Недетерминированное моделирование теплофизических процессов в камерах сгорания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Дронов, Павел Александрович

• Дронов, Павел Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дронов, Павел Александрович

1.1. Современное состояние проблемы, вызванной разбросами характеристик агрегатов входящих в состав камеры ЖРД.

1.2. Обоснование внутренней стохастичности в конечно-элементной модели.:.

1.3. Применение методов робастного проектирования с использованием вероятностных алгоритмов для решения и оптимизации технических задач.

1.4. Выводы, цель работы и задачи исследований.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВ АНИЯГИДРАВ ЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СМЕСИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ' И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

2.1. Описание стенда и методика проведения эксперимента.

2.2. Автономные гидравлические испытания форсунок.

2.3. Результаты гидравлических испытаний смесительной головки.

2.3Л. Проливка смесительной головки по линии "Г".

2.3.2. Проливка смесительной головки по линии "О".

2.4. Статистическая обработка экспериментальных данных.

2.5.Выво д.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ ПО ФОРСУНКАМ-СМЕСИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ.

3.1. Анализ гидравлических испытаний, проведенных в ОАО КБХА [106]

3.2. Математическая модель гидродинамических процессов распределения компонента топлива по форсункам смесительной головки.

3.3. Расчет распределения расходов по форсункам при условии равномерного подвода по периферии головки.

3.4. Влияние предфорсуночного коллектора на распределение по форсункам.

3.5. Влияние неперпендикулярности исполнения штуцера подвода.

3.6. Влияние случайных отклонений коэффициентов расхода форсунок

3.7. Комплексное влияние различных факторов.

3.8. Выводы.

ГЛАВА 4. СТОХАСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРЕ ЖРД.

4.1 Определение потерь удельного импульса тяги вследствие стохастичности распределения компонентов по форсункам смесительной головки камеры.

4.1.1 Термодинамический расчет с учетом случайного разброса коэффициента избытка окислителя в камере ЖРД.

4.2 Внутренняя стохастичность расчетной модели при моделировании смесительных элементов методом конечных элементов.

4.3 Математическое моделирование процессов горения кислородно-метанового топлива при соосно-струйной подаче в камеру сгорания ЖРД.

4.4 Стохастический расчет распределения расхода компонента по каналам тракта охлаждения камеры ЖРД.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Недетерминированное моделирование теплофизических процессов в камерах сгорания»

Актуальность темы. Проектирование систем смесеобразования и охлаждения камер сгорания двигательных установок и энергетических систем является ответственной задачей, при выполнении которой важную роль имеет оптимизация гидравлических характеристик смесительных элементов для обеспечения расчетного распределения соотношения компонентов и расходонапряженности. в поперечном сечении камеры сгорания. Смесительная головка и тракт охлаждения*одной из самых теплонапряженных энергетических установок - жидкостного ракетного двигателя представляют собой набор большого количества однотипных элементов — форсунок и охлаждающих каналов1. Коэффициенты- расхода и гидравлического сопротивления таких элементов вследствие неизбежных технологических погрешностей их изготовления^ имеют случайные отклонения от номинальных значений. Допустимый диапазон отклонений, который отмечается, в проектнойг документации, может составлять от десятых до нескольких процентов. В ряде случаев выявленные проблемы при экспериментальной доводке камеры двигателя приводят к необходимости- снижения допустимого разброса гидравлических характеристик форсунок за счет усложнения* технологии их изготовления, повышения количества отбракованных форсунок, т.е. существенного удорожания и больших сроков выполнения проекта. Неравномерность распределения компонента по форсункам первого периферийного ряда смесительной головки* кислородно-водородного ЖРД, вызванная гидравлической разверкой предфорсуночного раздающего коллектора, достигает 11 %. Для подвода охладителя- к рубашке камеры вследствие подобной конструкции подводящего коллектора на участке тракта охлаждения, примыкающем к коллектору, неравномерность распределения расходов по каналам составляет несколько десятков процентов. Имеются результаты экспериментальных исследовании для ряда двигателей, когда неравномерность распределения расхода компонента топлива через периферийные форсунки может достигать 30 % и более.

Случайные флуктуации гидравлических характеристик форсунок и каналов тракта охлаждения приводят к изменению характера распределения по ним компонентов топлива. Существующие в настоящее время расчетные алгоритмы* и инженерные методики определения гидравлической неравномерности основаны на детерминированных математических моделях, т.е. в предположении, что все однотипные форсунки имеют абсолютно идентичные гидравлические характеристики. Вследствие того, что ряд входных параметров при проектных расчетах являются, по сути, случайными величинами, то математическое моделирование и расчет необходимо вести в стохастической постановке. Это позволит не только более точно определить математические ожидания расчетных критериев, но и* вычислять вероятность достижения того или иного результата. В контексте рассматриваемой в. диссертационной работе предметной области исследований это приведет к повышению надежности и энергетического совершенства камеры при обоснованном назначении допусков на гидравлические характеристики применяемых смесительных элементов.

