Исследвоание пространственных вязких течений в каналах сложной конфигурации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Лаптев, Игорь Вячеславович

• Лаптев, Игорь Вячеславович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Лаптев, Игорь Вячеславович

Введение

1. Постановка задачи

1.1. Конструктивные особенности поворотного управляющего сопла

1.2. Конструктивные особенности донных насадков многосопловых двигательных установок.

1.3. Физические особенности течений в поворотном управляющем сопле и донном насадке многосопловой двигательной установки

1.4. Обзор литературы

1.4.1. Экспериментальные работы по исследованию течений в ПУС.

1.4.2. Экспериментальные работы по исследованию течений применительно к донным насадкам многосопловых установок.

1.4.3. Теоретические и расчетные исследования

1.5. Задачи исследования настоящей работы

2. Метод чнсленного моделировании пространственных вязких течений

2.1. Математическая модель пространственных вязких течений.

2.1.1. Система уравнений движения

2.1.2. Граничные и начальные условия

2.1.3. Модель турбулентности

2.2. Метод численного моделирования

2.2.1. Методика постановки граничных условий на поверхностях произвольной формы

2.2.2. Разностные схемы метода крупных частиц для уравнений типа Навье-Стокса. Способ расчета турбулентных коэффициентов переноса. Условия устойчивости.

2.2.3. Метод крупных частиц для расчетов на многосеточных областях с ячейками различного размера

2.3. Верификация физико-математической модели и расчетного метода

2.4. Комплекс программ для расчета вязких пространственных течений

3. Результаты численного моделирования вязких трехмерных течений в каналах и соплах сложной конфигурации.

3.1. Численное моделирование течений в поворотном управляющем сопле (ПУС).

3.1.1. Истечение газа из ПУС.

3.1.2. Истечение газа из ПУС в область повышенного противодавления.

3.1.3. Методика определения бокового управляющего усилия.

3.2. Численное моделирование течении в многосопловых ДУ с донными насадками.

3.2.1. Особенности моделирования течений в 4-сопловой ДУ с донным насадком.

3.2.2. Параметрические расчеты течений для модельных 4-сопловых

ДУ с насадком.

3.2.3. Чпслепное моделирование течений в двигателе 14Д23 с донным цилиндрическим насадком.

4. Экспериментальные исследования пространственных течений газа и анализ результатов.

4.1. Экспериментальные исследования течений газа применительно к многосопловым ДУ с донными насадками.

4.1.1. Экспериментальные исследования па модели 4-соплового блока с насадком на ДГУ.

4.1.2. Методика определения дополнительного усилия, создаваемого насадком.

4.1.3. Результаты экспериментальных исследований модели насадка на дифференциальной газодинамической установке

4.1.4. Экспериментальные исследования течений в донном насадке в условиях вакуума.

4.1.5. Модель 4-соплового блока с донным насадком для вакуумных испытаний. Тягоизмеритсльное устройство.

4.1.6. Результаты экспериментальных исследований течений в донном насадке в условиях вакуума

4.1.7. Использование сверхмидельных насадков различной конфигурации

4.1.8. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по моделированию течений в донных насадках четырехсопловых установок

4.2. Исследование течений газа в ПУС.

4.2.1. Экспериментальная модель для исследования течений в ПУС на различных режимах.

4.2.2. Результаты экспериментальных исследований при расчетном и нерасчетном (высокое противодавление) режимах.

4.2.3. Анализ и обобщение экспериментальных данных. Сравнение с расчетными результатамими.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследвоание пространственных вязких течений в каналах сложной конфигурации»

В настоящее время в связи с необходимостью решения ряда практических задач большое внимание уделяется исследованию вязких течений, характеризующихся наличием смешанных до- и сверхзвуковых областей, сложных систем скачков уплотнения, отрывных зон и др. Этой проблеме посвящены многочисленные теоретические, расчетные и экспериментальные работы. Разработано большое количество моделей и методов расчета вязких течений в каналах и соплах ракетных двигателей. Созданы различные инженерные методики определения параметров потока в той или иной конструкции. Однако существует ряд задач, которые еще не получили удовлетворительного решения. Одной из важнейших проблем является исследование вязких трехмерных течений в каналах сложной конфигурации. Тем более что в последнее время появляется ряд задач, требующих расчетных и экспериментальных исследований течений именно такого вида. Такими примерами могут служить истечение газа из поворотного управляющего сопла в область повышенного внешнего противодавления. Это трехмерное течение, где существуют как дозвуковые, так и сверхзвуковые области. На нерасчетном режиме истечения газа из сопла образуется сложная система пространственных скачков уплотнения. Так же в этой задаче ярко выражены вязкостные эффекты, связанные с взаимодействием скачков уплотнения с пограничным слоем вдоль стенки сопла с образованием отрывных зон и возвратных течений. Другим примером рассмотренных выше течений может служить течение в донных насадках многосопловых двигательных установок. Здесь взаимодействие сопловых струй между собой усложняется наличием внешней цилиндрической обечайки насадка. Газ, натекая на неё, образует сложную систему скачков уплотнения, вихревых зон, дозвуковых областей у дна насадка и т.д.

