CC BY
6Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 58
www.mai.ru/science/trudy/
УДК 621.454.2, 533, 519.63
Расчетное исследование особенностей рабочего процесса в камерах сгорания ЖРД, работающих на топливе кислород +
углеводороды
С.В. Мосолов, Д.А. Сидлеров, А.А. Пономарев, Ю.Л. Смирнов
Аннотация
С помощью метода численного моделирования двухфазных турбулентных течений с горением, разработанного в ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», исследованы особенности рабочего процесса в модельных камерах сгорания ЖРД, работающих на топливе кислород + углеводороды (керосин). Рассмотрены камеры со струйно-центробежными форсунками, работающие по схеме газ-жидкость. Изучено влияние конструктивных и режимных параметров смесительных элементов на процессы течения, смесеобразования и горения. Ключевые слова
камера сгорания, жидкостный ракетный двигатель, численное моделирование.
Введение
Компоненты топлива кислород + углеводороды традиционно используются в космической ракетной технике среднего и тяжелого классов. Наиболее известны такие российские ракеты-носители (РН), как Р-7 и ее модификации, «Зенит», «Энергия», «Ангара», а также разработанные в США РН серий «Сатурн» и «Атлас», на которых устанавливаются кислородно-керосиновые двигатели РД-107/108, РД-170/171, РД-120, РД-191, РД-0124, Н-1, Б-1, РД-180 и др.
В российских жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) форсунки с закруткой одного или обоих компонентов топлива на входе в камеру сгорания используются в качестве мощного средства воздействия на протекание рабочего процесса [1, 2]. Закрутка может радикальным образом влиять на поле течения. Такие важные его характеристики, как распыл жидкого топлива, распространение, взаимодействие и затухание струй, эжекция вещества струей, размеры и форма зоны горения существенно зависят от степени закрутки, сообщенной потоку.
В ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» ведется разработка методов и компьютерных программ численного моделирования рабочего процесса в камерах сгорания и
газогенераторах ЖРД. В данной области достигнуты значительные успехи [3, 4]. Разработаны математическая модель, численный метод и компьютерные программы для расчетного моделирования двухфазных осесимметричных и трехмерных турбулентных течений с горением в камерах сгорания и газогенераторах ЖРД. Математическая модель включает уравнения типа Навье-Стокса и k-s модель турбулентности. Скорость горения определяется по модели размыва турбулентных вихрей и по обобщенному уравнению химической кинетики аррениусового типа. Расчет движения, прогрева, испарения и дробления капель жидкого горючего и окислителя проводится в подходе Лагранжа. При этом учитывается взаимообмен массой, импульсом и энергией между фазами газа и капель с учетом особенностей турбулентного течения. Уравнения в частных производных для газовой фазы дискретизируются методом контрольного объема и численно решаются алгоритмом типа SIMPLER [5], а обыкновенные дифференциальные уравнения для дискретной (капельной) фазы интегрируются методом Рунге-Кутты [6].
Данный метод широко используется для численного моделирования рабочего процесса в модельных и натурных камерах сгорания, имеющих смесительные элементы разнообразных типов и работающих на различных компонентах топлива.
Результаты численного моделирования рабочего процесса
Рассмотрим основные результаты численного моделирования рабочего процесса в модельной камере, работающей на кислородно-керосиновом топливе по схеме с дожиганием окислительного генераторного газа. На смесительной головке данной камеры сгорания используются соосные газожидкостные струйно-центробежные форсунки с заглублением центрального канала. Через центральный канал подается окислительный генераторный газ, а через внешний кольцевой канал - закрученная пелена керосина (рис. 1). Геометрические размеры выходного участка форсунки указаны на рис. 2-4.