Актуальность применения^ рассматриваемых методов, в технике подтверждается созданием научного сообщества под названием Non-Deterministic Simulation for CFD based methodologies (NODESIM-CFD), проведением ряда конференций под эгидой AIAA и других организаций. Также показательно, что в состав этого сообщества входят такие гиганты машиностроения, как ОАО «НПО Сатурн», «Airbus», «MAN», «DLR» и другие. Робастное проектирование позволяет снизить чувствительность функциональности изделия к разбросу случайных величин. При этом достигается:

- уменьшение зависимости от случайных параметров;

- увеличение допусков при производстве компонент;

- повышение надежности конструкции;

- учет разброса входных параметров.

Решение выше указанной задачи осуществлялось автором в рамках НИР ВГТУ № ГБ 2007.26 (Гос. регистр. 01.2.007 07564).

Основной целью диссертационной работы является исследование влияния случайных вариаций граничных условий на характеристики теплофизических процессов в камерах сгорания энергетических установок.

Исходя из поставленной цели работы и на основе анализа состояния вопроса были определены следующие задачи аналитического и расчетно-теоретического исследования: создание методики недетерминированного моделирования теплофизических процессов в камере сгорания одной из самых теплонапряженных энергетических установок — жидкостного ракетного двигателя; экспериментальные исследования процессов распределения компонентов топлива по форсункам систем смесеобразования камер сгорания; расчетно-теоретическое обоснование вероятностного характера параметров неравномерности распределения топлива по форсункам смесительной головки, определяющего значительную неоднородность распределения параметров тепломассопереноса в огневом' пространстве камеры, как следствие, неравномерность тепловых потоков в стенку камеры, для разработки методических основ тепловой защиты и внутреннего и наружного охлаждения в условиях случайных вариаций расходов через форсунки;

- расчет горения и определение характеристик диссоциированной газовой смеси продуктов сгорания с учетом стохастической гидравлической неравномерности распределения топлива по форсункам смесительной головки; реализация методики расчета потерь полноты сгорания с использованием недетерминированного термодинамического расчета с учетом стохастического характера распределения топлива по форсункам смесительной головки, уточнение моделей гидравлической неравномерности коллекторов камеры и распределения расходов по каналам регенеративной системы охлаждения.

Методы исследований основаны на теории математического моделирования, теории вероятностей, теории искусственных нейронных сетей, численных методах в динамике жидкостей, теории горения в камере ЖРД, гидродинамике и теплопереносе ньютоновских жидкостей.

Научная новизна работы.

1. Разработана методика расчета теплофизических параметров функционирования систем смесеобразования и охлаждения, учитывающая стохастические вариации гидравлических характеристик форсунок и каналов тракта охлаждения.

2. Предложены принципы создания стохастических математических моделей процессов распределения компонентов по форсункам систем смесеобразования как основных подготовительных процессов, определяющих характеристики многокомпонентных смесей химически реагирующих продуктов сгорания. Разработана стохастическая математическая модель распределения компонента по каналам регенеративной системы охлаждения для уточнения параметров теплового состояния конструкции:

3. Получена стохастическая математическая модель процесса горения при соосно-струйной подаче кислородно-метанового топлива в камере ЖРД, проведен расчет горения в камере1 сгорания ЖРД в<стохастической постановке с использованием метода Монте-Карло.

4. Разработана методика определения потерь полноты сгорания с использованием недетерминированного термодинамического расчета.

Достоверность результатов подтверждается применением в расчетных исследованиях фундаментальных законов гидродинамики и теплообмена, обобщением большого массива экспериментальных данных. Стохастические методы расчета применяются для решения задач тепломассообмена с использованием фундаментальных законов явлений переноса. Адекватность математических моделей оценивалась сопоставлением с экспериментом по общепринятым методикам идентификации расчетных результатов.

Практическая значимость работы.

1. Прогнозирование уровня гидравлической неравномерности распределения компонента по каналам рубашки охлаждения необходимо для назначения; необходимых расходов охладителя.

2. Прогнозирование уровня гидравлической неравномерности; распределения компонента по форсункам смесительной» головки необходимо для определения тепловых потоков в стенку с учетом: неравномерности распределения соотношения компонентов и расходонапряженности, определяемых работой смесительной головки.

