Процессы горения струй водорода в гиперзвуковом ракетно-прямоточном двигателе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, доктор технических наук Кузнецов, Павел Павлович

• Кузнецов, Павел Павлович
• доктор технических наук
• 1997

Оглавление диссертации доктор технических наук Кузнецов, Павел Павлович

е8д9ни9 .стр.ь.

Часть 1. Гиперзвуковые ракетно-прямоточные двигатели .,.15.

Глава 1. Гиперзвуковые ракетно-прямоточные двигатели, состояние работ и основные проблемы. 15.

1.1. Принципкальные схемы ГРПД и ГАРПД.15.

1.2. Состояние работ по ЯРД.26.

1.3. Характеристики ГРПД.35.

Глава 2. Процессы горения струй водорода в ГРПД .43.

2.1. Состояние вопроса о смешении струй.43.

С^ ь } Г*1 т». т г .ч тт т» г « Лт г ТТ тт т тТ* л тт »т» ,С . !.'Ди1'1иХ±5с1 туриуЛепхНиА и Тру 11. . , 2 2 Т/Г ЗР.тЛ.ПИИ Г\^ ^Т];Т-ТГТ1 Т.ТСГ -Т!¡пг-\г\т,тт,т ппг.оит.то Р,"

Из истории развития теории горения .81.

Состояние теории горения струй водорода в ГРПД .88.

Глава 3. Движение сплошной среды с обменом механической энергией. 75.

Глава 4. Математическая модель вихревого соударения веществ ,течение вне ядра вихря,Введение. 85.

4.1. Форма вихревого течения при соударении веществ.85.

4.2. Кинематика течения вне ядра вихря. 8Ь.

Л М Т/Гттт .-*. »ч п «ч тгт тт1 у тт~ гтт »т т .«ч т ят в № я т пгп тт» » т »1? V". . т». .—п Т о. пах е 1' у сиш пЫе Д и И с±м 1-1 ч с и r-.ii е веи\.ипы вилреБиГи соударения веществ для области вне ядра вихря. 87.

4.4. Интегральные динамические законы сохранения для жидкой частицы вне ядра вихря. 90.

4.5. Уравнения динамического равновесия жидкои частицы.91.

4.8. Интегральные динамические законы сохранения для жидкой частицы вне ядра вихря. 91.

4.7. Уравнения динамического равновесия жидкой частицыЭб.

Глава 5. Математическая модель вихревого соударения веществ внутри ядра вихря. .97.

5.1. Кинематика течения внутри ядра вихря. 97.

5.2. Динамика течения внутри ядра вихря.100.

5.3. Уравнения динамического равновесия жидкой частицы внутри ядра вихря.103.

Глава b. оке пер км е н т аль н о е подтверждение модели вихревого соударения веществ.Крупномасштабные вихри на начальном участке струи.104.

6.1. Ламинарный пограничный слой на границе струи и окружающей среды.1и4.

6.2. Форма и размеры вихрен.1и8.

6.3. Размеры пограничного слоя струи.111.

6.4. Влияние угла 8 на структуру и параметры вихревого течения.114.

6.5. Оценка достоверности полученных результатов. 116.

6.6. Фотографии вихрей.119.

Глава 7. Крупномасштабные вихри в факелах горения струи гирюч.пл tcicjub. . io'j.

7.1. Экспериментальное исследование горения высокотемпературных струй водорода в воздухе.130.

7.2. Крупномасштабные вихри на начальном участке факела горения ламинарной струи нагретого водорода.147.

7.3. Крупномасштабные вихри на начальном участке факела горения турбулентной струи нагретого водорода.161.

Глава 8. Горение водородных струй и проблема создания водородного РИД и ГАРПД. 171.

8.1. Взрывобезопасность факела горения выхлопной струи реактора ИВГ-1. .171.

8.2. Основные особенности факелов горения крупногабаритных струй водорода, выхлопная струя ГАРПД.177.

8.3- Пп рганизация процессов горения в камере водородного ГРПД и ГАРПД.183.

Часть 2. Процессы вихревого соударения в технике. 198.