Рис. 1. Схема соосной газожидкостной форсунки При строгой постановке задачи численного моделирования рабочего процесса в многофорсуночной камере требуется применение трехмерного подхода. Однако задачу можно решить также и в упрощенной осесимметричной постановке. Течение внутри канала форсунки рассматриваемого типа может считаться осесимметричным. При равномерном
распределении двухкомпонентных соосных форсунок по смесительной головке ядро потока в камере сгорания в соответствии с расположением форсунок может быть разбито на ряд повторяющихся элементов. Картина течения в каждом таком отдельном элементе при относительно слабой закрутке близка к осесимметричной и дает достаточно полное представление о процессе во всем объеме ядра потока в камере сгорания. Адекватность такого подхода подтверждена трехмерными расчетами [7].
В осесимметричной постановке расчетная область включала в себя внутренний объем форсунки и элемент ядра потока, соответствующий единичной форсунке. Канал генераторного газа может быть простым цилиндрическим или профилированным. Высокоскоростной поток кислородного генераторного газа активно взаимодействует с пеленой жидкого керосина внутри форсунки. Для расчета скорости распыла пелены и диаметра образующихся капель использованы данные работы [8], на основании которых получено, что пелена керосина должна распыляться внутри форсуночного канала на длине около 8 мм, а средний диаметр капель не превышает 20мкм. Интенсивность турбулентности на входе принималась 10%, масштаб турбулентности 0,1 радиуса канала форсунки.
Заглубление канала генераторного газа оказывает существенное воздействие на процессы смешения и выгорания горючего и окислителя. Проведенные расчеты показали, что используемая система уравнений может иметь два стационарных численных решения, одно из которых соответствует стабилизации пламени в основном объеме камеры сгорания на обратных токах у огневого днища, а другое - стабилизации пламени в канале форсунки за кромкой перегородки, разделяющей газовую и жидкостную ступени форсунки, на пелене распыляемого керосина. Возможность реализации одного из режимов стабилизации при работе натурной камеры сгорания зависит от химико-кинетических свойств и температур компонентов топлива, скоростей подачи, особенностей конструкции смесительных элементов, процесса зажигания камеры и др. Учет некоторых из этих обстоятельств в расчете весьма проблематичен, и задача достоверной идентификации режима стабилизации без привлечения информации, полученной при огневых испытаниях камер двигателей, пока не может считаться решенной. Ряд экспериментальных данных косвенным образом указывают на то, что в рассматриваемых условиях наиболее вероятен режим стабилизации горения внутри форсунки. Все представленные результаты расчетов, кроме одного специально оговоренного, соответствуют этому режиму стабилизации.
Рассмотрим результаты расчетов рабочего процесса в струйно-центробежной форсунке и элементе камеры сгорания при профилированном канале генераторного газа с различными величинами заглубления h= 4,3; 13,5; 17 мм.
Заглубление h=4,3 мм. Результаты расчетов приведены на рис. 2 ([а, К), рис. 3(1а). В данном случае процесс взаимодействия пелены жидкого керосина с потоком генераторного газа начинается уже в канале форсунки, и на длине заглубления распыляется около половины расхода горючего. Стабилизация пламени происходит на пелене керосина, и процесс горения активно идет в канале форсунки, где газифицируется ~ 35% керосина. Максимальное значение скорости газа на входе в камеру ~150 м/с. Протяженность обратного тока у огневого днища камеры составляет ~ 8 мм , температура в нем ~ 600 К, а соотношение компонентов К « 0,05. Газификация керосина завершается на длине ~9 мм.
Заглубление h=13,5 мм. Результаты расчетов приведены на рис. 2 (11а, Пб), рис. 3 (Па, Пб), рис. 4 (1а, 1б). При таком заглублении газового канала керосин полностью распыляется и на 95% газифицируется в канале форсунки. Резкое уменьшение плотности газа во фронте горения внутри форсунки приводит к появлению пика на профиле скорости газа и дополнительной турбулизации потока. Степень смешения и выгорания топлива в канале форсунки, а также уровень турбулентности и максимальная скорость газа на входе в камеру выше, чем в предыдущем варианте. Обратный ток у днища камеры удлинился приблизительно до 11 мм, а соотношение компонентов и температура в нем увеличились: Ко.т.~0,2^0,3; То.т.~1000^1200 К. Параметры обратного тока имеют важное значение для теплового состояния днища и боковой стенки камеры на начальном участке.
