Численное моделирование переходных внутрикамерных процессов при выходе на режим работы РДТТ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат физико-математических наук Егоров, Сергей Михайлович

• Егоров, Сергей Михайлович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Егоров, Сергей Михайлович

Перечень основных обозначений, сокращений и символов.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ.

1.1. Преимущества численного подхода при решении прикладных задач.

1.2. Обзор методов численного моделирования.

1.3. Проблематика рассматриваемых задач современного ^ ракетного твердотопливного двигателестроения.

Глава 2. КОМПЛЕКСНАЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

ВНУ ТРИКАМЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ.

2.1. Срабатывание воспламенительного устройства.

2.1.1. Физическая модель.

2.1.2. Математическая модель.

2.1.3. Метод решения.

2.2. Зажигание и горение заряда твёрдого топлива.

2.2.1. Физическая модель.

2.2.2. Математическая модель.

2.2.3. Метод численного интегрирования.

2.3. Газовая динамика в камере сгорания ракетного двигателя.

2.3.1. Физическая модель.

2.3.2. Математическая модель.

2.3.3. Метод Давыдова (метод крупных частиц) для расчёта многофазного газодинамического течения.

2.4. Движение заглушки соплового блока.

2.4.1. Физическая модель.

2.4.2. Математическая модель.

2.4.3. Метод численного интегрирования.

Глава 3. КОМПЛЕКС ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ SATURNCM.

3.1. Программный модуль TITAN.

3.2. Программный модуль ASTER.

3.3. Программный модуль SATURN (main-модуль).

3.4. Программный модуль GRAPH.

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

4.1. Компоновочная схема РДТТ по варианту 1.

4.2. Компоновочная схема РДТТ по варианту 2.

4.3. Компоновочная схема РДТТ по варианту 3.

4.4. Анализ результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование переходных внутрикамерных процессов при выходе на режим работы РДТТ»

Практика модернизации современных и разработки перспективных РДТТ выдвинула для исследования ряд новых сложных проблем, напрямую связанных с нестационарностью и глубокой нелинейностью, наблюдаемых при его срабатывании, физических явлений, процессов или состояний. Во многих случаях эти проблемы становятся непреодолимым или существенным препятствием к дальнейшему совершенствованию энергомассовых, прочностных, эксплуатационных и других характеристик рассматриваемых типов двигателей. Сюда, в частности, можно отнести разрушение заряда смесевого модифицированного ТТ при динамических нагрузках и предельных отрицательных температурах срабатывания РДТТ.

Использование натурных стендовых испытаний ракетных двигателей или масштабного лабораторного физического эксперимента на модельных установках для исследования такого рода' проблем затруднено по причине значительной сложности и высокой стоимости их проведения, мало эффективно ввиду недостаточной информативности и занимает много времени. Поэтому в последнее время всё большее внимание исследователей уделяется численному моделированию нестационарных переходных процессов и течений.

Для этого разработаны и успешно используются при решении фундаментальных и прикладных задач разнообразные по своим возможностям и потребностям численные подходы и методы. В настоящее время при стремительных темпах развития вычислительной техники (от персонального компьютера до супер-ЭВМ) и её широкого внедрения в исследовательский и производственный процесс целесообразно использовать такие численные методики (несмотря на их относительную сложность), реализация которых граничит с проведением вычислительного эксперимента. Численные методы этого класса позволяют с высокой степенью точности и надёжности описывать реальные в общем случае нестационарные и глубоко нелинейные процессы.

В диссертационной работе при помощи методов численного моделирования (в первую, очередь при помощи метода Давыдова (метода крупных частиц) - мощного современного метода вычислительного эксперимента) в рамках комплексного подхода исследуются переходные внутрикамерные процессы, протекающие при выходе на расчётный режим работы РДТТ:

• срабатывание ВУ;

• прогрев, воспламенение и последующее горение заряда ТТ;

• течение продуктов сгорания в камере сгорания, сопле и за сопловым* блоком ракетного двигателя;

• разгерметизация камеры сгорания и движение заглушки соплового блока.

Каждая из подзадач рассматривается во взаимосвязи и разрешается одновременно на одном шаге по времени.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов по работе, списка цитированной литературы и приложения. Объём-диссертации составляет 162 страницы (компьютерный набор в среде Microsoft Office 2003) и содержит: 35 рисунков (в том числе растровые цветные изображения), список цитированной литературы из 218 наименований.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Егоров, Сергей Михайлович

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

На основании- проведённых теоретических исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Проанализированы возможности численного подхода (моделирования) при решении прикладных задач современного ракетного твёрдотопливного двигателестроения. Установлено, что с помощью вычислительного эксперимента можно успешно решать значимые на сегодня нестационарные и глубоко нелинейные задачи. Проведён обзор и анализ наиболее распространённых методов численного интегрирования систем дифференциальных уравнений в частных производных. Проанализирована проблематика рассматриваемых задач современного ракетного твёрдотопливного двигателестроения. Сформулирована постановка задачи численного исследования.

