CC BY
204
УДК 62-1/9
МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЁТ СТРУЙНЫХ ФОРСУНОК В СРЕДЕ ANSYS FLUENT
А. С. Торгашин, А. М. Бегишев, М. И. Толстопятов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: alex-beg95@mail.ru
Авторы исследуют применяемость САПР Ansys Fluent к расчету форсунок для камеры
ЖРД.
Ключевые слова: программный комплекс инженерного анализа, струйные форсунки, смесеобразование
MODELING AND ANALYSIS OF INKJET NOZZLES IN ANSYS FLUENT
A. S. Torgashin, A. M. Begishev, M. I. Tolstopjatov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: alex-beg95@mail.ru
The authors investigate the applicability of the CAD Ansys Fluent to calculate injector for camera LRE.
Keywords: Software engineering, jet nozzles, mixing
В настоящее время многие предстоящие перед разработчиками задачи, в той или иной степени не поддаются аналитическому решению, либо требуют огромных затрат на экспериментальную реализацию. Также прогресс в разработке численных методов и компьютерного моделирования позволил существенно расширить круг задач, доступных инженерному и научному анализу [1]. Именно по этим причинам внедрение программных комплексов инженерного анализа в процесс проектирования и производства дает возможность облегчить или избежать дорогостоящие и длительные циклы разработки изделия на различных его этапах. Одним из самых мощных распространённых таких комплексов сегодня является программа Ansys, использующая метод конечных элементов.
Для исследования широкого спектра проблем гидрогазодинамики в пакете Ansys существует такой модуль как Fluent. Он позволяет рассматривать различные типы течений, многокомпонентные и многофазные течения, течения через пористые среды и т. д. Все эти факторы позволяют нам смоделировать течение компонентов топлива через форсунки жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), проанализировать процесс смесеобразования и определить некоторые необходимые физические параметры.
В ЖРД помощью струйных форсунок сложно обеспечить хорошее смесеобразование, которое бы обеспечивало полное сгорание топлива в минимальном объеме камеры сгорания, поэтому улучшение качества смесеобразования организовывают за счет столкновений струй компонентов топлива, подаваемых несколькими струйными форсунками, или удара струи и ее последующего разрушения о специальную поверхность [2]. В зависимости от физических свойств жидкости, скорости сближения капель и их размеров, в результате соударения капель могут происходить различные процессы их взаимодействия (взаимный отскок, слияние, разбрызгивание и т. д.) [3]. Общую картину течения наиболее легко можно смоделировать и визуализировать в программном комплексе Ansys Fluent.
Секция «Двигателии энергетические установки летательньш и космических аппаратов»
В качестве геометрической модели был взят участок полости представляющий собой пространство от огневого днища с расположенными не нем двумя струйными форсунками до места встречи струй. И также полости подвода компонента к форсункам. Днище выполнено как пространственный угол, а соответственно форсунки на днище представляют собой отверстия на его поверхностях. Отверстия выполнены таким образом, что струи истекающие из форсунки пересекаются, вследствие чего происходит столкновение струй и их последующее смешение. При построении пространственной сетки для более точного решения исходной задачи произведено локальное уменьшение размеров конечных элементов сетки. В струйной форсунке данные локальные зоны будут группироваться у кромок выходного отверстия. В качестве граничных условий были выбраны давления на входе в форсунки и в камере сгорания, скорости истечения компонентов. Кроме этого при решении любой многофазной задачи важно определить, какой из режимов многофазного потока, наилучшим образом представляет наш поток. В нашем случае в процессе смесеобразования образуется многофазный поток, представляющий собой поток капель керосина в непрерывном потоке генераторного газа с избытком кислорода при наличии действия воздуха находящегося в полости камеры сгорания.
