CC BY
6
УДК 621.45.02
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-8-11
ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ИССЛЕДОВАНИЯ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
М.В. Арсентьева
В статье рассмотрены вопросы численного моделирования распределения рабочих параметров по длине камеры сгорания двигательной установки и сопла в квазистационарной постановке. В учебных курсах специальных дисциплин в вузе студенты знакомятся с различными моделями внутренней баллистики в двигательных установках: термодинамическими, газодинамическими и термогазодинамическими. При изучении влияния скорости газового потока вдоль горящей поверхности на уровень давления в камере сгорания с целью получения представлений о физической картине процесса эрозионного горения и знакомства с основными закономерностями протекающих явлений проводится численное моделирование. В данной работе предлагается разработанный программно-методический комплекс для исследования рабочих процессов в квазистационарной постановке. При создании интерфейса программы учитывалась возможность самостоятельной работы студентами, поэтому предусмотрены такие функции, как сохранение исходных данных и результатов расчета в текстовый файл. Кроме того, программа содержит функцию защиты от ошибок пользователя. Тестирование программно-методического комплекса проводилось с использованием результатов натурных экспериментов, что позволяет сделать вывод о точности получаемых характеристик. Представленный разработанный программно-методический комплекс исследования квазистационарных режимов работы используется студентами не только в процессе лабораторных занятий и выполнения курсовых работ, но и в научно-исследовательской деятельности.
Ключевые слова: двигательная установка, газовая динамика, эрозионное горение.
На современном этапе подготовки высококвалифированных специалистов значительная доля формируемых в процессе обучения в вузе компетенций отводится изучению программно-вычислительных процессов обработки информации. Применение вычислительной техники является неотъемлемой частью разработки любых технически сложных изделий, моделирование процессов функционирования которых позволяет получить характеристики исследуемого объекта, сделать прогноз о работоспособности, оптимизировать его параметры или режимы работы. В процессе обучения будущие специалисты учатся выбирать методы получения количественных данных о рабочем процессе, устанавливать взаимосвязи между конструктивными параметрами и характеристиками процесса.
В учебных курсах специальных дисциплин при изучении процессов внутренней баллистики в двигательных установках (ДУ) используются программно-методические комплексы, базирующиеся на термодинамических и газодинамических моделях, а также их комбинациях.
В ДУ большого удлинения параметры газового потока существенно изменяются в осевом направлении, что приводит к появлению эрозионного
горения. Математическое описание рабочего процесса в подобных ДУ должно основываться на уравнениях газовой динамики. Поскольку в основном (стационарном) периоде работы параметры потока несущественно меняются во времени, в системе уравнений слагаемыми, содержащими частные производные по времени, можно пренебречь. Тогда она примет следующий вид [8]:
"о р а?
—рръ = рхи—;
ох ох
А( рЪ2 )= -р Ор •
ох ох
рРЪ
( 2 ^ н + Ъ-2
V
= рти--°(рръ);
ох ох
д_
ох
р = рЯТ,
где р, р, Т, ъ - средние по сечению камеры сгорания давление, плотность, температура и скорость газа; р - площадь поперечного сечения камеры; ? - площадь поверхности горения топлива; Н - энтальпия; рт - плотность топлива; и - скорость горения топлива; Qт - теплота, выделяющаяся при сгорании единицы массы топлива; Я - газовая постоянная.
Скорость горения твердого топлива определяется с учетом эрозионного горения [2].
Вычисление значений параметров потока по соплу ДУ: давления, температуры и скорости продуктов сгорания, проводится с помощью газодинамических функций [7].
На основании приведенной математической модели разработан программно-методический комплекс «RDTT_ШasDin», позволяющий проводить исследования рабочего процесса в ДУ в квазистационарной постановке и получить наглядное представление о характере изменения основных параметров газового потока по оси камеры сгорания ДУ и сопла.
8
Пользовательский интерфейс программы представляет собой несколько форм (рис. 1-4). Также предусмотрена возможность сохранения исходных данных и результатов расчета в текстовый файл, что позволяет провести сравнительный анализ в процессе исследования.
Программа поддерживает функцию защиты от ошибок пользователя (рис. 5), что особенно актуально в процессе самостоятельной работы, позволяет скорректировать исходные данные и продолжить процесс вычислений, не обращаясь за помощью к преподавателю.
Программа была протестирована с использованием результатов натурных экспериментов, а также сравнением с другими методиками.
Выбор расчетной с
1И
Г Первая расчётная схема
и, г»
"ГТ
¡¿- -
>4.-'
С Вторая расчётная схема
ГДалёёП] Отмена |
Рис. 1. Выбор расчетной схемы
Ввод исходных данных
-Заряд | Топливо ] Коэффициенты ]
Рис. 2. Выбор формы заряда
Ввод исходных данных
Диаметр камеры сгорания, м Диаметр критического сечения сопла, м Число сопел
Открыть | Сонранить | Расчет | Назад | Отмена |
Камера сгорания | Заряд ¡..1^ -Закон горения-
Коэффициенты ]
Коэффициенты в законе скорости горения
Плотность топлива, кг/мЗ Сила топлива. Дж/кг Газовая постоянная. Дж/кгК Показатель адиабаты
Открыть | Сохранить |
I- -I
Отмена |
Рис. 3. Задание исходных данных
в н П1
Яшлкт | | Сирость [| Иди» | Г
;
! .....1..... .....Т.....
