Акустические характеристики камер сгорания с антипульсационными перегородками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Чо Гю Сик

• Чо Гю Сик
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Чо Гю Сик

Условные обозначения основных величин

Введение

В .1. Актуальность темы диссертации

В.2. Основные свойства антипульсационных перегородок

В.3. Результаты экспериментального определения демпфирующих свойств антипульсационных перегородок (обзор)

В.4. Теоретический анализ акустических характеристик камеры сгорания с антипульсационными перегородками (обзор)

В.5. Цель и задачи исследования

Глава 1. Физико-математическая модель расчётного определения акустических характеристик газового тракта

1.1. Система уравнений газового потока в бесконечно малых возмущениях

1.2. Преобразование системы уравнений для случая течения газа в осе-симметрическом канале переменного сечения

1.3. Выводы по главе 1

Глава 2. Исследование механизма распространения возмущений и отражения акустической волны в газовом тракте

2.1. Определение параметров, характеризующих распространение возмущений в цилиндрической части камеры

2.2. Определение параметров, характеризующих распространение возмущений в дозвуковой части сопла

2.3. Исследование механизма отражения акустической волны от дозвуковой части сопла

2.3.1. Алгоритм определения коэффициента отражения К2

2.3.2. Определение стационарных параметров по оси х в дозвуковой части сопла

2.3.3. Коэффициент отражения к2 при продольных колебаниях —

2.3.4. Коэффициент отражения кг при поперечных колебаниях —

2.4. Выводы по главе 2

Глава 3. Определение собственных частот и добротности резонансного максимума при наличии антипульсационных перегородок

3.1. Собственные частоты акустических колебаний в цилиндрической камере сгорания без демпфирующих устройств

3.1.1. Определение граничного условия в сечении форсуночной головки

3.1.2. Алгоритм определения собственных частот в цилиндрической камере сгорания без демпфирующих устройств

3.1.3. Результаты численного определения собственных частот при разных модах колебаний

3.2. Собственные частоты акустических колебаний в цилиндрической камере сгорания с антипульсационными перегородками

3.2.1. Определение граничного условия в торцевом сечении перегородок

3.2.2. Алгоритм определения собственных частот акустических колебаний в цилиндрической камере сгорания с антипульсационными перегородками

3.2.3. Результаты расчёта собственных частот для первой тангенциальной моды колебаний

3.2.4. Сопоставление результатов расчётов с экспериментальными данными работы [4]

3.3. Выводы по главе 3

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Акустические характеристики камер сгорания с антипульсационными перегородками»

В.1. Актуальность темы диссертации

Обеспечение устойчивости рабочего процесса в газовых трактах с подводом тепловой энергии при реализации процесса горения является одной из основных научно-технических проблем при создании двигательных установок. Например, в камере сгорания или газогенераторе ЖРД при создании или эксплуатации наблюдаются неустойчивости горения, которые нарушают нормальное функционирование двигателя и в ряде случаев приводят к его разрушению[1, 21].

Различают несколько типов неустойчивости горения. Если проводить классификацию неустойчивого горения по частоте колебаний давления, то можно определить, что существуют низкочастотная, промежуточная и высокочастотная неустойчивости горения. Среди них высокочастотная (ВЧ) неустойчивость является наиболее разрушительной[1]. ВЧ неустойчивость горения приводит к прогару камер сгорания, нежелательным пульсациям тяги двигателя, резонансному разрушению конструкции и т.д., способствующим возникновению аварии. [1,2,4,21].

Высокочастотную неустойчивость горения часто называют акустической неустойчивостью, потому что частота и фаза высокочастотных колебаний давления, наблюдаемых в камерах сгорания, близки к соответствующим расчётным характеристикам акустических резонансных колебаний. В цилиндрической камере сгорания наблюдаются продольные (осевые) и поперечные (радиальные и тангенциальные) моды ВЧ колебаний[1, 3,4,5].