Достижения в вычислительной механике жидкости обеспечили основу для дальнейшего понимания динамики многофазных потоков. В настоящее время существуют два подхода к численному расчету многофазных потоков: подход Эйлера-Лагранжа и подход Эйлера-Эйлера. В отличие от подхода Эйлера-Лагранжа в подходе Эйлера-Эйлера различные фазы математически трактуются как взаимопроникающие континуумы. Поскольку объем фазы не может быть занят другими фазами, вводится понятие фазовой объемной доли. Эти объемные доли считаются непрерывными функциями пространства и времени, а их сумма равна единице. В ANSYS Fluent доступны три различные многофазные модели Эйлера: объем жидкости (VOF), модель смеси и модель Эйлера. Модель Эйлера (описанная в теории эйлеровых моделей) является наиболее сложной из многофазных моделей в ANSYS Fluent и позволяет моделировать несколько отдельных, но взаимодействующих фаз. Для каждой фазы используется Эйлерова обработка, в отличие от обработки Эйлера-Лагранжа, используемой для дискретной фазовой модели. Описание многофазного потока как взаимопроникающих континуумов включает концепцию фракций фазового объема. Фракции объема представляют собой пространство, занимаемое каждой фазой, и законы сохранения массы и импульса удовлетворяются каждой фазой индивидуально.
Для моделирования течения наиболее важно указать модель вязкости текучей среды. Так как мы рассматриваем моделирование течения компонентов из форсунки, то здесь имеет место турбулентное течение, для которого необходимо выбрать способ моделирования турбулентности. В список доступных моделей турбулентности включено большинство популярных полуэмпирических моделей: от самой простой однопараметрической модели Спаларта-Алмараса до моделей с дифференциальными уравнениями для рейнольдских напряжений [4]. Наиболее часто при решении реальных инженерных задач используется модель турбулентности k-s. В ней буферный слой не моделируется, а используются пристеночные функции. Они нужны для описания эффекта ламинарно-турбулентного перехода, когда в узком пристеночном слое течение можно считать ламинарным. Модель пригодна исключительно для установившихся турбулентных течений и может учесть эффект сжимаемости и естественной конвекции.
Как и во многих программных комплексах при визуализации результатов расчёта, можно продемонстрировать изменение скорости компонентов в процессе истечения, в том числе проанализировать изменение скорости при столкновении и смешении струй компонентов топлива. Возможно, проанализировать изменение давления, концентрации какого либо из компонентов в процессе истечения из форсунки и при дальнейшем смешении с другим компонентом топлива. Данные результаты можно просмотреть в любое значение времени, от момента истечения компонентов из форсунок до их смешения, что может быть полезным при моделировании наиболее сложных и кратковременных процессов. В связи со всем можно выделить наиболее важные возможности и особенности программного комплекса инженерного анализа Ansys, которые являются наиболее полезными при моделировании течения компонентов топлива через форсуночную головку ЖРД. Первое это возможность расчёта смесеобразования жидких и газообразных компонентов топлива, что не допускается в иных программных комплексах. Также Ansys имеет возможность подключения химических реакций, что может позволить смоделировать процесс
воспламенения компонентов топлива при смешении, что в свою очередь увеличивает круг задач доступных при анализе процесса смесеобразования в ЖРД.
Библиографические ссылки
1. Лукьянова А. Н. Моделирование контактной задачи с помощью АК8У8 : лабор. работа / Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2014. 52 с.
2. Основы теории и расчёта жидкостных ракетных двигателей / А. П. Васильев, В. М. Кудрявцев, В. А. Кузнецов и др. В 2 кн. Кн. 1. М. : Высш. шк., 1993. 383 с.
3. Пажи Д. Г., Галустов В. С. Основы техники распыливания жидкостей. М. : Химия, 1984.
256 с.
4. Основы работы в ЛШУв 17 / Н. Н. Фёдорова С. А. Вальгер, М. Н. Данилов и др. М. : ДМК Пресс, 2017. 210 с.
© Торгашин А. С., Бегишев А. М., Толстопятов М. И. 2017