..... .....1..... ......
; :
!
........... !
I
—-н...... .........1
.....г : 1 ■
/
....._.....;...... /
......;......
- —
-•1 н»1
Давление | Температура) Скорость) Плотность : Таблица р «^ьтатоБ.:|
| х, м |Р, Па |Т.К V, м/с По, кг/мл3
0 11170110,1761044 2302,76132607572 230271196105204 2302,62965433791 2302,51435953049 2302,36601211201 7,57652856076974 15,1541969093569 22,7340463626189 р03171082663015 37,9044249490009 13.474294305345С 13.473183463421: 13,471331754670! 13.468739746599 13.465403945452:
0,055 11168949,0572807 11167015,6734222 11164307,1727711 11160323,7351274
0,11
0,155
0,22
0,275 11156564,5709637 [2302,18452933769 45,4970406834468 13.461326295369:
0,33 11151528,7202961 ^301,96981009176 53,0960046575311 13.4565051773005
0,335 11145715,0513074 2301,72173471128 60,7023719574981 13.450939407690:
0.44 111ЗЭ122.2587162 2301.44016477699 №3172045657859 13.444627736815:
0.4Э5 11131748,8618883 р301.12484287048 75,8415723760777 13.437568747477
0.55 11123593.2026828 2300.77589229681 83.5765542282074 13.42976085193®
Рис. 4. Вывод результатов расчета на экран
9
Rdtt_lgasdin UB-Г RdttjLgasdin ШЩ
He выбран тип расчетной схемы He зада но: Диаметр камеры сгорания, м
OK i| :>< I
Рис.5. Сообщения пользователю при возникновении ошибок задания исходных данных
В процессе работы с программой обучаемыми проводится анализ влияния условий и факторов на развитие внутрибаллистического процесса в ДУ с формированием понимания причины и с оценкой существенности этого влияния.
Представленный программно-методический комплекс может использоваться при выполнении лабораторных, курсовых работ, в ходе дипломного проектирования, а также в научных исследованиях и при создании двигательных установок большого относительного удлинения с целью прогнозирования внутрибаллистических параметров их рабочего процесса.
Список литературы
1. Арсентьева М.В. Вычислительный практикум по дисциплине «Внутренняя баллистика» // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 11. 2020. С. 478-482.
2. Арсентьева М.В. Моделирование внутрибаллистических процессов в двигательных установках большого удлинения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 3. С. 133-140.
3. Арсентьева М.В., Дунаев В.А. Моделирование нестационарных газодинамических процессов с учетом двухфазного потока // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып.3. Тула: ТулГУ, 2007. С. 183-187.
4. Арсентьева М.В., Куприк Д.А., Ложкин И.А. Расчет рабочего процесса в двигательных установках большого удлинения // Молодежь. Техника. Космос: труды XI Общероссийской молодежной науч.-техн. конф. Т.2 / Балт. гос. техн. ун-т. СПб.; 2019. С. 234-239.
5. Внутрибаллистические процессы в ствольных и ракетных двигателях: в 3 ч. Ч. 2 / М.В. Арсентьева, М.С. Воротилин, Н.В. Могильников, В.Ю. Сладков, О.А. Фомичева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2020. 217 с.
6. Внутрибаллистические процессы в ствольных и ракетных двигателях: в 3 ч. Ч. 3 / М.В. Арсентьева, М.С. Воротилин, Н.В. Могильников, В.Ю. Сладков, О.А. Фомичева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2020. 252 с.
7. Диментова А. А., Рекстин Ф. С., Рябов В. А. Таблицы газодинамических функций: справочное пособие. М.-Л.: Машиностроение, 1966. 138 с.
8. Дунаев В.А., Корнев О.А., Замарахин В.А. Газодинамика старта ракет ближней зоны: монография. Тула: КБП им. академика А.Г. Шипунова, 2019. 200 с.
9. Ерохин Б.Т., Липанов А.М. Нестационарные и квазистационарные режимы работы РДТТ. М., Машиностроение, 1977. 200 с.
10. Колотов Е.С. Моделирование распределения газодинамических параметров в ракетном двигателе значительного удлинения // Аэрокосмическая декада. Сборник трудов XIII Всероссийской научно-технической студенческой школы-семинара. Москва, 2020. С. 72-73.
11. Разработка реактивных снарядов РСЗО на базе компьютерных технологий / Н.А. Макаро-вец [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 215 с.
