CC BY
167
Секция «Двигатели и энергетические установки летательньх и космических аппаратов»
УДК 621.454.2
ОБЗОР МЕТОДИК МОДЕЛИРОВАНИЯ ВНУТРИКАМЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЖРД С УЧЁТОМ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ
Л. С. Шаблий, В. М. Зубанов, Д. В. Степанов
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королёва Российская Федерация, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34 E-mail: dm.stepanov993@gmail.com
Проведен обзор методик моделирования внутрикамерного процесса в ЖРД. Рассмотрены модели горения, широко используемые в ANSYS CFX. Проведено сравнение результатов расчёта камеры ракетного двигателя, выполненного в ANSYS CFX и программе Terra.
Ключевые слова: ЖРД, моделирование, ANSYS CFX, "Terra", химическая кинетика, модели горения.
REVIEW OF METHODS FOR IN-CHAMBER PROCESSES SIMULATION IN THE LPRE WITH CONSIDERATION OF CHEMICAL KINETICS
L. S. Shabliy, V. M. Zubanov, D. V. Stepanov
Samara National Research University 34, Moskovskoe shosse, Samara, 443086, Russian Federation E-mail: dm.stepanov993@gmail.com
A review of methods for simulation in-chamber process in LPRE was given. Burning models widely used in ANSYS CFX were considered. The results of the calculation of rocket engine chamber performed with ANSYS CFX and the program "Terra" were compared.
Keywords: LPRE, simulation, ANSYS CFX, "Terra", chemical kinetics, burning models.
Множество задач при создании ЖРД решаются экспериментальными методами, которые сопряжены с рядом трудностей технического характера (необходимость имитации эксплуатационных условий, большая длительность отработки двигателей) и высокой стоимостью эксперимента. Альтернативой эксперименту в последнее время становятся численные методы исследования, с помощью которых можно повысить качество проектирования, сократить сроки создания двигателя, уменьшить объём экспериментальных исследований.
В настоящее время опубликовано значительное количество работ, посвященных исследованию гидродинамических процессов, протекающих в ЖРД и его агрегатах. Существует большое количество методик прочностных расчетов, которые можно проводить как аналитическим способом, так и с помощью программных продуктов, реализующих метод конечных элементов. Если рассматривать направление, связанное с исследованием химической кинетики, то данный вопрос достаточно подробно освещен на уровне описания эмпирических моделей. Что же касается использования численного метода исследования - здесь вопрос пока остается недостаточно изученным.
На сегодняшний день существует несколько программных продуктов, в которых может быть реализовано моделирование внутрикамерного процесса ЖРД с учётом горения. Рассмотрим некоторые из них.
1. Программа "Terra", разработанная в МГТУ им. Баумана. В данном программном комплексе реализован расчет параметров равновесия продуктов сгорания, достигаемого в результате химической реакции по длине сопла ЖРД в трех точках: камера сгорания (КС), критика, срез сопла. Течение считается одномерным, т. е. невозможно получить распределение продуктов сгорания по срезу сопла.
"Terra" позволяет проводить расчеты по трём моделям расширения рабочего тела: равновесное, равновесное до критического сечения и замороженное после него, замороженное расширение от сечения с заданной температурой.
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ АВИАЦИИ И КОСМОНАВТИКИ - 2016. Том 1
Для проведения расчета необходимо из библиотеки программы выбрать заданный набор компонентов или задать их массовое соотношение вручную, задать два параметра равновесия (давление в камере, температура, энтропия) и условие расширения рабочего тела.
2. Программа "SPPS PMX", разработанная на кафедре теории двигателей летательных аппаратов в СГАУ. В данном программном комплексе наряду с моделью идеального ракетного двигателя (РД), реализована двухмерная газодинамическая модель с учетом вязкости в приближение пограничного слоя. Также учитывается двумерный характер течения в сверхзвуковой профилированной части сопла путем решения уравнений Эйлера.
Для расчета необходимо сформировать два файла исходных данных. Первый файл содержит информацию о химическом составе компонентов топлива. Второй файл - геометрические параметры теоретического контура камеры.
По сравнению с "Terra", с помощью "SPPS PMX" можно определить не только параметры равновесия продуктов сгорания, но и потери из-за рассеивания и трения. Результаты, полученные с помощью SPPS PMX, сопоставимы с данными о течении продуктов сгорания в камере РД, приведенными в справочниках В.П. Глушко.