2. Разработана комплексная физико-математическая модель переходных внутрикамерных процессов, протекающих при выходе на. расчётный режим работы РДТТ, включающая в себя:

• физико-математическую модель процесса срабатывания ВУ в. жестком несгораемом перфорированном корпусе с вкладным формованным зарядом воспламенительного состава; модель учитывает важную особенность срабатывания ВУ - догорание продуктов сгорания за корпусом ВУ;

• физико-математическую модель зажигания и горения заряда смесевого модифицированного ТТ (квазигомогенная модель горения); модель сформулирована на базе уравнений теплопроводности и химической кинетики в одномерной нестационарной и турбулентной постановке с учётом особенностей горения заряда ТТ в камере сгорания ракетного двигателя; исходная система дифференциальных уравнений интегрируется численно сеточным конечно-разностным методом;

• физико - математическую модель полного (трёхмерного и нестационарного) трёхфазного гомогенно-гетерогенного течения в камере сгорания, сопловом блоке и за сопловым блоком РДТТ; модель разработана под сложную конфигурацию камеры сгорания и учитывает движение заглушки соплового блока; математическая модель сформулирована на базе уравнений сохранения массы, импульса и полной удельной энергии (уравнения Эйлера); исходная система дифференциальных уравнений интегрируется численно методом Давыдова (методом крупных частиц).

• физико-математическую модель разгерметизации, камеры сгорания и последующего неравномерно ускоренного движения заглушки соплового блока РДТТ; модель сформулирована на базе дифференциального уравнения движения, которое интегрируется численно сеточным конечно-разностным методом.

3. Разработан комплекс прикладных программ SATURNCM для расчёта на ЭВМ рассматриваемой задачи. Комплекс имеет модульную-структуру и позволяет одновременно (на одном шаге интегрирования« по времени) проводить расчёт срабатывания ВУ, зажигания и горения заряда TT, газодинамического течения в камере сгорания двигателя, сопловом блоке и за сопловым блоком, с учётом движения заглушки соплового блока. В комплексе прикладных программ предусмотрена графическая визуализация расчётной информации. Базовые элементы комплекса написаны на алгоритмическом языке программирования С/С++ в среде программирования KDevelop для PC ЭВМ с операционной системой LINUX. При его составлении использовались приёмы и методы многопоточного и структурного программирования.

4. С помощью разработанного комплекса прикладных программ проведена серия численных расчётов переходных внутрикамерных процессов, протекающих при выходе на режим работы РДТТ. Полученные результаты хорошо согласуются с опытными данными по стендовой отработке РДТТ. Проанализировано несколько компоновочных схем РДТТ. По результатам моделирования установлена причина образования интенсивного ударно-волнового процесса в рассматриваемом ракетном двигателе, а так же предложен способ ее нейтрализации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Егоров, Сергей Михайлович, 2010 год

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика // Изд-е. 4-е. - М.: Наука, 1976. - 888 с.

2. Августинович В.Г., Иноземцев A.A., Шмотин Ю.Н. и др. Нестационарные явления в турбомашинах (численное моделирование и эксперимент) // Под ред. В.Г. Августиновича. Екатеринбург - Пермь: ИМСС УрО РАН - ПГТУ, 1999. - 280 с.

3. Аверсон А.Э., Барзыкин В.В., Мержанов А.Г. К тепловой теории зажигания конденсированных веществ // Доклады академии наук СССР, 1966, т. 169, № 1, с. 158-161.

4. Акжолов М.Ж. Выполнение в методе крупных частиц Давыдова группового свойства инвариантности по отношению к операции переноса // В кн.: П Международный симпозиум "Актуальные проблемы механики сплошных и сыпучих сред". М.: НАПН, 1999, с. 15.

5. Александров В.Г., Осипов A.A. Математическое моделирование звука, индуцируемого при дозвуковом обтекании взаимно движущихся решёток // Известия РАН. Механика жидкости и газа, 2008, № 1, с. 172-185.

6. Александров В.Г., Осипов A.A. Численное моделирование нестационарного аэродинамического взаимодействия двух плоских решёток профилей // Журнал вычислительной математики и математической физики, 2006, Т. 46, № 6, с. 11141127.

7. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1980. - 533 с.

8. Алиев A.B. Современные проблемы внутренней баллистики РДТТ. Ижевск: Изд-во Института прикладной механики УрО РАН, 1996.

9. Алиев A.B. Современные проблемы внутренней баллистики РДТТ. Ижевск: ИПМ УрО РАН, 1996.

10. Амарантов Г.Н., Егоров М.Ю., Егоров С.М.', Егоров Д.М., Некрасов В.И. Численное моделирование внутрикамерных процессов при выходе на режим работы ракетного двигателя твёрдого топлива / Вычислительная механика сплошных сред, 2010, Т. 3, №3, с. 5-17.

11. Андерсон В., Таннехиллб Дж., Плеттер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен // В 2-х томах. М.: Мир, 1990. - 728 с.

12. Ассовский И.Г., Закиров З.Г., Лейпунский О.И. О влиянии условий зажигания на горение топлива// Физика горения и взрыва, 1983, т. 19, № 1, с. 41-46.

13. Бабенко К.И., Воскресенский Г.П. Численный метод расчёта пространственного обтекания тел сверхзвуковым потоком газа // ЖВМ и МФ, 1961, т. 1, № 6, с. 10511060.

14. Бабенко К.И., Воскресенский Г.П., Любимов А.Н., Русанов В.В. Пространственное обтекание гладких тел идеальным газом. М.: Наука, 1964. - 505 с.

15. Белов Г.В., Ерохин Б.Т., Киреев В.П. Конверсия и качество энергетических систем. -М.:МРП, 1994.-298 с.

16. Белов И.А., Кудрявцев H.A. Теплоотдача и сопротивление пакетов труб. Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 224 с.

17. Бетехтин С.А., Виницкий А.М., Горохов М.С. и др. Газодинамические основы внутренней баллистики. М.: Оборонгиз, 1957. - 219 с.

18. Бульбович Р.В., Евграшин Ю.Б. Оптимальное регулирование площади критического сечения сопла по скорости горения топлива // Известия PAP АН. Издание PAP АН. М.-2006. Вып.2 (47), с. 37-41.

19. Вилюнов В.Н., Ворожцов А.Б., Фещенко Ю.В. Эволюция полидисперсного ансамбля частиц металла в полузамкнутом канале // Физика горения и взрыва, 1992, т. 28, № 6, с. 32-37.

20. Вилюнов B.C. Теория зажигания конденсированных веществ. Новосибирск: Наука, 1984.

21. Винницкий A.M. Ракетные двигатели на твёрдом топливе. М.: Машиностроение, 1973.-348 с.

22. Внутренняя баллистика РДТТ: Справочная библиотека разработчика-исследователя. / Под ред. A.M. Липанова, Ю.М. Милёхина. М.: Машиностоение, 2007. - 504 с.

23. Годунов С.К. Разностный метод численного расчёта разрывных решений уравнений гидродинамики//Математический сборник, 1959, вып. 47(89), с. 271-306.

24. Годунов С.К. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1971. - 416 с.

25. Годунов С.К., Забродин A.B., Иванов М.Я. и др. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976. - 400 с.

26. Годунов С.К., Прокопов Г.П. Об использовании подвижных сеток в газодинамических расчётах // ЖВМ и МФ, 1972, т. 12, № 2, с. 429-440.

27. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы. М.: Наука, 1973. - 400 с. / Изд. 2-е, • доп., 1977. -440 с.

28. Гольдштик М.А. Парадоксы вязких течений. Новосибирск: Институт теплофизики СО АН СССР, 1986. / Препринт № 143-86. - 38 с.

29. Горохов М.С., Липанов A.M., Русяк И.Г. Основы современной теории внутренней баллистики орудий. М.: ЦНИИНТИ и ТЭИ, 1988.

30. Громадка Т., Лей Ч. Комплексный метод граничных элементов в инженерных задачах. М.: Мир, 1990. - 303 с.

31. Давыдов Ю. М. Метод "крупных частиц" для задач газовой динамики. Диссертация на соиск. уч. ст. кандидата физ,- мат. наук. - М.: МФТИ, 1970. - 183 с.

32. Давыдов Ю.М. Архитектурная матрица аппроксимационной вязкости / Доклады академии наук СССР, 1984, т. 278, № 4, с. 789-792.

33. Давыдов Ю.М. Дифференциальные приближения и представления разностных схем. М.: МФТИ, 1981,- 131с.39