Глава 9. Обеспечение безопасности накопителей тепла на фазовых переходах при производстве и эксплуатации!98. 9,1. Введение (Место накопителей тепла в энергетике и энергосбережении).198.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процессы горения струй водорода в гиперзвуковом ракетно-прямоточном двигателе»

Реактивные двигатели в процессе своего развития, связанного с увеличением скорости, высоты полета летательных аппаратов и увеличением веса полезной нагрузки, проходили ряд этапов, на которых успехи достигались то ракетными,то воздушно-реактивными двигателями. Основная борьба различных направлений развития реактивной техники, двигателей в том числе, в последние десятилетия связана с проблемой создания воздушно-космических самолетов [1]. И если в начале работ по этой проблеме М.В.Келдыш придавал особое значение обеспечен!® защиты крылатого летательного аппарата от воздействия атмосферы при возвращении на Землю, то после полетов Опеио-Шаттла и Бурана вопрос создания В КС вновь стал завноитъ от создания эффективного двигателя, способного обеспечить полет летательного аппарата от старта до орбитального режима и последующего возвращения на место старта.Этот двигатель должен использовать в процессе полета воздушную среду в качестве окислителя и водород в качестве горючего,он получил название гиперзвукового прямоточного ВРД или гиперзвукового ракетно-прямоточного двигателя.

В 1Убиг.в СССР группой специалистов в ЦИАМ был предложен принципиально новый тип двигательной установки-гиперзвуковои атомный ракетно-прямоточный двигатель - ГАРЦД ,состоящий из ЯРД и прямоточного воздушного контура. ГАРЦД предназначался для применения на одноступенчатом воздушно - космическом самолете.

В СССР работы по ЯРД проводились В.А.Штоколовым начиная с 1946г.интенсивное развитие работ по созданию ЯРД началось в 1959г после принятия решения, вдохновитлями которого были академики:

Х< Г5 Т-гг-т-т, Л ТТ ТА—-г-. ТЛ" Г5 Г -1 ~< м. о. г\елДыш,. II. г^ирил&й п п. о. г\урчслхиоз

Проводились также работы по изучению сверхзвукового горения в ГПВРД под руководством профессора Е.С.Щетинкова [153. На рисунках 1а и 16 представлены опубликованные в печати рисунки ВКС о ГАРЦД,один из них был опубликован в СССР С1аЗ,другой в США. Работа по ВКС с ГАРЦД проводилась в инициативном порядке: в ЦИАМ в лаборатории К.В.Холщевникова инженером П.П.Кузнецовым, в МКЕ "Красная Звезда" Главного конструктора М.М.Бондарюка инженерами В.А.Штоколовым и М.М.Белоусовым, в Институте атомной энергии под руководством М.Д.Миллионщикова и Н.Н.Пономарева-Степного, в Подольском научно исследовательским технологическом институте под руководством Ю.И.Данилова работали П.П.Кузнецов и С.А.Павлов и др.

В ÜÍIIA в это время интенсивно велись работы по созданию ЯРД по программе ROVER, начатые в 1955г С12].

В США согласно информации Ео] в 196УГ. была разработана следующая концепция создания Воздушно-космического самолета: это должен быть крылатый пилотируемый летательный аппарат, способный с помощью собственной силовой установки взлетать с Земли,разгоняться до орбитальной скорости, совершать манеЕренный полет в космическом пространстве и возвращаться на Землю. Количество повторных полетов самолета предполагается не менее 100 ( >10,).

ВВС США рассматривали BKU как перспективную многоцелевую космическую систему оружия для наступательных, оборонительных, разведывательных и транспортных целей. Предусматривалась разработка самолета весом 227 тонн и длиной 60 метров, способного летать на высотах до 480км.(вариант этого самолета получил название ASPEN-1). Также предусматривалось создание экспериментального летательного объекта весом 45 тонн и длинои 27метров.

Основным аргументом в пользу создания ВКС была его высокая потенциальная маневренность и высокая экономичность.Исследовались варианты с горизонтальным и вертикальным стартами.

В качестве наиболее вероятной силоеой установки ВКС была выбрана комбинированная, состоящая из:ТВРД, ПВРД и ЖРД, работающих на жидком водороде и жидком кислороде, полученном из атмосферного воздуха с помощью бортовой системы накопления, ожижения и разделения Еоздуха на 0g и N2.Согласно информации (РТ N 25 и 40 за 1961г) эта комбинация двигателей под названием "LACE" ,была предложена фирмои Марквардт. Согласно сообщению Missiles and Rokets, tí,N2'/, 27-28 С1961),фирма Марквардт предложила также ядерный вариант двигателя под названием NULACE. Фирма Роллс-Ройс в Англии исследовала гиперзвуковой самолет с системой создания тяги путем сжигания топлива в наружном потоке воздуха.

