Моделирование процессов тепломассообмена при гидрогашении РДТТ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Испытания ракетно-космической техники

основаны на применении вредных и опасных веществ.

Переход на экологически чистые технологии получения низких температур можно реализовать на основе эффекта Ранка. Благодаря тому, что рабочим телом является воздух, а не аммиак или фреон, вихревые системы охлаждения экологически безопасны.

Низкие температуры и большие перепады давлений в короткие интервалы времени достигаются за счет безинерционности вихревых систем охлаждения, что позволяет имитировать условия, в которых находятся объекты ракетно-космической техники.

В ходе экспериментальных исследований элементов системы охлаждения на базе цилиндрических вихревых труб была спроектирована система охлаждения, отличающаяся от ранее разработанной тем, что в ее состав входит коническая вихревая труба, адаптированная аналогично цилиндрической трубе под снятие параметров газодинамических процессов: температуры, давления, направления и скорости потока, расхода газа на входе и выходе.

Для проведения поэлементных экспериментальных исследований использовался газодинамический стенд высокого давления, позволяющий проводить испытания при давлении до 4 МПа и расходе воздуха до 3 кг/с.

Для снятия и регистрации параметров использовалась автоматизированная система измерения на базе измерительных модулей ICP CON, позволяющая записывать по 8 параметров давления, температуры и перепада давлений. Максимальная скорость регистрации параметров составляет 10 измерений в секунду.

При испытаниях вихревой трубы на давлении до 3 МПа и расходе воздуха 1 кг/с (в соответствии с техническим заданием) было получено захоло-жение до 60 оС. Для дальнейшего снижения температуры до -110 оС было принято решение о применении двухтрубной системы охлаждения, состоящей из двух вихревых труб, соединенных последовательно с возможностью регулирования коэффициента расхода на выходе из второй ступени системы охлаждения и использованием коэффициента положительной обратной связи по температурному контуру для исследования остаточного холода.

Важной областью в исследовании газодинамических процессов и конструировании эффективных систем является математическое моделирование, позволяющее производить численные эксперименты. Разработана математическая модель движения потока газа в вихревой трубе, решение которой проводилось в среде Flow Simulation 2009. Результаты численного моделирования подтвердили экспериментальные данные, полученные на натурном стенде.

A. V. Svistunov, A. A. Sitnikov The Ufa State Aviation Technical University, Russia, Ufa

VORTICAL SYSTEM OF CLIMATIC TESTS OF SPACE-ROCKET EQUIPMENT

The actual problem of developing and carrying out ecologically safe climatic tests of space-rocket equipment is considered.

© Свистунов А. В., Ситников А. А., 2009

УДК 621.4

Н. М. Цирельман, Р. Р. Мустафин Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия, Уфа

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ ГИДРОГАШЕНИИ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Дается математическая модель процессов тепломассообмена капель жидкости с потоком газа и алгоритм проведения соответствующих расчетов на ПЭВМ. Решается модельная задача испарения капель воды, впрыснутых в камеру сгорания ракетного двигателя твердого топлива, с учетом затенения каплями поперечного сечения потока воздуха и наличия градиента температуры по радиусу капли.

В работе моделируется процесс тепломассопе-реноса капель воды, впрыснутых в поток продуктов сгорания ракетного двигателя на твердом топливе (РДТТ), математическая модель которого основывается на следующих допущениях [1]:

- частицы жидкости играют роль источников или стоков теплоты, вещества и количества движения;

- все процессы рассматриваются как квазистационарные, кроме процесса теплопроводности в

Решетневские чтения

капле, и используются стационарные уравнения газодинамики и движения капель;

- стенки канала адиабатны и отсутствуют потери энергии как на трение, так и при смешении пара с присоединенной массой;

- нагревание и испарение капель считается равномерным по поверхности, т. е. реактивная сила отходящей массы отсутствует.

Математическая модель процессов тепломассообмена при гидрогашении РДТТ с учетом принятых допущений включает в себя совместное рассмотрение следующих уравнений воздействий:

dw = -

w ( df dmn

M2f

m

k -1 n -—Z dQi

dT = -

T

M2 -1

dp =

(к - 1)(kM2 -1)

Z dQi + X

M1 -1

M2 £ Q + Y

(1)

(2)

(3)

где X = (k -1) M2 dmn-(к -1) M2 f;

Y = kM

2 dmL - kM2 f.

т /

Отметим, что такой подход к исследуемой проблеме описан применительно к другим задачам в методе Шапиро-Хоторна [2]. Однако в настоящей работе учтено затенение поперечного сечения потока каплями жидкости, представляющее собой геометрическое воздействие, которое возникает из-за того, что капли жидкости занимают часть поперечного сечения канала.

Численное исследование процесса гидрогашения основывается на детальном рассмотрении тепломассообмена капель жидкости с потоком горячих газов РДТТ.

Учтены движение внешней границы капли вследствие протекания процессов конденсации и испарения и формирование температурного поля в ней. Использовался метод определения теплового состояния областей с подвижной границей, в качестве которого выступают изменяющие свой размер капли жидкости [3]. С указанной целью рассматривалась следующая краевая задача нестационарной теплопроводности:

с (T )р (T )

ЭТ (R,t)

5т

_L _Э_ R 5R

R 2Х (Т )

ЭТ ( R,t)

8R

; (4)

(т )-

у 'dR

0 <R < s(t), т > 0; Т(R,0) = То, R е (0;s(0));

= а (Т - Tw )-^, R=sfr) FidT

8T

5R

= 0, т > 0,

(5)

т > 0; (6) (7)

R=0

которая решалась по неявной схеме с привлечением метода прогонки.

При этом радиус капли разбивался на 100 равных долей и составлялся конечно-разностный аналог задачи (4)-(7). В одномерной постановке решалась задача о разгоне капель потоком газа.

Библиографический список

1. Русак, А. М. Тепломассообмен капель жидкости с горящим твердотопливным зарядом / А. М. Русак, Н. М. Цирельман // Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей : межвуз. науч. сб. ; Уфим. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа, 2002. С. 184-188.

2. Эммонс, Г. В. Основы газовой динамики / Г. В. Эммонс. М. : ИИЛ, 1963.

3. Цирельман, Н. М. Прямые и обратные задачи тепломассопереноса / Н. М. Цирельман. М. : Энергоатомиздат, 2005.

N. M. Cirelman, R. R. Mustafin Ufa State Aviation Technical University, Russia, Ufa

MODELING HEAT-MASS EXCHANGE PROCESSES AT HYDROCLEARING OF SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE

Liquid drops and gas flow heat-mass exchange processes mathematical model and applicable PC calculations operation algorithm are given. A model problem of water drops being evaporated during their injection into the SRM input is to be resolved, taking into account gasflow cross section shaded by the drops and the present drop radial temperature gradient.

© Цирельман Н. М., Мустафин Р. Р., 2009