Известно, что ВЧ неустойчивость горения возникает в результате взаимодействия между процессом горения и динамическим процессом течения в камере сгорания. При таком динамическом взаимодействии в процессе горения возможно периодическое выделение энергии, способное поддерживать существующие колебания давления в камере сгорания и усиливать их. Колебания давления затухают лишь в случае, когда демпфирующие процессы достаточно активны для быстрого поглощения периодически выделяющейся энергии. Следовательно, неустойчивость горения можно устранить либо за счёт ослабления факторов, способствующих выделению колебательной энергии, либо путём усиления демпфирующих процессов[1].

По первому методу устойчивое горение в ЖРД достигается подбором оптимальной конструкции форсуночной головки и её основных параметров, т.е. диаметра отверстий для впрыска топлива, перепада давления на форсунках и т.д. При этом доводка двигателя по устойчивости осуществляется путём опробования разных форсуночных головок на огневых испытаниях двигателя и выбором одной, наиболее экономичной и приемлемой с точки зрения устойчивости. Таким образом, такой метод является дорогостоящим, медленным и трудоемким[1,23,24].

В этой ситуации наиболее целесообразным направлением решения проблемы неустойчивости считается использование различных демпфирующих устройств таких, как антипульсационные перегородки, акустические поглотители (например, резонатора Гельмгольца, четвертьволнового резонатора), акустические щели и т.д. (см. рис. В.1).

При правильно выбранных размерах подобных устройств, не меняя существенные характеристики горения, можно эффективно демпфировать возникающие возмущения и таким образом можно подавлять ВЧ неустойчивость. Другое достоинство этого метода заключается в том, что эффективность действия демпфирующих устройств может быть проверена на простых и дешёвых модельных установках [1, 4]. При этом значительно сокращаются финансовые затраты, необходимые для обеспечения устойчивого рабочего процесса при экспериментальной отработке ЖРД. а) б)

Рис. В.1. Различные демпфирующие устройства, (а) антипульсаци-онные перегородки (радиальные), (б) резонатор Гельмгольца, (в) акустическая щель (радиальная)

Акустические поглотители имеют большое значение для подавления колебаний, поскольку они эффективно действуют и на поперечные, и на продольные моды колебаний. Известно, что акустические поглотители рассеивают энергию за счёт образования струй при течении газа через их входное отверстие[1]. Гидродинамические принципы действия акустических поглотителей хорошо изучены. На основе этого достаточно хорошо установлены теоретические методы оптимизации их конфигурации [3, 5, 13].

По стабилизации поперечных мод колебаний наиболее существенные результаты получаются с помощью антипульсационных перегородок[1, 3]. Однако воздействие перегородок на рабочий процесс в камере сгорания теоретически недостаточно изучено, поэтому оценка их эффективности до сих пор опирается в основном на эксперименты [4]. Поэтому исследование демпфирующего механизма антипульсационных перегородок является актуальной научной задачей позволяющей создать теоретические методы оценки эффективности и оптимизации их конфигурации.

Разработка методов теоретического определения акустической эффективности антипульсационных перегородок установленных в ракетных двигателях типа ЖРД позволит решать вопросы устойчивого их функционирования с применением математического моделирования.

В.2. Основные свойства антипульсационных перегородок

Антипульсационные перегородки, устанавливаемые у форсуночной головки камер сгорания двигателей, предназначаются в основном для подавления поперечных мод колебаний. Поперечные моды колебаний характеризуются тангенциальным или радиальным движением газа вдоль огневого днища. В цилиндрической камере давление и скорость при тангенциальных колебаниях изменяются в радиальном и угловом направлениях, а при радиальных колебаниях - только в радиальном направлении. Характеристики тангенциальных, радиальных и комбинированных мод колебаний схематически показаны на рис. В.2. р'

V'

1Т

2Т

1Р

1Т-1Р

Рис. В.2. Характеристики поперечных мод колебаний: 1Т - первая тангенциальная; 2Т - вторая тангенциальная; 1Р - первая радиальная; 1Т-1Р -первая радиально-тангенциальная (комбинированная).