12. Термогазодинамика реальных процессов: монография / Ю.С. Швыкин, В.А. Дунаев, В.А. Мальцев, В.А. Никитин. Тула: Изд-во ТулГУ, 2019. 271 с.
Арсентьева Марина Владимировна, канд. техн. наук, доцент, mars_100@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SOFTWARE AND METHODOLOGICAL COMPLEX FOR STUDYING QUASI STATIONARY OPERATING MODES OF PROPULSION PLANT
M.V. Arsentieva
The article deals with the issues of numerical simulation of the distribution of parameters along the length of the combustion chamber of a propulsion system and nozzle in a quasi-stationary formulation. In the courses of special disciplines at the university, students get acquainted with various models of internal ballistics in propulsion systems: thermodynamic, gas-dynamic and thermo-gasdynamic. When studying the influence of the gas flow velocity along the burning surface on the pressure level in the combustion chamber, in order to obtain an idea of the physical picture of the erosive combustion process and to get acquainted with the main laws of the occurring phenomena, numerical modeling is carried out. This paper proposes a developed software and methodological complex for the study of work processes in a quasi-stationary formulation. When creating the pro-
gram interface, the possibility of independent work by students was taken into account, therefore, such functions as saving the initial data and calculation results to a text file are provided. In addition, the program contains a user error protection function. Testing of the software and methodological complex was carried out using the results of full-scale experiments, which allows us to conclude that the characteristics obtained are accurate. The presented developed software and methodological complex for the study of quasi-stationary modes of operation is used by students not only in the process of laboratory classes and term papers, but also in research activities.
Key words: propulsion system, gas dynamics, erosive combustion.
Arsentieva Marina Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, mars l00@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 378
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-11-16
ПРОБЛЕМЫ В СФЕРЕ ОБРАЗОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ЦИФРОВИЗАЦИИ В ОБЛАСТИ
ОБОРОННЫХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ
М.А. Барбаш
В статье изложены актуальные проблемы в сфере образования, связанные с переходом на новые образовательные стандарты, обусловленные внедрением цифровизации. При реализации новых стандартов возникли юридические, учебные и материально-технические вопросы. В заключение предлагается в сфере образования решение проблемных ситуаций путем использования цифровых технологий в области оборонных специальностей. В ходе исследования рассматриваются проблемы возникающие при переходе обучения в ВУЗе на цифровые технологии в оборонных специальностях, в частности, 17.05.02 и смежные с ней направления. Оборонные специальности - это специальности в сфере подготовки специалистов в области вооружения, военной и специальной техники. Полученные результаты можно принять, как успешные итоги предварительного изучения проблематики. Отсюда правомерно рассматривать проведение дальнейших исследований с проведением апробаций в ходе педагогических экспериментов по предложенным рекомендациям, с привлечением испытуемых, представляющих репрезентативные выборки генеральной совокупности студентов и преподавателей оборонных специальностей.
Ключевые слова: вооружение, военная и специальная техника, стрелково-пушечное, артиллерийское и ракетное вооружение, цифровизация, оборонная специальность, конструкторы-оружейники.
Актуальность. Тема цифровизации в сфере образования является одной из самых актуальных, т. к. цифровые технологии окружают нас везде. Цифровизация - повсеместный процесс распространения и внедрения цифровых технологий в различные сферы жизни общества: образование, экономику, науку и т.п.
Проблематика исследования. В ходе исследования рассматриваются проблемы, возникающие при переходе обучения в ВУЗе на цифровые технологии в оборонных специальностях, в частности, 17.05.02 и смежные с ней направления. Оборонные специальности - это специальности в сфере подготовки специалистов в области вооружения, военной и специальной техники (далее - ВВСТ).
Объект исследования - студенты и преподаватели кафедры специальности 17.05.02, при освоении программы по новым образовательным стандартам [1-12] с внедрением цифровых технологий.
Предметом исследования является образовательный процесс в университетах и переход на новые образовательные стандарты с акцентом на цифровые технологии в оборонных специальностях.
Цель исследования: повышение качества обучения оборонных специальностей с помощью внедрения в процесс обучения цифровых технологий. Исследование проводилось на базе МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Методы исследования - контент анализ и анализ литературных источников в области технологий преподавания и обучения практическим навыкам по оборонным специальностям.
Гипотеза. Предполагалось, что инновационная стратегия обучения в области образования с применением цифровых технологий позволит повысить уровень теоретической и практической подготовленности обучаемых и методические подходы преподавателей при подготовке будущих инженеров в области специального машиностроения.
Результаты исследований. В ходе проведенных исследований были выявлены следующие проблемы, которые можно разделить на несколько направлений.
I. Образовательный и учебный блок.
1.1. Особо следует обратить внимание на существующую проблему с наличием специальной литературы в библиотеках ВУЗов (в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана) по оборонным специальностям в особенности из научного фонда, где ряд книг утеряны, другие имеются в крайне ограниченном количестве или изначально напечатаны малым тиражом, некоторые находятся в крайне плачевном со-
