к отклонению от расчетных значений величин расходов через ядерные и периферийные форсунки камеры сгорания и через охлаждающие каналы рубашки охлаждения. Использование данной методики направлено на предотвращение снижения надежности внутреннего и наружного охлаждения стенок камеры, тепловой разверки, пролизов или прогаров, снижения несущей способности конструкции.

3. Уточнена методика оценки уровня гидравлической неравномерности распределения компонентов по форсункам, позволяющая количественно оценивать степень влияния допустимых диапазонов отклонений коэффициентов расхода форсунок на величины расходов через форсунки в составе смесительной головки. Созданы стохастические алгоритмы для моделирования процессов гидравлической неравномерности распределения расходов по форсункам смесительной головки. Проанализированы основные факторы влияния на параметры неравномерности. Показано, что при допуске на расход через форсунку 5%, неравномерность распределения расходов через, форсунки (в том числе периферийные) многофорсуночной смесительной головки может достигать 30%, что является критическим фактором организации надежной тепловой защиты конструкции.

4. Проведен расчет горения кислородно-метанового топлива в детерминированной постановке. Показано, что при проектировании форсунок необходимо подбирать геометрические размеры каналов окислителя негорючего таким образом, чтобы параметр ри = 1, что согласуется с известными теоретическими<и экспериментальными результатами.

5. Уточнены характеристики теплофизических процессов в» камере сгорания ЖРД, а именно: расчеты горения в стохастической постановке методом Монте-Карло с учетом случайного изменения расходов через форсунки в диапазоне ±10% показали, что оптимальное (минимальное) значение математического ожидания параметра Ь получается при ри = 0.94; показано, что при числе форсунок в составе смесительной головки порядка 200 точность определения потерь полноты сгорания из-за неравномерности распределения соотношения компонентов и расходонапряженности в поперечном сечении камеры сгорания составляет ~ 0.06 %, что» позволяет использовать для определения потерь расчетные данные без привлечения результатов огневых испытаний; проведение стохастического расчета» распределения охладителя по каналам тракта охлаждения заменяет экспериментальные исследования; проводимые с целью назначения необходимых режимов наружного охлаждения для надежной тепловой защиты.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Дронов, Павел Александрович, Воронеж

1. Коротеев A.C. Компьютерные модели жидкостных ракетных двигателей / A.C. Коротеев // М.: Машиностроение. 2009. 376 с

2. Васильев А.П. Основы расчета и теории жидкостных ракетных двигателей / А.П. Васильев, В.М. Кудрявцев // М.: Высшая школа, 1983.- 703 с.

3. Мединг К. Создание расчётных методов для определения параметров камеры сгорания и смесительных элементов двигателей с дожиганием: автореф. / К. Мединг // К.: Типография изд. Казанского гос. технич. Университета, 2006. 21с.

4. ГОСТ 17655-72 Двигатели жидкостные ракетные М: Изд-во стандартов, 1972. 48 с.

5. Воробей В.В. Технология и производство жидкостных ракетных двигателей / В.В. Воробей, В.Е. Логинов // М.: МАИ, 2001.- 496 с.

6. Гардымов Г.П. Технология ракетостроения / Г.П. Гардымов, Б.А.Парфенов, A.B. Пчелинцев // Спб.: Специальная литература, 1997.- 320 с.

7. Васильев А.Ю. Диагностика качества смесеобразования в факеле распыленного форсунками топлива оптическими методами/ А.Ю. Васильев, A.A. Свириденков, В.И. Ягодкин // Вестник СГАУ. 2007. №2 (13). С.48-53.

8. Волков Е.Б. Жидкостные ракетные двигатели/ Е.Б. Волков, Л.Г. Головков, Т.А. Сырцин // М.: Воениздат, 1970.- 592 с.

9. Сточек Н.П. Гидравлика жидкостных ракетных двигателей/ Н.П. Сточек, A.C. Шапиро // М.: Машиностроение, 1978.- 128 с.

10. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей/ Ю.М. Пчелкин // М.: Машиностроение, 1984, 280 с.

11. Аджян А.П. Влияние характеристик однокомпонентных форсунок на процессы горения и охлаждения газогенератора/ А.П. Аджян, Д.П., Журавлев // Труды НПО Энергомаш. 2004. №20. 398с.

12. Бородин В.А. Распыливание жидкостей/ В.А. Бородин, Ю.Ф. Дитякин//М.: Машиностроение, 1967.- 263 с.

13. Хавкин: Ю;И. Центробежные форсунки / Ю:И. Хавкин // Л.: Машиностроение, 1976. 168 с.

14. Абрашкин B.IO. Поля температур и гидравлические потери в камерах сгорания малоразмерных газотурбинных: двигателей- / В.Ю: Абрашкин, П.Е. Юдин // Вестник СГАУ. 2007. №2 (13). С. 9-14.

15. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И-Е. Идельчик// Mf: Машиностроение:Л992. 672 с::

16. ANSYS^Explicit Dynamics. Introductionito: Explicit Dynamics. Chapter l.ANSYS. Inc. 2009, Vol. 38.

17. ANS YS CFX. Introduction to CFX. Turbulence. Chapter 9. ANS YS. Inc, 2009, Vol. . .

18. ANSYS FLUENT Introductory FLUENT Training Turbulence Modeling; Chapter 6 ANS YS Jnc; 2009,Vol. 56;

19. Ваулин С. Д. Экспериментальное исследование процессов" в низкотемпературном твердотопливном газогенераторе с составом на основе азида натрия / С.Д. Ваулин, Я.Н. Малышева // Вестник ЮУрГУ. №14. 2005. С.100-105.