Рис. В.З Типичное расположение перегородок: а - 3-лопастные радиальные; b - 5-лопастные радиальные; с - 6-лопастные радиальные; d - радиальные с кольцом

Когда у форсуночной головки установлены антипульсационные перегородки, тогда движение частиц рабочего тела вблизи неё ограничивается перегородками. Создавая такие ограничения можно уменьшить тендена)

Ь) с) цию к возбуждению вращающихся тангенциальных мод. Наибольшую важность для конструирования эффективно работающих перегородок имеет расположение рёбер и колец относительно траекторий возмущённого движения частиц рабочего тела, поскольку перегородки должны препятствовать такому движению частиц. Перегородки кольцевого типа используются для подавления радиальных мод колебаний. Типичные формы перегородок показаны на рис. В.З.

В соответствии с существующими представлениями антипульсаци-онные перегородки, установленные на форсуночной головке, оказывают 3 вида воздействия на поперечные моды колебаний,

1) изменяя акустические характеристики камеры сгорания;

2) предохраняя предпламенную зону камеры от воздействия поперечных пульсаций скорости;

3) увеличивая диссипативные процессы за счёт вихреобразования и эффектов отрыва, а также трения на лопастях перегородок.

Исследовать отдельно каждое их этих воздействий не представляется возможным. Вместе с тем ясно, что степень их влияния на устойчивость не одинакова[4].

Для некоторых типов форсуночных головок, а именно для тех, которые очень чувствительны к изменениям скорости или к перемещениям газа, защитное действие перегородок на зону горения оказывается преобладающим. Два стабилизирующих механизма (1 и 3) имеют чисто акустическую природу[4]. Однако влияние генерации вихрей и отрыва потока, связанных с наличием перегородок в камерах сгорания, в настоящее время исследовано недостаточного]. Поэтому оценок роли этого механизма в настоящее время не существует.

В.З. Результаты экспериментального определения демпфирующих свойств антипульсационных перегородок (обзор)

Из-за того, что нет чёткого понимания механизма стабилизирующего воздействия антипульсационных перегородок, затрудняется выбор необходимых конструктивных параметров перегородок. При этом проверка их эффективности в каждом конкретном случае может быть осуществлена экспериментально. Под эффективностью перегородок понимается отношение значения добротности резонансного максимума в камере с антипуль-сационными перегородками к соответствующему значению без перегородок. Максимальной эффективности соответствует минимальная величина того отношения. Вопрос осложняется ещё и тем, что известны случаи, когда постановка антипульсационных перегородок вместо ожидаемого повышения запаса устойчивости приводила к его снижению. Кроме того, результаты исследований работы [5] показывают, что по мере увеличения длины перегородок устойчивость не всегда повышается, а есть такой диапазон длины перегородок, в котором устойчивость снижается.

В работе [5] был исследована акустическая характеристика камеры сгорания при продольной или поперечной моде колебаний с разными видами форсуночных головок без перегородок или с перегородками. Принципиальная схема акустической установки, использованной в работе [5], показана на рис. В.4.

Исследование проводилось в пределах первой тангенциальной моды колебаний с разными длинами перегородок для того, чтобы установить влияние длины перегородок на амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) камеры сгорания. На рис. В.5 показано, как меняется относительная добротность резонансного максимума АЧХ камеры сгорания по мере увеличения длины перегородок.

Рис. В.4. Принципиальная схема акустической установки для определения акустической частотной характеристики камеры сгорания при первой тангенциальной моде колебаний: 1 - объект исследования; 2 - 3-ти лопастные антипульсационные перегородки; 3 - многодырчатая решётка со сверхкритическим перепадом давлений; 4 - источник гармонических возмущений в движущемся потоке (пульсатор); 5 - датчик пульсаций давления за решёткой; 6 - датчик пульсаций давления перед решёткой

Рис. В.5. Зависимость относительной добротности резонансного максимума АЧХ камеры сгорания от относительной длины перегородок [5].

Относительная добротность представлена в виде отношения величин полученных с перегородками без перегородок. Добротность резонансного максимума колебательной системы на рис. В.5 представляет собой выражение:

В.1) где а - резонансная частота колебаний (мнимая часть характерного числа ( = X + ico Я - коэффициент усиления при резонансной частоте колебаний (реальная часть характерного числа £).

