CC BY
267
7. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982. 391 с.
Корнев Олег Анатольевич, асп, [email protected], Россия, Тула Тульский государственный университет,
Шмидт Евгений Александрович, программист, [email protected], Россия, Тула Тульский государственный университет
QUESTION OF USE ADAPTIVE MESH BY MODELLING COMPLEX GAS-DYNAMIC PROCESS
O.A. Kornev, E.A. Shmidt
The question of the use adaptive mesh for modeling problems in gas dynamics is considered. Approaches to the interpolation of the grid function, suggesting an extension template. The paper presents the criteria that enable dynamic adaptation of the computational grid to the solution.
Key words: adaptive mesh, the mesh function, the calculation gradients of parameters through the faces of cells.
Schmidt Evgeny Aleksandrovich, programmer, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
Kornev Oleg Anatojevich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.455
АНАЛИЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РДТТ ПРИ НАЛИЧИИ ЗАСТОЙНОЙ ЗОНЫ
А.Ю. Шишков, И.В. Дунаева, Ж.И. Стерленгова, Е.А. Шмидт
Рассмотрено течение газа в застойной зоне, проведен анализ газодинамических параметров ПС, сделан вывод о габаритах наиболее критичной зоны теплового и силового воздействия ПС на внешнюю поверхность заряда и корпус РДТТ, проведен расчет теплового состояния заряда с поврежденным бронирующим покрытием, выявлены вероятные причины отказа ДУ.
Работоспособность РДТТ, тепловая защита, бронирующее покрытие.
В ходе периодических стендовых испытаний был выявлен единичный случай разрушения серийного РДТТ. Для анализа работоспособности
РДТТ с учетом влияния технологических факторов было проведено исследование течения газа в застойной зоне (между корпусом и бронировкой заряда), а также анализ теплового состояния забронированной поверхности заряда при контакте с продуктами сгорания. По результатам исследований были определены наиболее вероятные причины отказа РДТТ.
Течение порохового газа в современном РДТТ часто характеризуется наличием застойных зон. Особенно это касается двигателей с вкладными зарядами. Наличие протяженной застойной зоны зачастую уменьшает тепловую и силовую нагрузку на стенки камеры, снижая требование к типу и толщине теплозащитного покрытия и материалу стенки. Наличие застойной зоны с проникновением порохового газа снижает риск разрушения горящего по каналу заряда твердого топлива к концу работы двигателя за счет более равномерного нагружения внешним давлением.
На рис. 1 изображена расчетная схема двигателя с застойной зоной. «Реализация» застойной зоны связана с рядом технологических трудностей: обеспечением герметичности уплотнений в широком диапазоне температур эксплуатации, жесткими требованиями к нанесению бронирующего покрытия.
Анализ газодинамических параметров ПС (давления, скорости и температуры) позволит определить величину тепловой и силовой нагрузки на элементы двигателя. Из канала заряда, проходя через зазоры и отверстия, пороховой газ поступает в район днища, откуда попадает в зазор между бронировкой и корпусом камеры. При движении по зазору пороховой газ охлаждается за счет протяженной омываемой поверхности, что приводит к постепенному снижению тепловой нагрузки на последующих участках. При моделировании задавались границы газоприхода с поверхности заряда.
застойная зона
; Оконв__
I
ЗАРЯД
горение
Рис.1. Расчетная схема
Застойная область считалась закрытой, т.е. утечки через уплотни-тельные кольца отсутствовали. Стенки камеры задавались неадиабатическими - учитывался тепловой поток от газа (задавались коэффициент теплоотдачи а и температура стенки). Для расчета использовался модифицированный «метод крупных частиц» [1,2]. Газ считался вязким и теплопроводным.
Для максимального уровня нагрузки, действующего в КС, был смоделирован квазистационарный процесс заполнения застойной зоны газом. Анализ полученных распределений позволил сделать вывод о габаритах наиболее критичной зоны теплового и силового воздействия ПС на внешнюю поверхность заряда и корпус РДТТ.
Подробно остановимся на расчете процесса теплообмена в РДТТ. Определим влияние параметров газа на интенсивность теплообмена.
В кольцевых каналах коэффициент теплоотдачи определяется по формуле
х О 8
у-р
а = 0,23 Х
Н0,2 иэкв V
•Рг0'43
^ -Я. Г
где А - коэффициент теплопроводности газа; с/ш. - эквивалентный диаметр проходного сечения; V- скорость потока газа; р - давление газа; - динамическая вязкость газа; Я - газовая постоянная; Т - температура газа; Рг -критерий Прандтля.
Эквивалентный диаметр для кольцевых зазоров определяется как
где И я й- большой и малый диаметры кольца.