3. Программа ANSYS CFX разработчика ANSYS Inc. (SAS Inc.). В данном программном продукте можно реализовать не только трехмерное течение рабочего тела, но и смоделировать внутри-камерные процессы, протекающие в ЖРД (подача компонентов топлива, смешение, гомогенное горение, диффузия, турбулентное перемешивание, образование продуктов сгорания).
Наиболее широко используются модели горения Eddy Dissipation Model (EDM), Finite Rate Chemistry (FRC) и Laminar Flamelet. Сравнение моделей по различным признакам приведено в таблице.
Сравнительная характеристика некоторых моделей горения в ANSYS CFX
Название модели Состояние реагентов Модель течения Отношение скорости химической реакции к скорости смешения Учет Шх, СО Задание химической кинетики
Eddy Dissipation Model (EDM) Полно-стью/частичн о смешаны Турбулентная Намного больше, чем скорость смешения (число Данкелера Ба высокое) Есть, результаты обычно завышены Через набор уравнений и скорости реакций
Laminar Flamelet Model Не смешаны Турбулентная Больше, чем скорость смешения (Ба высокое) Есть, включается с основной моделью С помощью библиотеки CFX-RIF Library
Finite Rate Chemistry (FRC) Не смешаны Ламинарная/ турбулентная Ниже, по сравнению с турбулентным масштабом времени (Ба низкое) Есть Через набор уравнений и скорости реакций
Чаще других в открытых источниках можно встретить модель распада вихрей EDM для описания рабочего процесса в камере сгорания ЖРД. Данная модель была разработана для описания турбулентных течений предварительно перемешанных смесей. При ее использовании предполагается, что химические реакции быстро приводят реагирующую смесь к равновесному состоянию, т. е. скорость химической реакции намного выше, чем скорость смешения горючего и окислителя [1].
Пример реализации данной модели описан в учебном пособии [2]. В нём описана методика расчета процесса горения в камере ракетного двигателя малой тяги (РДМТ) на газообразном кислороде и водороде. Химическая кинетика смоделирована в двух вариантах: с использованием одной глобальной реакции и системы химических реакций, где участвуют 8 компонентов. Система химический уравнений была взята из источника [3].
По полученным авторами методики результатам можно сказать, что расчёт с одной реакцией завышает местные значения температуры, а также поток получается более равномерным, осесиммет-ричным. Но расчёт с усложненной системой реакций даёт более плавное изменение температуры по длине камеры.
В настоящем исследовании для сравнения влияния химической кинетики на внутрикамерный процесс кислородно-водородного ЖРД были проведены газодинамические расчеты течения продук-
Секция «Двигателии энергетические установки летательньш и космических аппаратов»
тов сгорания по длине камеры в "Terra" с равновесным расширением рабочего тела и расчет течения в камере в ANSYS CFX с учетом горения, модель горения - EDM (см. рисунок).
б
а
Сравнения результатов, полученных с помощью ANSYS CFX а - газодинамический расчет замороженного течения с набором компонентов - продуктов реакции, полученных из "Terra"; б - расчет с учетом химической кинетики
На рисунке видно, что поля распределения температур в продольном сечении камеры практически идентичные, но если сравнивать результаты в поперечных сечениях, то мы видим, что имеются различия. Также с помощью химической кинетики можно проанализировать, как распределяются продукты сгорания по длине камеры.
Проведенный обзор позволяет признать выбранное направление по исследованию моделей горения в ЖРД содержательным и интересным для дальнейших исследований.
Библиографические ссылки
1. Хитрых Д. Моделирование процессов горения в ANSYS CFX // ANSYS Solutions. Русская редакция. 2006. № 3 (май).
2. Егорычев В. С., Шаблий Л. С., Зубанов В. М. Моделирование внутрикамерного рабочего процесса РДМТ на газообразных кислороде и водороде в ANSYS CFX : учеб. пособие. Самара : Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2016. 140 с.: ил.
3. Гардинер У. Химия горения / под ред. У. Гардинера. М. : Мир, 1988. 464 с.
© Шаблий Л. С., Зубанов В. М., Степанов Д. В., 2016