Из рассмотрения рис. В.5 виден немонотонный характер влияния длины перегородок на их эффективность: по мере увеличения длины перегородок их эффективность увеличивалась до определенной длины, а затем, при дальнейшем увеличении длины, происходило заметное снижение эффективности перегородок.

При увеличении длины перегородок меняется не только демпфирующая способность, но и резонансная частота (мнимая часть собственной частоты). Согласно экспериментальным данным в работе [5] резонансная частота, т.е. частота первой тангенциальной моды колебаний, уменьшается по мере увеличения длины перегородок. Результат эксперимента приведен на рис. В.6. Здесь резонансная частота, соответствующая заданной длине перегородок, тоже отнесена к тому значению, которое получено без перегородок.

Основной вывод, который можно сделать из приведенных экспериментальных данных, заключается в том, что зависимость параметра эффективности относительной длины перегородки является немонотонной. В линейной теории устойчивости собственные частоты колебаний обычно получаются в виде комплексного числа, реальная часть которого является коэффициентом усиления, мнимая часть которого является резонансной частотой. 1 L fin

0.9

0.8

0.7

0 0.1 0.2 i jD 0.3 0.4 0.5

Рис. B.6. Зависимость относительной частоты резонансного максимума АЧХ камеры сгорания от относительной длины перегородок [5].

Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследований показано, что

1) демпфирующее свойство антипульсационных перегородок по отношению к колебаниям первой тангенциальной моды немонотонно зависит от их относительной длины, и

2) по мере увеличения длины антипульсационных перегородок резонансная частота камеры сгорания монотонно уменьшается.

Результаты экспериментальных исследований, описанных в работе [25], также подтверждают возможность немонотонного влияния длины перегородок на устойчивость рабочего процесса. Следует отметить, что данные по немонотонному характеру зависимости стабилизирующего влияния относительной длины перегородок приведены также в работе Меркулова И.

В. [4], которые были получены по результатам огневых испытаний камеры сгорания.

В.4. Теоретический анализ акустических характеристик камеры сгорания с антипульсационными перегородками (обзор)

Элементарная теория определения акустического поля в камере сгорания с антипульсационными перегородками изложена в работах [1, 5, 6, 15]. Согласно этим работам поле в полости между перегородками считается плоским, а поле в объеме, не занятом перегородками, соответствует той моде колебаний, которая подавляется. Подобные решения для двух областей течения сшиваются в сечении на торце перегородок путём приравнивания проводимостей для продольных и тангенциальных мод колебаний. Подобная методика позволяет качественно объяснить характер влияния-длины перегородок на резонансную частоту камеры сгорания. Что же касается влияния длины перегородок на величину резонансного максимума частотной характеристики, то, как показывают расчёты, двухмодовой аппроксимации для описания акустического поля в камере сгорания с перегородками явно недостаточно^].

В работе [15] был проведен теоретический анализ частотной характеристики камеры сгорания с перегородками. Рассмотрена цилиндрическая камера сгорания, которая имеет достаточно большое количество перегородок на форсуночной головке (см. рис. В.7). Принято допущение, что в полостях между перегородками могут существовать только продольные колебания, а в остальной части камеры возможны трёхмерные колебания. При этом для анализа частотной характеристики волновое уравнение интегрировано отдельно в обеих зонах камеры. Далее полученные решения сшиваются на границе двух зон, где х = 1П, с условием равенства проводимости.

На рис. В.8 сопоставлен результат расчёта по теории Лундэна [15] с экспериментальными данными по изменению резонансной частоты первой тангенциальной моды колебаний по мере увеличения длины перегородок. Результат расчёта удовлетворительно совпадает с экспериментальным результатом, который показывает основную тенденцию монотонного снижения резонансной частоты по мере увеличения длины перегородок.

