Исследование взаимодействия сверхзвукового течения газа с легкоплавким материалом в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твердом топливе

Авторы

  • Надежда Петровна Скибина Национальный исследовательский Томский государственный университет
  • Валерий Владимирович Фарапонов Национальный исследовательский Томский государственный университет

DOI:

https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.3.23

Ключевые слова:

прямоточный воздушно-реактивный двигатель, твердые легкоплавкие горючие, теплообмен, сверхзвуковые течения, физическое и математическое моделирование

Аннотация

Исследуются процессы, сопровождающие работу прямоточного воздушно-реактивного двигателя с горением твердого топлива в сверхзвуковом потоке. Твердотопливным элементом, размещенным в камере сгорания двигателя, служит наполнитель из легкоплавкого полимерного материала, выполненный в форме цилиндра с продольным каналом на оси. Изучение производится методами физического и математического моделирования. Экспериментальная часть работы проведена в импульсной аэродинамической установке. С помощью предложенных измерительных устройств эмпирическим путем получены данные о распределении температуры и давления вдоль стенки канала, который формируется внутри модели при размещении в камере сгорания полимерного наполнителя. Физико-математическая модель для численного решения задачи состоит из системы осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, дополненной уравнениями полуэмпирической SST-модели турбулентности. Для решения уравнений используется метод конечных объемов. Задача рассматривается в нестационарной двухмерной осесимметричной постановке, при этом начальные и граничные условия выбираются в соответствии с экспериментальными данными, что дает возможность осуществлять верификацию результатов численных расчетов непосредственно в ходе аэродинамических испытаний. Представлены полученные распределения газодинамических параметров (давления, температуры, плотности, числа Маха) для течения газа в проточном тракте модели прямоточного воздушно-реактивного двигателя. По данным численных расчетов построены профили давления на границе «газ-твердое тело», показано их изменение с течением времени. Выполненное решение нестационарной сопряженной задачи теплообмена позволяет установить динамику изменения температуры не только в пристеночной зоне проточного тракта, но и в твердом полимерном материале наполнителя (капролоне, полиэтилене, полиоксиметилене). Получено, что воздействие сверхзвукового потока на материал со стороны проточного тракта в течение 1 с приводит к изменению температуры в твердом теле на глубину до 20% от его общей толщины.

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.

Библиографические ссылки


  1. Звегинцев В.И. Газодинамические установки кратковременного действия. Новосибирск: Параллель, 2014. Часть I. Установки для научных исследований. 551 с.

  2. Скибина Н.П., Савкина Н.В., Фарапонов В.В., Маслов Е.А. Комплексный подход к решению задачи высокоскоростного обтекания тела в импульсной аэродинамической установке и проверка согласованности полученных результатов // Вестн. Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2019. № 59. С. 118-129. https://doi.org/10.17223/19988621/59/12

  3. Скибина Н.П. Численное исследование нестационарного течения газа в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя с учетом процесса теплообмена // Вычислительные технологии. 2020. Т. 25, № 6. С. 50-61. https://doi.org/10.25743/ICT.2020.25.6.003

  4. Ищенко А.Н., Маслов Е.А., Скибина Н.П., Фарапонов В.В. Комплексное исследование нестационарного течения с ударными волнами в рабочем тракте гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя // ИФЖ. 2021. Т. 94, № 2. С. 466-473. (English version https://doi.org/10.1007/s10891-021-02315-8)

  5. Мацкевич В.В., Фарапонов В.В., Маслов Е.А. Анализ процесса теплообмена в пограничном слое проточной части модельного ГПВРД при обтекании сверхзвуковым потоком // Интеллектуальные энергосистемы: Труды V Международного молодёжного форума, Томск, 9-13 октября 2017 г. Томск, 2017. Т. 1. С. 49-52.

  6. Снегирёв А.Ю. Высокопроизводительные вычисления в технической физике. Численное моделирование турбулентных течений. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. 143 с.

  7. Скибина Н.П. Математическое моделирование газодинамических процессов в импульсной аэродинамической установке и расчет некоторых параметров потока в рабочей части // Вычислительные технологии. 2019. Т. 24, № 5. С. 38-48. https://doi.org/10.25743/ICT.2019.24.6.004

  8. Гутов Б.И., Звегинцев В.И., Мельников А.Ю. Влияние противодавления на течение в диффузоре сверхзвукового воздухозаборника // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2017. № 49. С. 18-28. https://doi.org/10.15593/2224-9982/2017.49.02

  9. Гутов Б.И., Звегинцев В.И., Мельников А.Ю. Влияние теплоподвода в камере сгорания на течение в диффузоре сверхзвукового воздухозаборника // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2017. № 50. С. 15-25. https://doi.org/10.15593/2224-9982/2017.50.02

  10. Чжен П. Отрывные течения. М.: Мир, 1972. Т. 1. 298 с.

  11. Носатов В.В., Семенев П.А. Расчетно-экспериментальное исследование сверхзвукового турбулентного отрывного течения и локальной теплоотдачи в плоском канале с внезапным расширением // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». 2014. № 1(52). С. 66-77.

  12. Терехов В.И., Богатко Т.В. Влияние толщины пограничного слоя перед отрывом потока на аэродинамические характеристики и теплообмен за внезапным расширением в круглой трубе // ТиА. 2008. Т. 15, № 1. С. 99-106. (English version https://doi.org/10.1134/S0869864308010083)

  13. Федорова Н.Н., Федорченко И.А., Федоров А.В. Математическое моделирование взаимодействия струй со сверхзвуковым высокоэнтальпийным потоком в расширяющемся канале // ПМТФ. 2013. Т. 54, № 2. С. 32-45. (English version https://doi.org/10.1134/S002189441302003X)

  14. Maslov E.A., Faraponov V.V., Zharova I.K., Zhukov A.S., Kozlov E.A., Savkina N.V., Skibina N.P., Gimayeva N.R. Experimental study of the control agent flow parameters in the channel, simulating the ramjet air flow duct // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. Vol. 012090. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1382/1/012090

Загрузки

Опубликован

2021-09-30

Как цитировать

Скибина, Н. П., & Фарапонов, В. В. (2021). Исследование взаимодействия сверхзвукового течения газа с легкоплавким материалом в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твердом топливе. Вычислительная механика сплошных сред, 14(3), 278–288. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.3.23

Выпуск

Раздел

Статьи