3. Моделирование процесса горения- необходимо для? оптимизации гидравлических характеристик форсунок для повышения-полноты сгорания:

4. Разработанные алгоритмы стохастического' моделирования позволяют: повысить: качество смесеобразования: и надежность, наружного и внутреннего1 охлаждения камеры ЖРД.

Апробация работы; Основные результаты диссертационного исследования', докладывались, и обсуждались на следующих научных конференциях:. Российской конференции «Компьютерные- технологии автоматизированного проектирования систем машиностроения и аэрокосмической! техники» (Воронеж, 2007);,. Российской конференции, посвященной 105-летию со дня: рождения основателя: КЬХА С.А. Косберга (Воронеж, 2008), 49 научно-технической5 конференции профессорско-преподовательского состава, сотрудников, аспирантов, студентов^ ФГБОУ В ПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2009), 50 юбилейной научно-технической конференции профессорскопреподовательского состава, сотрудников, аспирантов; студентов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2010), Российской научно-технической конференции «Ракетно-космическая.техника и технология 2010» (Воронеж, 2010), 51 научно-технической конференции профессорско-преподовательского состава, сотрудников, аспирантов, студентов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2011), научной конференции «Талантливая молодежь Воронежской области» (Воронеж, 2011).

Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы:

- в ОАО «КБ химавтоматики» при разработке методики расчета раздающих коллекторов и расходной неравномерности, методов расчета гидравлических характеристик смесительных головок ЖРД;

- в ФГУП «Турбонасос» при прогнозировании энергетических характеристик турбонасосных и насосных агрегатов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений и списка литературы, включающего 117 наименований. Основная часть работы изложена на 130 страницах, содержит 68 рисунков и 17 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Дронов, Павел Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. На основе проведенного анализа проблемы гидравлической неравномерности распределения компонентов топлива в коллекторных системах охлаждения и смесеобразования энергетических установок обоснована перспективность применения методов недетерминированного моделирования теплофизических процессов в камерах сгорания теплонапряженных энергетических установок. Разработана методика недетерминированного моделирования, учитывающая стохастичность гидравлических характеристик форсунок и каналов регенеративной системы охлаждения, которая приводит к отклонению от расчетных значений величин расходов через ядерные и периферийные форсунки камеры сгорания и через охлаждающие каналы рубашки охлаждения. Использование данной методики направлено на предотвращение снижения надежности внутреннего и наружного охлаждения стенок камеры, тепловой разверки, пролизов или прогаров, снижения несущей способности конструкции.

2. Проведен статистический анализ процессов распределения компонента топлива по смесительным элементам форсуночной головки камеры сгорания (газогенератора) на основе лабораторных экспериментальных исследований и обработки промышленного эксперимента. В результате обосновано использование равномерного закона распределения входных параметров моделирования в стохастической постановке.

3. Уточнена методика оценки уровня гидравлической неравномерности распределения компонентов по форсункам, позволяющая количественно оценивать степень влияния допустимых диапазонов отклонений коэффициентов расхода форсунок на величины расходов через форсунки в составе смесительной головки. Созданы стохастические алгоритмы для моделирования процессов гидравлической неравномерности распределения расходов по форсункам смесительной головки. Проанализированы основные факторы влияния на параметры неравномерности. Показано, что при допуске на расход через форсунку 5%, неравномерность распределения расходов через, форсунки (в том числе периферийные) многофорсуночной смесительной головки может достигать 30%, что является критическим фактором организации надежной тепловой защиты конструкции.

4. Проведен расчет горения кислородно-метанового топлива в детерминированной постановке. Показано, что при проектировании форсунок необходимо подбирать геометрические размеры каналов окислителя негорючего таким образом, чтобы параметр ри = 1, что согласуется с известными теоретическими<и экспериментальными результатами.

5. Уточнены характеристики теплофизических процессов в» камере сгорания ЖРД, а именно: расчеты горения в стохастической постановке методом Монте-Карло с учетом случайного изменения расходов через форсунки в диапазоне ±10% показали, что оптимальное (минимальное) значение математического ожидания параметра Ь получается при ри = 0.94; показано, что при числе форсунок в составе смесительной головки порядка 200 точность определения потерь полноты сгорания из-за неравномерности распределения соотношения компонентов и расходонапряженности в поперечном сечении камеры сгорания составляет ~ 0.06 %, что» позволяет использовать для определения потерь расчетные данные без привлечения результатов огневых испытаний; проведение стохастического расчета» распределения охладителя по каналам тракта охлаждения заменяет экспериментальные исследования; проводимые с целью назначения необходимых режимов наружного охлаждения для надежной тепловой защиты.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дронов, Павел Александрович, 2011 год

1. Коротеев A.C. Компьютерные модели жидкостных ракетных двигателей / A.C. Коротеев // М.: Машиностроение. 2009. 376 с

2. Васильев А.П. Основы расчета и теории жидкостных ракетных двигателей / А.П. Васильев, В.М. Кудрявцев // М.: Высшая школа, 1983.- 703 с.