Однако в теории Лундэна не включен механизм потери колебательной энергии перегородками. Поэтому коэффициент усиления Я при увеличении длины перегородок не меняется. Это значит, что добротность резонансного максимума не меняется при увеличении длины перегородок, т.е. по его теории невозможно объяснить тенденцию, представленную на рис. В.5. Для того чтобы имитировать представленный на рис. В.5 результат эксперимента необходимо учитывать механизм потери колебательной энергии.

Рис. В.7. Схема камеры сгорания в теории Лундэна: 1-огневое днище головки; 2-зона перегородок; 3-зона полного цилиндра; 4-дозвуковая часть сопла.

0.7

0.8

0.9

J /ii. О

0.6 о

0.1

0.2 ljDt 0.3

0.4

Рис. В.8. Сопоставление результата расчёта резонансных частот по теории Лундэна с экспериментальными данными для первой тангенциальной моды колебаний по мере увеличения длины перегородок.

Механизм потери колебательной энергии при наличии перегородок рассмотрен в работе [14]. В работе [14] принят следующий механизм потери колебательной энергии. При распространении в цилиндрическом канале звуковой волны происходит явление рассеяния звука на ребре за счёт поперечного обтекания ребра. Рассеянная волна состоит из более высоких мод колебаний, чем исходная волна. А так как для более высоких мод колебаний частота исходной волны является частотой докритической, рассеянная волна быстро затухает. Поскольку энергия в рассеянной волне берется из энергии исходной волны, исходная волна должна ослабляться.

На основе принятого механизма рассеивания получена математическая формула для определения частотной характеристики цилиндрического канала с продольными ребрами (см. рис. В.9) для первой тангенциальной моды колебаний. Особенностью этой работы является то, что при интегрировании волнового уравнения в цилиндрическом канале, имеющем нерегулярную стенку из-за продольных металлических ребер на периферии стенки камеры, использован метод функции Грина, а в ходе интегрирования принято допущение потенциального обтекания ребра высотой h несжимаемым потоком, которое справедливо только в случае h/R «1 (см. рис. В. 10). С допущением потенциального обтекания ребра пренебрегается потеря колебательной энергии за счёт вихреобразования.

Проведен расчёт для определения зависимости величины резонансного максимума частотной характеристики от высоты ребер, и результат расчёта сопоставлен с экспериментом. Результаты расчёта и эксперимента удовлетворительно совпадают друг с другом (см. рис. В.11) и показывают, что при увеличении высоты ребер, т.е. при увеличении параметра X~(h/R)2, величина первого резонансного максимума частотной характеристики монотонно снижается. г'ь

Рис. В.9. Цилиндрический канал с продольными ребрами >

Рис. В. 10. Потенциальное обтекание ребра высотой h

4.0

14 эксперимент расчёт

3.0

2.0

1.0

0.0

0.0

0.2

0.4

0.6 X 0.8

Рис. В.11. Зависимость величины резонансного максимума частотной характеристики от высоты рёбер

Можно применять указанную выше методику анализа частотной характеристики к камере сгорания с радиальными перегородками, установленными на форсуночной головке, если длина перегородок значительно меньше радиуса камеры сгорания. При этом, судя по принятому механизму потери колебательной энергии, ожидается монотонное снижение резонансного максимума с увеличением длины перегородок, которое не соответствует экспериментальному факту, указанному на рис. В.5.

Однако на практике длина перегородок достаточно большая по сравнению с радиусом камеры сгорания. Например, исследованная камера в работе [5] имеет перегородки длиной /п в диапазоне 0 </п/Л < 0.8, при этом становится не справедливым допущение о потенциальном обтекании ребра и не целесообразно пренебрегать срывом вихрей с кромок ребер. Вспомним что, одним из главных механизмов стабилизирующего воздействия антипульсационных перегородок является диссипация колебательной энергии за счёт вихреобразования[1]. Поэтому при наличии перегородок с достаточно большой длиной необходимо учитывать вихреобразова-ние. Но процесс генерации вихрей в камерах сгорания, связанных с воздействием перегородок на поперечную моду колебаний, в настоящее время исследован недостаточно^].