По данным Национальной программы ВКС CEA [53, приведенная выше информация относится к первому этапу этой программы, когда задача создания такого ВКС представлялась достаточно простой.

Одним из лидеров разработки силовой установки для ВКС в США стала фирма Марквардт, которая развернула в 1964г работу по созданию ЖРД с воздушным форсированием (ракетно-прямоточный двигатель) для космических ракет с перспективой выйти на летные испытания череа 2 года [63. В информации было сказано, что характеристики ЯРкД также улучшатся в результате использования системы с воздушным форсированием. ЯРкД производит огромное количество легковоспламеняющегося Еодорода и при эффективном его сжигании в ПВРД может быть достигнуто значительное улучшение характеристик такой ракетной силовой установки.

Фирма Марквардт получила в 19б4г от ВВС ¡ЗЛА 3 заказа на дальнейшие исследования перспективных ВРД. Заказами предусматривались исследования ПВРД о дозвуковым и сверхзвуковым горением. Программа работ по гиперзвукоЕиму ПВРД включала испытания узлов ПВРД с дозвуковым сгоранием в широком диапазоне гиперзвуковых скоростей.

Работы по ПВРД со сверхзвуковым горением были направлены, в основном, на изучение камеры сгорания, сопел и на оценку и предварительное проектирование всей силовой установки 171. Работы по сверхзвуковому горению в США возглавлял профессор А.Ферри [83.

Согласно [93 в 1966г было сообщено, что в США в течение ряда лет широко обсуждалась программа AMSA (создание перспективного пилотируемого стратегического самолета), которая охватывает широкую область работ, начиная от модификации существующего самолета F-111A до создания гиперзвуковых стратегических бомбардировщиков с СГПВРД и даже с атомным двигателем.

Необходимо обратить внимание, что в это же время в США наряду с работами по созданию ядерного реактора типа NERVA для применения на ракете САТУРН,проводились работы по созданию ядерного реактора типа Фобос-2А с тягой до ЮОтонн для двигателя без объявления типа летательного аппарата. Реактор Фобос-£А был испытан на мощности 4080 Мв в 1968г [103, по мнению специалистов США это было выдающимся достижением [123-На этом реакторе решалась задача получения максимальной объемной плотности мощности, что необходимо для реакторов с круговой или близкой к круговой биологической защитой, предназначенной в первую очередь для ВКС с космонавтами на борту. Для беспилотных ракет в этом нет прямой необходимости,для них важнее тлеть большой удельный импульс и ресурс,которые требуют снижения напряженности тепловыделяющих элементов.

В СССР в 1964г применительно к проблеме создания ГАРПД были проведены в МФК в лаборатории С.А.Клевцура исследования по горению струй нагретого водорода [113 - Эксперименты показали возникновение крупномасштабных вихрей на начальном участке факела

- g горения ламинарнои струи нагретого водорода, что отличалось от теоретических представлений, существовавших в то время. Отсюда выявилась неопределенность в оценке длины камеры сгорания двигателя и закона тепловыделения по ее длине на различны:«: режима-: полета, а значит и неопределенность в характеристиках силовой установки.

Всвяви с недостатком финансовых средств е ССОР экопериментаг льные работы по ВКС и ГАРПД ограничивались исследованиями горения струй нагретого водорода и созданием материалов для ТВЭЛ и TBC высокотемпературного ядерного реактора, способного нагревать водород до 3000°К [12,13]. Эти работы не были непосредственно связаны друг с другом и проводились параллельно.

В США работы по созданию гиперзвукового ракетно-прямоточного двигателя с нагревом водорода до 50Q-8001JC при охлаждении конструкций ВКС и ГАРПД и с дополнительным нагревом водорода в активной зоне ядерного реактора до 2000-2500иК также Еелиоь одновременно.

Конкуренция фирм, работающих в космической области, привела к быстрому созданию больших ракет-носителей, в частности носителей СОЮЗ и ПРОТОН е СССР и САТУРН в США, которые обеспечили достижение других планет Солнечной системы, проведение пилотируемых полетов на станциях "ШРми т.п., что лишило ВКС конкретных целей в области выведения тяжелых грузов на орбиты ИСо.