Заглубление h=17 мм. Результаты расчетов приведены на рис. 2 (Ша, Шб), рис. 3 (Ша, [[[б), рис. 4 ([[а, [[б). При данной величине заглубления керосин полностью газифицируется в канале форсунки. Степень смешения и выгорания топлива, а также скорость на входе в камеру в данном случае максимальны из всех рассмотренных вариантов. Обратный ток у днища камеры имеет длину ~13 мм, а соотношение компонентов и температура в нем: КОТ.=0,28^0,35; ТОТ=1200^1300 К. В данном варианте, по сравнению с другими рассмотренными, полнота сгорания максимальна, а потери характеристической скорости, следовательно, минимальны (см. рис. 5).
Рассмотрим влияние режима стабилизации пламени на параметры рабочего процесса в камере сгорания. Для этого сопоставим результаты расчетов рабочего процесса для форсунки с заглублением газового канала h= 13,5 мм в режиме стабилизации пламени в камере сгорания на обратных токах у огневого днища (рис. 2 (1Уа, 1Уб), рис. 4 (Ша, Шб)) с результатами, полученными для режима стабилизации пламени в канале форсунки (рис. 2 (На, Пб), рис. 4 (1а, 1б)). В случае стабилизации пламени в форсунке на профиле осевой компоненты скорости появляется характерный пик, обусловленный резким падением
плотности и, соответственно, ускорением газового потока во фронте горения. Повышенные градиенты скорости в зоне пика приводят к росту кинетической энергии турбулентности и замедлению роста масштаба турбулентности. Горение внутри форсунки приводит к общему значительному повышению скорости газового потока в канале. Также интенсифицируется процесс газификации горючего. Это в первую очередь связано с двумя процессами. Во-первых, быстрый прогрев капель в потоке с горением приводит к падению коэффициента поверхностного натяжения керосина (вплоть до нуля при достижении критической температуры). Во-вторых, рост скорости газа в канале с горением приводит к увеличению разности скоростей газовой и капельной фаз. Оба этих процесса ведут к интенсивному действию механизма распыла поверхности капель газовым потоком. При этом керосин практически полностью газифицируется внутри форсунки. Если горения в форсунке нет, то механизм распыла поверхности включается в основном после выхода капель в высокотемпературную область камеры сгорания, а внутри форсунки испаряется около 65% горючего. Также в этом случае из-за большей интенсивности турбулентности газа в канале форсунки капли и пары горючего успевают лучше смешаться со струей генераторного газа. Это приводит к уменьшению концентрации горючего и повышению температуры в обратном токе у головки камеры. При стабилизации пламени на обратных токах в камере сгорания резкое уменьшение плотности и падение давления на фронте пламени приводит к замыканию обратного тока на меньшей длине, чем в варианте со стабилизацией в форсунке, и после прохождения зоны интенсивного горения параметры потока имеют в основном более равномерные распределения по сечению. Таким образом, параметры рабочего процесса существенно зависят от режима стабилизации горения.
Рис. 2. Линии тока и поля температуры для различных величин заглубления канала генераторного газа
а) . Изолинии смесевой доли ф=1/(К+1). Интервал 0,02. ---стехиометрическая линия
б) Изотермы, Т*10- ,К
е и н
ем ел м
Ю сп
5 II 8 ^
е
и
н нел м м
б «Ч
Еб ГО
* II
з Л
Н
Шс1в между изотермами 100К.
1ЬУ......¿Ь'(5'
—
е и н
нел б
и
а
Шаг между изотермами 1иик.
V V \ о ,<з -й' ...