В.5. Цель и задачи исследования

Известно, что вихреобразование при воздействии перегородок на поперечную моду колебаний является одним из главных механизмов демпфирования поперечных мод колебаний. Но в настоящее время не существует чётко сформулированных физико-математических моделей такого вихреобразования. Кроме того, влияние генерации вихрей и отрыв потока, связанных с наличием перегородок в камере сгорания, теоретически исследовано недостаточно [1,20].

Как показано в разделе 3 введения, добротность резонансного максимума частотной характеристики немонотонно снижается по мере увеличения длины перегородок. Однако теоретическое объяснение этому результату не достаточно освещено в научно-технической литературе.

Автор настоящей работы считает, что последнее явление связанно с воздействием вихревого возмущения на акустическое возмущение. То есть зарождающееся вихревое возмущение в зоне перегородок распространяется по потоку в сопло и в дозвуковой части сопла вихревое возмущение воздействует на акустическое возмущение.

В работе [7] теоретически указано возможность взаимосвязи между акустическим и энтропийным возмущениями. Но в работе [7] не включена взаимосвязь между акустическим и вихревым возмущениями. Более общее физико-математическое формулирование взаимосвязи между акустическим, вихревым и энтропийным возмущениями приведено в работах [11, 19]. Однако в работе [19] вместо вихревого возмущения использовано поперечное составляющее скорости, поэтому не чётко сформулирована связь между акустическим и вихревым возмущениями. В работе [11] понятие вихревого возмущения математически сформулировано и установлена система уравнений, которая связывает вихревое возмущение с акустическим возмущением. Однако в работе [11] задача не замкнута на вихреобразова-ние в области форсуночной головки и полостей антипульсационных перегородок.

С учетом сказанного основной целью данного исследования является установление механизма демпфирования акустических колебаний за счёт вихреобразования при наличии антипульсационных перегородок и теоретическое объяснение немонотонной зависимости демпфирующей эффективности антипульсационных перегородок от длины перегородок. Задачи исследования:

1) Разработка физико-математической модели расчётного определения акустических характеристик газового тракта;

2) Теоретический анализ взаимодействия вихревого и акустического возмущений в дозвуковой части сопла;

3) Установление механизма зарождения вихревого возмущения при наличии перегородок;

4) Разработка метода определения собственных частот и декремента затухания колебаний в камере сгорания при наличии антипульсационных перегородок и сравнение результатов расчёта с результатами экспериментов по литературным источникам.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Чо Гю Сик

Общие выводы по работе

1. В результате теоретического исследования на основе установленного механизма взаимодействия вихревых и энтропийных возмущений с акустическими разработан метод определения акустических характеристик камеры сгорания ЖРД с установленными в ней антипульсационными перегородками.

2. Получена система уравнений в бесконечно малых возмущениях и сформулирована физико-математическая модель расчётного определения акустических характеристик газового тракта. Возмущения разделены на три вида: акустические, вихревые и энтропийные, при этом система уравнений сведена к трём уравнения для каждого возмущения. Эта модель применима для расчётного определения акустических характеристик любого газового тракта переменного сечения.

3. Проведен теоретический анализ взаимодействия вихревого, энтропийного и акустического возмущений и предложен общий вид решения системы уравнений в дозвуковой части сопла. При этом доказано, что не только энтропийное, но и вихревое возмущение может влиять на коэффициент отражения акустической волны Кг от дозвуковой части сопла. Энтропийные возмущения влияют на продольные и поперечные колебания, а вихревые возмущения влияют только на поперечные колебания.

4. Рассмотрены коэффициенты отражения акустической волны К2 от дозвуковой части сопла при наличии энтропийных и вихревых возмущений. Рассчитанные в работе значения коэффициента отражения показывают, что при продольных колебаниях достаточно большое количество колебательной энергии уходит через сопло, а при поперечных колебаниях количество уходящей через сопло колебательной энергии очень мало по сравнению с продольными колебаниями. Приходящие в сопло энтропийные и вихревые волны могут оказать дестабилизирующие эффекты в зависимости от их относительной амплитуды и фазы.