Для оценки нагрева корпуса МДУ в критичной зоне воздействия были выбраны 3 точки на обечайке, расположение которых показано на рис. 2.
Максимальные величины температур были достигнуты в конце времени работы МДУ и составили 300, 350 и 250 °С в точках 1, 2 и 3 соответственно (рис.3).
Для оценки влияния технологических факторов на работоспособность РДТТ был проведен расчет конструкции с различными нарушениями. Для случая отсутствия проклейки шва теплоизоляции корпуса максимальная температура обечайки в точке 2 составила 450 °С к концу работы.
В целом, распределение температуры корпуса МДУ по длине застойной зоны характеризуется пиком возле заднего торца заряда (точки 1 и 2) и спадом по мере приближения к месту установки резиновых уплотнений, где корпус прогревается не выше 100 °С.
Рис. 2. Схема расположения контрольных точек на обечайке МДУ
Рис. 3. Изменение температуры в контрольных точках по времени с ТЗП и заполненным клеем швом при Тнач=50оС
Перейдем к оценке теплового состояния внешней забронированной поверхности заряда в критичной зоне. Оценим возможность появления в бронировке трещин и несоответствующих КД - толщин. В таблице представлены результаты оценки нагрева заряда в месте утонения к моменту времени т = 2 с.
Проведенный расчет теплового состояния заряда с поврежденным бронирующим покрытием показывает возможность возникновения достаточных для воспламенения топлива условий при толщине бронирующего покрытия, не превышающей 0,3 мм (без учета уноса и прококсовки материала бронировки). На графике рис.4 представлены зависимость нагрева заряда от толщины бронирующего покрытия и характерный диапазон величин температуры вспышки типовых топлив.
Изменение температуры заряда при различном сочетании толщин
вариант Номинальная толщина бронировки max, мм Толщина бронировки по утонению min, мм Температура заряда T оС 1 max? ^ t = 2 c
1 1 71
2 0,5 140
3 3 0,4 147
4 0,3 169
5 0,2 220
6 0 297
400 350 300 • 250
н 200
150 100 50 0
О
dy, mm
• t = 2 с--- Тестштггктг
Рис.4. Изменение температуры заряда в зависимости от минимальной толщины бронировки для различных моментов времени
Таким образом, показано, что при определенных условиях, вызванных дефектом бронирующего покрытия (или некачественным ремонтом), при работе РДТТ возможно локальное воспламенение внешней поверхности заряда. Очевидно, что при этом изменится и тепловое состояние корпуса. Полученные значения температуры (> 900 оС) должны неизбежно привести к местной потере прочности и демонтажу конструкции.
Вероятной причиной отказа ДУ в проведенных испытаниях может быть сочетание следующих факторов:
1) отсутствие целостности или повреждение (в результате доработки) бронирующего покрытия, что может привести к воспламенению основного заряда под бронировкой и превышению предельного давления совместно с резким увеличением тепловой нагрузки на корпус ДУ;
2) отсутствие или некачественная проклейкой шва и катета ТЗП
компаундом;
3) несоблюдение размеров заряда, при котором возможен прорыв газов через уплотнения.
Список литературы
1. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982. 391 с.
2. Дунаев В. А., Бригадиров М.Г. Вычислительный эксперимент в тепломеханике реактивных снарядов: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2002.144 с.
Шишков Алексей Юрьевич, вед. инженер, i w [email protected]. Россия, Тула, ОАО «Конструкторское бюро приборостроения им. академика А.Г. Шипунова»,
Дунаева Инна Валерьевна, канд. техн. наук, доц., i w [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Стерленгова Жанна Игоревна, студент, i w [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шмидт Евгений Александрович, программист, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF FUNCTIONING OF THE ROCKET ENGINE IN THE PRESENCE
STAGNANT ZONE
A.Yu. Shishkov, I..V. Dunayeva, Zh.I. Sterlengova, E.A. Shmidt
The gas current in a stagnant zone is considered, the analysis of gasdynamic parameters of an interface is carried out, the conclusion is drawn on dimensions of the most critical zone of thermal and power influence of an interface on an external surface of a charge and the case of the rocket engine, calculation of a thermal condition of a charge with the damaged reserving covering is carried out, probable causes of an engine failure are established.
Key words: operability of the rocket engine, the thermal protection, reserving covering.
Shishkov Alexey Yuryevich, leading engineer, i w [email protected], Russia, Tula, JSC «KBP named after Academician A.Shipunov»,
Dunayeva Inna Valeryevna, candidate of technical sciences, the associate professor, i w [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Sterlengova Zhanna Igorevna, student, i w [email protected], Russia, Tula, Tula State University
Schmidt Evgeny Aleksandrovich, programmer, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