Возможность прогнозирования усилий на элементы конструкции является одним из основных вопросов исследования. Кроме того, возникают вопросы о тепловом воздействии потока на материалы стенок исследуемой конструкции. Для решения указанных проблем требуется знать детальное распределение локальных параметров потока и их изменения по времени вдоль соответствующих поверхностей. Экспериментальные исследования таких течений могут предоставить массу полезной информации, но получить информацию по распределению параметров во всех областях течения не представляется возможным. Кроме того, очень часто экспериментальные исследования натурных конструкций в земных условиях затруднены и опыты проводятся на моделях, лишь частично имитирующих реальное течение. Поэтому естественно возникают проблемы с перенесением полученных экспериментальных данных на натуру.

Численное моделирование свободно от вышеуказанных трудностей: расчеты течений можно проводить для полноразмерных моделей, всегда существует возможность узнать значения параметров потока в любой точке расчетной области. Но здесь есть свои трудности, связанные с анализом полученных данных, верификацией используемых моделей.

Поэтому представляется целесообразным численно моделировать трехмерные течения, в каналах сложной конфигурации и одновременно проводить экспериментальные исследования, так как не все аспекты при определении параметров потока могут быть учтены расчетом.

Решению указанных актуальных задач и посвящена диссертационная работа.

Полученные результаты базируются на общей теории газовой динамики, методе крупных частиц и на экспериментальных данных по - моделированию трехмерных течений в областях с сильными разрывами.

В работе получены новые научные результаты:

1. Разработан новый метод реализации граничных условий на поверхностях сложной пространственной конфигурации; 4

2. Предложена модификация модели турбулентной вязкости Болдуина-Ломакса и алгоритм её реализации в трехмерном случае;

3. Получены экспериментальные данные по управляющему усилию в ПУС (в том числе при истечении газа в область повышенного противодавления) и предложена их теоретическая интерпретация;

4. Получены экспериментальные данные по структуре течения, распределению локальных газодинамических параметров и дополнительному усилию, создаваемому донным цилиндрическим насадком. Получена зависимость величины прироста тяги от длины цилиндрической обечайки насадка.

5. Разработан программный комплекс для численного моделирования вязких трехмерных течений в каналах сложной конфигурации.

Результаты численного и экспериментального моделирования течений в ПУС в условиях высокого внешнего противодавления были использованы при проектировании РД на твердом топливе, работающих на подводном участке при внешнем давлении значительно превышающим атмосферное;

Результаты численного и экспериментального моделирования течений в донном насадке четырёхсоплового ЖРД позволили определить, что за счет использования насадка прирост удельного импульса тяги ЖРД 14Д23 может составить 0,5-0,7%, что позволит заметно повысить его тяговые характеристики. Получено оптимальное значение длины цилиндрической части насадка, которое составляет для натурного РД 14Д23 — 0,6 м.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Метод и программа расчета вязких трехмерных течений в областях сложной пространственной конфигурации;

2. Результаты экспериментальных исследований истечения газа из поворотного управляющего сопла в область повышенного внешнего противодавления;

3. Результаты экспериментальных исследований течения газа в донном цилиндрическом насадке четырехсопловой двигательной установки;

4. Результаты расчета основных характеристик течения в поворотном управляющем сопле, их сравнение с экспериментальными данными;

5. Результаты расчетов основных параметров течения в донном цилиндрическом насадке четырехсопловой двигательной установки, их сравнение с полученными модельными экспериментальными данными. Прогноз прироста характеристик натурной ДУ.