Ч. о ^ А Л, ^ ^ . 05 0
......1ЬУ......¿ЬУ
шаг межоу изотермами 1 иигч.
£
гЬ ' ' ' ' г1'
1Уб......1ЬУ......¿Ь'6'
Рис. 3. Изолинии смесевой доли ф=1/(К+1) и изотермы для различных величин заглубления канала генераторного газа
генераторного газа
в Е I Ф Д О
а
Рис. 5. Потери характеристической скорости С* в элементе ядра потока в зависимости от величины заглубления канала генераторного газа для камеры длиной 200мм.
Выводы
Методом численного моделирования, разработанным в ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», исследованы особенности рабочего процесса в модельных камерах сгорания ЖРД с соосными двухкомпонетными струйно-центробежными форсунками, работающих на топливе кислород + углеводороды (керосин).
Показано, что при заглублении канала генераторного газа стабилизация пламени может происходить как на обратных токах у огневого днища камеры, так и в канале форсунки на пелене распыляемого керосина за кромкой перегородки, разделяющей газовую и жидкостную ступени форсунки. Параметры рабочего процесса для этих случаев существенно различаются. При увеличении величины заглубления сопла генераторного газа процессы смешения и выгорания топлива интенсифицируются, растет соотношение компонентов и температура на периферии элемента ядра потока, повышается полнота сгорания.
Библиографический список
1. Теория ракетных двигателей: Учебник для студентов высших технических учебных заведений / В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин; Под ред. В.П. Глушко. - М.: Машиностроение, 1989, 464 с.
2. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник для вузов. Под ред. В.М. Кудрявцева. - М.: «Высшая школа», 1975, 656 с.
3. Kalmykov G.P., Larionov A.A., Sidlerov D.A., Yanchilin L.A. Numerical Simulation of the Working Process in Gas Generator Working on Propellant Components LOX + Gaseous Methane // Publications of the 1st EUCASS conference, Moscow, 2005, http://www.onera.fr/eucass/2005/Proceedings/5.06.04.pdf.
4. Kalmykov G.P., Larionov A.A., Sidlerov D.A., and Yanchilin L.A. Numerical Simulation and Investigation of Working Process Features in High-Duty Combustion Chambers //Journal of Engineering Thermophysics, Vol. 17, No. 3, 2008, pp. 196-217.
5. Pantankar S. Numerical heat transfer and fluid flow. Hemisphere Publishing Corporation, New York, 1980.
6. Gosman A.D., Ioannides E. Aspects of Computer Simulations of Liquid-Fuelled Combustors// AIAA Paper 81-0323, 1981.
7. Kalmykov G.P., Mosolov S.V., Sidlerov D.A., Yanchilin L.A. Numerical simulation and research of the peculiarities of the working process in LRE combustion chambers propelled by oxygen and hydrocarbons // 3rd EUCASS conference, Versailles, 6-9 July, 2009.
8. Дитякин Ю.Ф, Клячко Л.А., Новиков Б.В., Ягодкин Б.И. Распыливание жидкостей. -М.: Машиностроение, 1977.
Сведения об авторах
Мосолов Сергей Владимирович, начальник отделения жидкостных ракетных двигателей ГНЦ ФГУП "Центр Келдыша", к.ф.-м.н., тел.: +7 495 456-64-82, e-mail: kerc@elnet.msk.ru. Сидлеров Дмитрий Анатольевич, начальник отдела ГНЦ ФГУП "Центр Келдыша", д.т.н., тел.: +7 915 470-33-89, e-mail: sidlerov@rambler.ru.
Пономарев Александр Александрович, научный сотрудник ГНЦ ФГУП "Центр Келдыша", к.ф.-м.н., тел.: +7 916 577-82-42, e-mail: ponomar_aa@mail.ru.
Смирнов Юрий Леонидович, ученый секретарь ГНЦ ФГУП "Центр Келдыша", к.воен.н., тел.: +7 903-183-57-43, e-mail: yur772008@yandex.ru.