20. Егоров И.Н. Оптимизация исследования ступени осевого компрессора / И.Н. Егоров, Г.В. Кретинин, К.С. Федечкин // Полет. 2007. №12. С 27-34.

21. Попов А.Н. Расчетные исследования по влиянию разделителя потока на характеристики вентилятора / А.Н. Попов, К.С. Федечкин // Научный Вестник МГТУ ГА. 2008. №134. С. 96-104.

22. Егоров И.Н. Оптимизационные исследования, вентилятора ТРДД с большой- степенью двухконтурности / И.Н. Егоров, Г.В: Кретинин, К.С. Федечкин // Научный-вестник МГТУ ГА-. 2008. №134. С. 96-104.

23. Beknev V.S. Multicriteria design optimization of the multistage axial flow compressor / Y.S. Beknev, I.N. Egorov, V.S. Talyzina // Proceeding of the ASME GOGEN-TURB0-V Budapest, Hungary, 1991.

24. Duchaine F. Computational-Fluid-Dynamics-Based Kriging Optimization Tool for Aeronautical Combustion Chambers / F. Duchaine; T. Morel; L. Y. М7/ AIAA JOURNAL.- Vol. 47.'- No. 3.- March. 2009- P. 631-645.

25. Сайт http://www.laduga.ru/optimization/robustoptimization.shtml.

26. Egorov I.N., Robust Design Optimization Strategy of IOSO Technology / I.N. Egorov, G.V. Kretinin; I.A. Leshchenko //WCCM V Fifth-World Congress on Computational Mechanics July 7-12, 2002, Vienna, Austria.

27. Egorov I.N. How to Execute Robust Design / I.N. Egorov, G.V. Kretinin, I.A. Leshchenko // AIAA Paper No. 2002-5670, 9th

28. Metal Agglomeration in Solid Propellants Combustion/ S.A. Rashkovsky: Part 2. Numerical Experiments. Combustion Science and Technology-1998. V.139. P.149-169.

29. Rashkovsky S.A. Monte Carlo Simulation of Aluminum Agglomeration in Composite Solid Propellants Combustion/ S.A. Rashkovsky // In: Proceedings of Twenty-Fourth International Pyrotechnics Seminar, Monterey, California, 1998. P.-833-846.

30. Rashkovsky S.A. Monte Carlo simulation of aluminum.agglomeration in* composite solidtpropellants- combustion / S.A. Rashkovsky // In: Proceedings of the 29th International* Annual Conference of ICT, Carlsrue, 1998. P.94-95.

31. Ghanem R. Hybrid'Representations of Coupled Nonparametric and' Parametric Models for Dynamic Systems / R. Ghanem, S. Das // AIAA JOURNAL V. 47. №. 4. April 2009.

32. Loeven A. Efficient uncertainty quantification using a two-step approach with chaos collocation-/ A. Loeven, J1. Witteveen, H. Bij 17/ European Conference on Computational:Fluid Dynamics ECCOMAS.CFD, 2006 cTU Delft, The Netherlands

33. Лазаревым.А. Совершенствование технологии селективной Новые решения и технологии в газотурбостроении / М:А.Лазарев; А.А. Лазарев // Тез. докл. М.: ЦИАМ, 2010. 344 с.

34. Иванов Б.Г. Оценка влияния» допусков на' размеры и технологии сборки исполнительных механизмов' на разбег их выходных параметров в серийном производстве / Б.Г. Иванов; А.В: Ковтунов, О.П: Мулюкин // Вестник СамГАПС. 2006. № 5 (9). С.8-12.

35. Yuan L. Mathematical Model of Quality Variation in Multidisciplinary Robust Design Proceedings of ICCPR2007 / L. Yuan, Q. Han, J.A. Deng // International Conference on Comprehensive Product Realization 2007, June 18-20, 2007, Beijing, China. P.7.

36. Wang H. Robust Design using stochastic response surface and sensitivities / H. Wang, N.H. Kim // 11th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis & Optimization Conference 6-8 Sep. 2006/Portsmouth, VA AIAA, 2006. 7015.

37. Осипов Б.М. Применение передаточных моделей при оптимизации ГТД и его узлов / Б.М. Осипов, А.В.Титов, А.П. Тунаков // Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева. 2003. № 2. С. 10-12.

38. Тунаков А.П. Методы оптимизации при доводке и проектировании газотурбинных двигателей / А.П. Тунаков // М.: Машиностроение. 1979. 184 с.

39. Морозов С.А. Передаточные модели / С.А.Морозов, Б.М.Осипов, А.В.Титов, А.П. Тунаков // Вестник Казан, гос. техн. ун-та им. А.Н. Туполева.-1999. №3. С. 15-20.

40. Бахвалов Н.С. Численные методы / Н.С. Бахвалов, Н.П.Жидков, Н.П., Г.М.Кобельков // М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2003. 636 с.

41. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений- / А.Н. Зайдель // Л.: Наука, 1968. 96с.

42. Коваленко И.Н. Теория вероятностей и математическая статистика / И.Н. Коваленко, А.А Филиппова // М.: Высшая школа, 1988. 370 с.

43. Ляпин B.C. Статистика: теория и практика в Excel / B.C. Ляпин, ИГ. Зверева Н.Г. Никифорова // М.: Финансы и статистика, 2010. 448 с.

44. Рачук B.C. Моделирование и оптимизация рабочих процессов в ЖРД на базе искусственных нейронных сетей и структурно-параметрических методов нелинейного программирования / B.C. Рачук, А.В. Кретинин, А.В.