3. Мединг К. Создание расчётных методов для определения параметров камеры сгорания и смесительных элементов двигателей с дожиганием: автореф. / К. Мединг // К.: Типография изд. Казанского гос. технич. Университета, 2006. 21с.

4. ГОСТ 17655-72 Двигатели жидкостные ракетные М: Изд-во стандартов, 1972. 48 с.

5. Воробей В.В. Технология и производство жидкостных ракетных двигателей / В.В. Воробей, В.Е. Логинов // М.: МАИ, 2001.- 496 с.

6. Гардымов Г.П. Технология ракетостроения / Г.П. Гардымов, Б.А.Парфенов, A.B. Пчелинцев // Спб.: Специальная литература, 1997.- 320 с.

7. Васильев А.Ю. Диагностика качества смесеобразования в факеле распыленного форсунками топлива оптическими методами/ А.Ю. Васильев, A.A. Свириденков, В.И. Ягодкин // Вестник СГАУ. 2007. №2 (13). С.48-53.

8. Волков Е.Б. Жидкостные ракетные двигатели/ Е.Б. Волков, Л.Г. Головков, Т.А. Сырцин // М.: Воениздат, 1970.- 592 с.

9. Сточек Н.П. Гидравлика жидкостных ракетных двигателей/ Н.П. Сточек, A.C. Шапиро // М.: Машиностроение, 1978.- 128 с.

10. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей/ Ю.М. Пчелкин // М.: Машиностроение, 1984, 280 с.

11. Аджян А.П. Влияние характеристик однокомпонентных форсунок на процессы горения и охлаждения газогенератора/ А.П. Аджян, Д.П., Журавлев // Труды НПО Энергомаш. 2004. №20. 398с.

12. Бородин В.А. Распыливание жидкостей/ В.А. Бородин, Ю.Ф. Дитякин//М.: Машиностроение, 1967.- 263 с.

13. Хавкин: Ю;И. Центробежные форсунки / Ю:И. Хавкин // Л.: Машиностроение, 1976. 168 с.

14. Абрашкин B.IO. Поля температур и гидравлические потери в камерах сгорания малоразмерных газотурбинных: двигателей- / В.Ю: Абрашкин, П.Е. Юдин // Вестник СГАУ. 2007. №2 (13). С. 9-14.

15. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И-Е. Идельчик// Mf: Машиностроение:Л992. 672 с::

16. ANSYS^Explicit Dynamics. Introductionito: Explicit Dynamics. Chapter l.ANSYS. Inc. 2009, Vol. 38.

17. ANS YS CFX. Introduction to CFX. Turbulence. Chapter 9. ANS YS. Inc, 2009, Vol. . .

18. ANSYS FLUENT Introductory FLUENT Training Turbulence Modeling; Chapter 6 ANS YS Jnc; 2009,Vol. 56;

19. Ваулин С. Д. Экспериментальное исследование процессов" в низкотемпературном твердотопливном газогенераторе с составом на основе азида натрия / С.Д. Ваулин, Я.Н. Малышева // Вестник ЮУрГУ. №14. 2005. С.100-105.

20. Егоров И.Н. Оптимизация исследования ступени осевого компрессора / И.Н. Егоров, Г.В. Кретинин, К.С. Федечкин // Полет. 2007. №12. С 27-34.

21. Попов А.Н. Расчетные исследования по влиянию разделителя потока на характеристики вентилятора / А.Н. Попов, К.С. Федечкин // Научный Вестник МГТУ ГА. 2008. №134. С. 96-104.

22. Егоров И.Н. Оптимизационные исследования, вентилятора ТРДД с большой- степенью двухконтурности / И.Н. Егоров, Г.В: Кретинин, К.С. Федечкин // Научный-вестник МГТУ ГА-. 2008. №134. С. 96-104.

23. Beknev V.S. Multicriteria design optimization of the multistage axial flow compressor / Y.S. Beknev, I.N. Egorov, V.S. Talyzina // Proceeding of the ASME GOGEN-TURB0-V Budapest, Hungary, 1991.