Кроме того, в это время начались работы по созданию спускаемых летательных аппаратов типа СПЕЙС-ШАТТЛ и БУРАН [14], обеспечивших многократное использование их в полете, получение опыта по созданию возвращаемых из космоса крылатых летательных аппаратов многократного применения, что должно обеспечить снижение стоимости выведения полезного груза на орбиты MUS и спуска их на землю после выхода их из строя для ремонта,исследования и повторного применения. Полученные результаты позволили отодвинуть потребные сроки создания воздушно-космических самолетов и уменьшить затраты средств.

Развернутые ранее в США работы по исследованию гиперзвуковых ракетно-прямоточных двигателей к этому времени столкнулись с рядом технических проблем, в частности о недостаточным пониманием природы пограничного слоя на поверхности летательного аппарата,в воздухозаборнике и в камере сгорания двигателя.Условия перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный в гиперзвуковых потоках были неизвестны, а они определяют понимание рабочего процесса воздухозаборника, его эффективности [ь,1и] и сопротивление полету вКС.

Вое эти проблемы привели к сокращению Финансирования работ по созданию ГРПД и ЯРД как в США. так и в СССР .В настоящее время работы по созданивз ЯРД практически полностью остановлены в РОССИИ и,по некоторым сведениям [12], также в США.

Следует,однако, обратить внимание на информацию из США о том, что ПЕНТАГОН и HACA работают над проблемой защиты Земли от метеоритной бури из крошечных кусочков астероидов и комет, которую предсказывают в ноябре 1999г.Эта проблема может способствовать возрождению интереса к созданию ВКС как носителей средств защиты [18].

Имеется также информация в газете Правда-5 от 20 марта 1997г N40(214) стр.2 "Как считают специалисты Главного штаба Войск ПВО РФ, опыт локальных войн.последних лет.,показал, что роль главной ударной силы в них отводится средствам воздушного нападения.Поэтому приоритетное развитие в армиях ведущих государств мира получили, .средства воздушнокосмичеокого нападения.Так, в США, по данным Главного штаба еойск ПВО, ведутся научно- исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию гиперзЕукового самолета "Аврора",максимальная скорость которого более 5000км в час, дальность поле та-12000км, потолок-36км.

Проводятся также работы по теме NASP-возвращаемый космический корабль- с ГРПД, одной из задач которого является перехват межконен-тальных баллистических ракет на взлете[180].

Аналогичные исследования технологий гиперзвукового полета и создания авиационных систем в рамках национальных программ проводятся в Великобритании (проект ВКС "Хотол", Франции ("Рзйдьенс), Германии ("Зингер"), а также Японии.

США планировали основную часть разработки ГРПД выполнить на основе результатов расчетов течения в двигателе, которые должны были быть выполнены с помощью мощных ЭВМ [5],

По мнению диссертанта,возникшие при выполнении работ по ВКС трудности [5] связаны с тем, что математическое описание газодинамических процессов в диффузоре, камере сгорания и сопле с помощью уравнений Навье-Стокса не отражает силовое взаимодействие потоков, двигающихся с разными скоростями, между собой и со стенками и, как следствие этого, не отражает реального рабочего процесса в газовом тракте ГРПД, ГАРПД и ВКС. Выход из создавшегося положения в США видят в создании мощных испытательных установок, требующих больших затрат времени и средств [5].

В СССР проводились исследования на минимальных по масштабам моделях, в частности на струях нагретого водорода малых диаметров. Обработка результатов экспериментов, проведенных в ЙФХ в 1964г. показала отличия в процессах горения струй нагретого водорода от горения струи холодного водорода, заключающиеся в самовоспламенении струй водорода в пограничном слое смешения с еоздухом.Возник-ла необходимость разработки теории этих процессов включая теорию развития крупномасштабных вихрей, возникающих при самовоспламенении струй нагретого водорода в воздухе. В процессе проведения опытов СИЗ, автор наблюдал возникновение крупномасштабных вихрей даже при горении ламинарной струи водорода, что не соответствовало представлениям о безвихревом течении идеальной жидкости.

Теория этих процессов, разработанная диссертантом, представлена ниже не только в частной постановке задачи о вихрях.но и как общая теория движения сплошной среды с обменом механической энергией между ее отдельными частями, двигающимися с разной скоростью. Разработанная теория позволит ускорить создание ГРЕЩ, ГАРГЩ и ВКС и снизить затраты на создание экспериментальных стендов.

Предлагаемая диссертация является итогом более, чем тридцати лет работы,начатой в 1У60 г.она продолжает работы С 9.3,9о, 94,96,97,38 и др.3,содержит гипотезу о вихреЕом соударении веществ и разработанные на ее основе физическую и математическую модели вихревого течения веществ на начальном участке плоской струи.