Материалы диссертационной работы изложены в 2 статьях, 10 научно технических отчетах, представлены на международных конференциях EUCASS конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ), обсуждались на межотраслевых семинарах в Центре Келдыша, МФТИ в 2004 - 2008 гг и конференциях отрасли, докладывались на конференции молодых специалистов МФТИ.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Лаптев, Игорь Вячеславович

Заключение.

В результате проведенного исследования трехмерных вязких течений с ударными волнами и дозвуковыми областями при функционировании поворотного сопла, а также четырехсопловой двигательной установки с донным цилиндрическим насадком получены следующие основные результаты:

1. Предложена модификация метода крупных частиц для решения системы уравнений газовой динамики с учетом влияния вязкости в областях сложной пространственной конфигурации, включающая в себя методику постановки граничных условий на поверхностях произвольной формы и метод вычисления коэффициента турбулентной вязкости на основе алгебраической двухслойной модели Болдуина-Ломакса. Предложен и тестирован способ расчета касательного напряжения на стенке, не требующий предварительного задания коэффициента трения;

2. Предложен алгоритм реализации метода крупных частиц на стыковочных сетках с ячейками различного размера, который позволяет значительно улучшить точность вычисления параметров течения, не изменяя практически времени расчета, и даёт возможность проводить моделирование течений для расчетных поверхностей максимально приближенных к реальным;

3. На основе разработанных методик создан комплекс программ по решению уравнений трехмерной газовой динамики в областях с криволинейными границами. С использованием созданных программных модулей проведено численное моделирование процессов в поворотном управляющем сопле (в том числе при истечении в область повышенного противодавления), а также в донных насадках многосопловых двигательных установок.

4. Проведены экспериментальные исследования течения в ПУС при истечении газа в область повышенного противодавления с целью определения возникающего бокового усилия. Показано, что при малых значениях степенях нерасчетности ниже 0,4 происходит отрыв потока от стенок сопла, а при степени нерасчетности меньше 0,2 — заметное снижение управляющего усилия, связанное с незавершенностью процесса разворота газа в сверхзвуковой части сопла. Полученные экспериментальные данные согласуются с результатами численного моделирования.

5. Проведены экспериментальные исследования течений в донных насадках четырехсопловой двигательной установки с целью определения структуры течения, распределения локальных газодинамических параметров и дополнительных тяговых усилий, создаваемых донным цилиндрическим насадком. Сравнение полученных расчетных и экспериментальных данных показало удовлетворительное совпадение;

6. Проведено численное моделирование течений в натурной четырехсопловой двигательной установке с донным цилиндрическим насадком, показавшее, что максимальное относительное усилие, создаваемое насадком составляет 0,5-0,7% при оптимальной длине цилиндрической части насадка 0,6 м.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Лаптев, Игорь Вячеславович, 2008 год

1. Алемасов B.E., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. М., Машиностроение, 1980, - 533 с

2. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М., Наука, 1982. - 392с.

3. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.;Наука, 1984. - 520 с.

4. Конструкция ракетных двигателей на твердом топливе/ Под ред. Л.Н. Лаврова- М., Машиностроение, 1993.- 215с.

5. Шишков А.А. Газодинамика пороховых ракетных двигателей. М., 1974.

6. Проектирование зенитных управляемых ракет. Под ред. И.С. Голубева и В.Г. Светлова. -М., МАИ, 1999. 728 с.

7. Полежаев Ю. В., Шишков А. А. Газодинамические испытания тепловой защиты. Москва, 1992.

8. Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива. — М., Машиностроение, 1987. — 328 с.

9. Васенин И.М. и др. Газовая динамика двухфазных течений в соплах. Томск: Изд-во Томск. Ун-та, 1986. 262 с.

10. Васенин И.М., Архипов В.А., Глазунов А.А., Трофимов В.Ф. Исследование полидисперсных течений в соплах с учетом вращения частиц. //Инж.-физ. сборник. Томск: 1985. с. 31—35.

11. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1981. 472 с.

12. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1987. Ч. 1. 464 е.; Ч. II. 360 с.

13. Рычков А. Д. Математическое моделирование газодинамических процессов в каналах и соплах. Новосибирск: Наука, 1988. 222 с.

14. Глазунов А.А., Рычков А.Д. Исследование неравновесных двухфазных течений в осесимметричных соплах Лаваля. — Изв. АН СССР, МЖГ, 1977, № 6.

15. Коваленко Н.Д. Возмущения сверхзвукового потока при массотеплоподводе. Киев, Наукова думка, 1980.

16. Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Газовая динамика сопел. — М., Наука, 1990.-368 с.

17. Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Численные методы газовой динамики. -М.: Высшая школа, 1987 232с.

18. Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Течения газа в соплах. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1978, 288 с.

19. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы (введение в теорию). -М., Наука, 1977.

20. Самарский А.А. Теория разностных схем. — М., Наука, 1977.

21. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М., Мир, 1980.

22. Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики. М.: Наука, 1980.

23. Магомедов К.М. Метод характеристик для численного расчета пространственных течений газа. ЖВМ и МФ, 1966, № 2.

24. Белоцерковский О.М., Головачев Ю.П., Грудницкий В.Г. и др. Численное исследование современных задач газовой динамики /Под ред. О.М.Белоцерковского/ М., Наука, 1974.

25. Рождественский Б.Д., Яненко Н.Н. Системы квазилинейных уравнений и их приложения к газовой динамике. М.: Наука, 1978, 688 с.

26. Годунов К.С., Забродин, А. В., Иванов М.Я., Крайко А.Н., Прокопов Г.А. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М., 1976, -400 с.

27. McCormack, Baldwin. A Numerical Method for Solving the Navier-Stokes Equations with Application to Shock-Boundary Layer Interactions AIAA Paper №75-1, 1975.

28. Дворецкий B.M., Зеленцов B.B. Численное исследование особенностей газодинамики управляющих сопел. Изв. АН СССР, МЖГ, 1974, №6.

29. Дворецкий В.М. Исследование влияния формы сопла на134характеристики пространственного сопла до- и сверхзвуковых течений. Изв. АН СССР, МЖГ, 1976, № 6.

30. Uenishi К. Three-Dimensional Computation of Mixing of Transverse Injector in a ducted Supersonic Airstream AIAA Paper №86-1423.

31. E. Odintsov, A. Sobatchkine, G. Hagemann, C.-A. Schley Nozzle flowfield analysis with particular regard to 3D-plug-cluster configurations. — AIAA 962954- 1996.

32. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М, Наука, 1969. - 711с.

33. Лакшминараяна Б. Модели турбулентности для сложных сдвиговых течений. Аэрокосм, техника, 1987, № 5.

34. Launder В.Е., Spolding D.B. Mathematical models of Turbulence -Academic Press, London, 1972.

35. Бондарев Е.И., Лисичко Н.Д. Распространение недорасширенной турбулентной струи в спутном сверхзвуковом потоке. Изв. АН СССР, МЖГ, 1974, №4.

36. Baldwin B.S.,Lomax Н. Thin-Layer Approximation and Algebraic Model for Separated Turbulent Flows AIAA Paper № 78-257, 1978.

37. Рид P., Праусниц Дж., Шервуд Т.;. Свойства газов и жидкостей, б.м.: Л.: Химия, 1982.

38. Гардинер У., Диксон-Льюис Г., Целнер Р. и др. Химия горения. Москва: Мир, 1998.

39. Wilcox, David. Turbulence modeling for CFD. California: Griffin Printing, 1993.

40. Van Neumann I., Richtmyer R.D. A Method for Numerical Calculation of Hydrodynamic Shocks Journal of Appl. Phys., 1949, 21, p.232-237.

41. С.Л. Вишневецкий, И.А. Голов, В.П. Грязнов, А.П. Зыков и др. Руководство для конструкторов по определению донного давления ракет с работающими двигательными установками — НИИТП, 1976 г.

42. A.M. Губертов, В.В. Миронов, M.JI. Куранов и др., «Маршевая многокамерная двигательная установка с сопловым насадком», Патент RU 2267026С1, 2005 г.

43. Анализ газодинамических и тяговых характеристик четырехкамерного двигателя 14Д23 с выдвижным донным насадком. Отчет/ «Центр Келдыша», исполн. Ю.М. Кочетков, Н.Б. Пономарев, И.А. Голов и др., 2006 г.

44. Борисов Д.М., Горшков В.Е. Метод расчета трехмерных двухфазных течений вблизи затупленных тел или при вдуве поперечных струй. — Математическое моделирование, 1996, том 8, №6 — с. 38-46.

45. Д.М. Борисов, А.С. Васютичев, И.В. Лаптев, A.M. Руденко. Численное моделирование трехмерных смешанных течений с ударными волнами. Математическое моделирование, 2007, т. 19, н. 11, стр. 112-120.