24. Duchaine F. Computational-Fluid-Dynamics-Based Kriging Optimization Tool for Aeronautical Combustion Chambers / F. Duchaine; T. Morel; L. Y. М7/ AIAA JOURNAL.- Vol. 47.'- No. 3.- March. 2009- P. 631-645.

25. Сайт http://www.laduga.ru/optimization/robustoptimization.shtml.

26. Egorov I.N., Robust Design Optimization Strategy of IOSO Technology / I.N. Egorov, G.V. Kretinin; I.A. Leshchenko //WCCM V Fifth-World Congress on Computational Mechanics July 7-12, 2002, Vienna, Austria.

27. Egorov I.N. How to Execute Robust Design / I.N. Egorov, G.V. Kretinin, I.A. Leshchenko // AIAA Paper No. 2002-5670, 9th

28. Metal Agglomeration in Solid Propellants Combustion/ S.A. Rashkovsky: Part 2. Numerical Experiments. Combustion Science and Technology-1998. V.139. P.149-169.

29. Rashkovsky S.A. Monte Carlo Simulation of Aluminum Agglomeration in Composite Solid Propellants Combustion/ S.A. Rashkovsky // In: Proceedings of Twenty-Fourth International Pyrotechnics Seminar, Monterey, California, 1998. P.-833-846.

30. Rashkovsky S.A. Monte Carlo simulation of aluminum.agglomeration in* composite solidtpropellants- combustion / S.A. Rashkovsky // In: Proceedings of the 29th International* Annual Conference of ICT, Carlsrue, 1998. P.94-95.

31. Ghanem R. Hybrid'Representations of Coupled Nonparametric and' Parametric Models for Dynamic Systems / R. Ghanem, S. Das // AIAA JOURNAL V. 47. №. 4. April 2009.

32. Loeven A. Efficient uncertainty quantification using a two-step approach with chaos collocation-/ A. Loeven, J1. Witteveen, H. Bij 17/ European Conference on Computational:Fluid Dynamics ECCOMAS.CFD, 2006 cTU Delft, The Netherlands

33. Лазаревым.А. Совершенствование технологии селективной Новые решения и технологии в газотурбостроении / М:А.Лазарев; А.А. Лазарев // Тез. докл. М.: ЦИАМ, 2010. 344 с.

34. Иванов Б.Г. Оценка влияния» допусков на' размеры и технологии сборки исполнительных механизмов' на разбег их выходных параметров в серийном производстве / Б.Г. Иванов; А.В: Ковтунов, О.П: Мулюкин // Вестник СамГАПС. 2006. № 5 (9). С.8-12.

35. Yuan L. Mathematical Model of Quality Variation in Multidisciplinary Robust Design Proceedings of ICCPR2007 / L. Yuan, Q. Han, J.A. Deng // International Conference on Comprehensive Product Realization 2007, June 18-20, 2007, Beijing, China. P.7.

36. Wang H. Robust Design using stochastic response surface and sensitivities / H. Wang, N.H. Kim // 11th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis & Optimization Conference 6-8 Sep. 2006/Portsmouth, VA AIAA, 2006. 7015.

37. Осипов Б.М. Применение передаточных моделей при оптимизации ГТД и его узлов / Б.М. Осипов, А.В.Титов, А.П. Тунаков // Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева. 2003. № 2. С. 10-12.

38. Тунаков А.П. Методы оптимизации при доводке и проектировании газотурбинных двигателей / А.П. Тунаков // М.: Машиностроение. 1979. 184 с.

39. Морозов С.А. Передаточные модели / С.А.Морозов, Б.М.Осипов, А.В.Титов, А.П. Тунаков // Вестник Казан, гос. техн. ун-та им. А.Н. Туполева.-1999. №3. С. 15-20.

40. Бахвалов Н.С. Численные методы / Н.С. Бахвалов, Н.П.Жидков, Н.П., Г.М.Кобельков // М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2003. 636 с.

41. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений- / А.Н. Зайдель // Л.: Наука, 1968. 96с.

42. Коваленко И.Н. Теория вероятностей и математическая статистика / И.Н. Коваленко, А.А Филиппова // М.: Высшая школа, 1988. 370 с.

43. Ляпин B.C. Статистика: теория и практика в Excel / B.C. Ляпин, ИГ. Зверева Н.Г. Никифорова // М.: Финансы и статистика, 2010. 448 с.

44. Рачук B.C. Моделирование и оптимизация рабочих процессов в ЖРД на базе искусственных нейронных сетей и структурно-параметрических методов нелинейного программирования / B.C. Рачук, А.В. Кретинин, А.В.