5. Установлен механизм зарождения вихревого возмущения при наличии антипульсационных перегородок. Предложено граничное условие, состоящее в том, что в сечении форсуночной головки отсутствуют поперечные составляющие скоростей. При таком условии показана возможность зарождения вихревого возмущения у сечения форсуночной головки за счёт поперечных мод акустических колебаний.

6. Вычислены собственные частоты акустических колебаний в камере сгорания для разных мод колебаний в отсутствие антипульсационных устройств. В случае первой тангенциальной моды поперечных колебаний расчётный результат определения собственной частоты удовлетворительно совпадает с экспериментом.

7. Рассмотрен акустический механизм воздействия антипульсационных перегородок на подавление первой тангенциальной моды поперечных колебаний, который состоит в связанном характере взаимодействия двух мод колебаний: плоской волны в полостях между перегородками и первой тангенциальной моды в камере сгорания.

8. Дано теоретическое объяснение известного экспериментального факта, что длина антипульсационных перегородок влияет на их эффективность не монотонно. Возникшее в торцевом сечении перегородок, вихревое возмущение воздействует на акустическую волну в дозвуковой части сопла, а изменение, по мере увеличения длины перегородок, фазового сдвига между вихревой и акустической волнами в дозвуковой части сопла вызывает немонотонное снижение добротности резонансного максимума.

Заключение

1. Научная новизна

- Решена задача взаимодействия вихревых и энтропийных возмущений с акустическими в канале переменного сечения с антипульсационными перегородками.

- Разработана методика расчётного определения акустических характеристик газового тракта переменного сечения в линейном приближении.

- Впервые проанализировано влияние вихревых и энтропийных волн на коэффициент отражения акустических волн от дозвуковой части сопла Лаваля со сверхкритическим перепадом давления.

- Разработана физико-математическая модель явления генерации вихревых возмущений акустическими волнами на форсуночной головке и торце антипульсационных перегородок.

- Дано теоретическое объяснение известного экспериментального факта о немонотонном снижении добротности резонансного максимума камеры сгорания по мере увеличения длины перегородок за счет воздействия вихревой волны на акустическую волну в дозвуковой части сопла.

2. Возможность практического применения результатов работы

- Разработанные физико-математическое модели и система уравнений позволяют проводить расчётное определение акустических характеристик камер сгорания с соплом Лаваля и антипульсационными перегородками, что имеет важное значение в практике ЖРД строения.

- С помощью предложенной физико-математической модели и системы уравнений можно проанализировать эффект воздействия вихревой и энтропийной волны на акустическую волну в дозвуковой части сопла.

- С помощью предложенной физико-математической модели и системы уравнений можно имитировать процесс зарождения вихревого возмущения у форсуночной головки и в торцевом сечении антипульсационных перегородок.

- С помощью предложенной физико-математической модели и системы уравнений можно определять резонансные частоты и коэффициенты усиления возмущений в камерах сгорания и газогенераторах ЖРД и любых других каналах переменного сечения.

- Предложенная физико-математическая модель и система уравнений позволяют выбирать оптимальные размеры антипульсационных перегородок и в частности их длины.

- Предложенную физико-математическую модель и систему уравнений можно использовать и для анализа акустических характеристик камер сгорания с другими видами демпфирующих устройств, например, акустических щелей, поглотителей и резонаторов.

3. Основные положения, представляемые к защите

1. Физико-математическая модель и система уравнений для расчётного определения акустических характеристик для любых мод колебаний в осе-симметрическом газовом тракте переменного сечения.

2. Теоретическое обоснование воздействия вихревой и энтропийной волны на акустическую волну в дозвуковой части сопла Лаваля.

3. Методика определения коэффициента отражения акустической волны от дозвуковой части сопла при наличии вихревой и энтропийной волны.

4. Расчетная модель вихреобразования в сечении форсуночной головки и в торцевом сечении антипульсационных перегородок за счет, которого происходит процесс затухания акустических колебаний.

5. Методика определения собственных частот акустических колебаний в камере сгорания для различных мода колебаний в отсутствии антипульсационных устройств и при наличии антипульсационных перегородок.

6. Теоретическое объяснение немонотонного характера снижения добротности резонансного максимума воздействием вихревой волны на акустическую волну в дозвуковой части сопла при изменении фазового сдвига между вихревой и акустической волнами по мере увеличения длины перегородок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Чо Гю Сик, 2007 год

1. Harrie D. Т., Reardon F. H., Liquid Propellant Rocket combustion instability, National Aeronautics and Space administration, Washington, 1972.

2. Yang V., Anderson W. E. et all, Liquid rocket engine combustion instability, Volume 168, Progress in Astronautics and Aeronautics, AIAA, Washington DC, 1972.

3. Натанзон M. С., Неустойчивость горения, Машиностроение, Москва, 1986.

4. Лебединский Е. В., Лозино-Лозинская И. Г., Меркулов И. В., Писаревич Ю. И., Акустические средства борьбы с неустойчивостью горения. М., 2005

5. Лебединский Е. В. Акустика газовых трактов жидкостных ракетных двигателей -М., ФГУП "Центр Келдыша", 2004.

6. Ильченко М. А., Крютченко В. В. Мнацаканян Ю. С. и др. Устойчивость рабочего процесса в двигателях летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1995.

7. Раушенбах Б. В., Вибрационное горение, Государственное изд., Москва 1961.

8. Блохинцев Д. И., Акустика неоднородной движущейся среды, Изд. «Наука», Москва 1981.

9. Hildebrand F. В. "Advanced calculus for applications 2nd edition", Prentice-Hall Inc., 1976. p.26

10. Черный Г. Г., Газовая динамика, Изд. «Наука», Москва 1988.

11. Лебединский Е. В., Натанзон М. С., Ярлыкова Н. И. Акустические, энтропийные и вихревые возмущения в канале переменного сечения. Изв. АН СССР, МЖГ, 1982, с.91 с.98.

12. Лебединский E. В., Натанзон M. С., Никифоров М. В., Экспериментальный метод определения динамических свойств газовых потоков, Акустический журнал, 1982, т. XXVIII, вып. 2, с. 660-664.

13. Lebedinsky Е. V., Research on acoustic mechanism of anti-pulse baffles effect. Sino - Russia - Ukrainian Workshop on space propulsion Xiau, China, Sep. 17-19,2002

14. Lunden К. C., An analytical investigation of the effects of baffles in a liquid propellant rocket combustion chamber, Masters Thesis, Sacramento State College, Sept. 1969.

15. Cho G. S., Lebedinsky E. V., Acoustic, entropy and vortex waves in a cylindrical tube with variable section area, volume 8, No. 4, Journal of the Koreansociety of propulsion engineers, 2004.

16. Лебединский E. В., Молчанов Д. А., Влияние нелинейных эффектов на динамические свойства дозвукового потока газа в канале переменного сечения, Том 37 Журнал «Энергетика и транспорт», Москва 1991.

17. Crocco L., Cheng S. I., Theory of combustion instability in liquid propel-lant rocket motors, AGARDograph No.8, Butterworths Sci. Pub., London, 1956.

18. Crocco L. and Sirignano W. A., Behavior of supercritical nozzle under three dimensional oscillatory conditions, AGARDograph No. 117,1967

19. Crocco L., Research on combustion instability in liquid propellant rockets, Twelfth symposium (International) on combustion, The Combustion Institute, 1965.

20. Osherov A., Natan В., Combustion instability in a small liquid rocket motor, The Aeronautical Journal, May 1999.

21. Ко Y. S., Lee К. J. et all, Acoustic tests on atmospheric condition in a liquid rocket engine chamber, volume 6, No. 2, Journal of the Korean society of propulsion engineers, 2002.

22. Lee К. J., Ко Y. S., et all, Cold acoustic test of combustion chamber with Hub and Blade Baffles, volume 6, No. 4, Journal of the Korean society of propulsion engineers, 2002.

23. Хернер, Отработка устойчивости горения в ЖРД на топливах длительного хранения, Вопросы ракетной техники, № 5, 1966.

24. Артамонов К.И., Термогидроакустическая устойчивость, М: Машиностроение, 1982.