Гипотеза о вихревом соударении веществ вследствие новизны вынудила рассмотреть общую систему уравнений механики сплошной среды с позиций поиска стыковки этих уравнений с представлениями о движении сплошной среды с обменом механической энергией, к которым относятся струйные течения и вызываемые шли вихревые образования, возникающие в зоне вихревого столкновения веществ струи и окружающей среды.

Диссертация открывается разделом, в котором рассматривается проблема создания ГАРЩ и проводится инвентаризация основных проблем, без решения которых создание ГАРЩ невозможно.

Однако, эти проблемы еще далеки от своего решения и поэтому они рассматриваются как часть литературного обзора диссертации, а не как защищаемый результат работы.

Собственно новые результаты работы, защищаемые диссертантом, получены при работе над проблемой развития вихрей, как частью проблемы смешения и горения в камере горения ГАРЩ, определяемой смешением оверхзуковых струй водорода с потоком воздуха на входе в камеру сгорания, скорость и температура которого изменяются вдоль траектории полета ВКС от дозвуковой до сверхзвуковой и гиперзвуковой при соответствующем изменении статической температуры воздуха. Этот процесс смешения сопровождается обменом механической энергией между отдельными частями течения,имеющими различную скорость.

В качестве конкретного примера применения общей теории в диссертации приводится модель вихревого соударения веществ.

В диссертации в предельно краткой форме изложено также сравнение результатов расчетов по модели Еихревого соударения с имевшимися в распоряжении автора экспериментальными данными. Полученные результаты свидетельствуют о достоверности предложенной модели вихревого соударения веществ в дозвуковых потоках,особенности применения её для сверхзвуковых течений требуют исследований.

Практическая значимость теории вихревых течений не вызывает сомнений. В последнее время возрос интерес к изучению тонкой структуры вихревых течений как в связи с расчетами погоды по данным снимков циклонического облачного покрова Земли из космоса, так и в связи о широким распространением в технике различного рода струйных смесителей и струйных горелок,в последние годы также вновь усилился интерес к созданию гиперзвукоЕых ПВРД Е5]. Приложение модели крупномасштабных вихрей к проблемам создания камер горения ГРПД и ГАРЩ приведено ниже.

Большое значение для научной общественности также имело мнение М.Дж.Лайтхилла, Дж.Езтчелора, Ф.Сэффмена [86] и др. об отсутствии теоретического описания вихревых течений.

Теоретические описания тонкой структуры вихревых течений, над которыми работают современные исследователи, пока неадекватно отражают параметры вихревого течения, что связано с представлением течения как потенциального, адиабатического.

Введение вязкости и применение некоторых других приемов не решили Еопрос. В то же время характерной особенностью вихревых течений является их самоподобие, отмеченное экспериментаторами и использованное в теории турбулентности.Учет этой особенности течения и привлечение к описанию процессов понятия массовых инерционных сил, связанных о коллективным движением вещества, например, при вращении вокруг удаленного от рассматриваемой точки течения центра, и непотенциальных инерционных сил, возникающих при соударении веществ в вихре, позволили разработать математическую модель вихревого течения, представляемую ниже, и дали ключ к разработке системы уравнений неадиабатического течения сплошной среды.

В работе Е.А. Ларикова [99] предлагается рассматривать уравнения второго закона Ньютона как состоящие из приращения линейной скорости так и из приращения угловой скорости. Такое восприятие второго закона Ньютона как состоящего из двух разных векторов снимает проблему поиска причины генерации завихренности, которая в этом случае происходит под действием сил вихревого соударения веществ, являющихся непотенциальными.

Величину сил вихревого соударения и механизм их возникновения позволяет определить гипотеза о вихревом соударении Ееществ, предложенная автором [92].

В представленной ниже работе автор защищает следующие разработанные им новые научные результаты и полученные выводы.

Во-первых, обоснована принципиальная схема воздушного контура гиперзвукового ракетно-прямоточного и атомного ракетно-прямоточного двигателя,включающая¡диффузор, струйный первичный смеситель водородных струй с воздухом,содержащий решетку сверхзвуковых сопел водорода, кольцевые сопла Еодорода и воды, каналы для воздуха,камеру первичного смешения и горения,основную камеру с регулируемыми поперечными сечениями для сжигания первичных продуктов горения в воздухе, сверхзвуковое регулируемое сопло воздушного контура.

Во-вторых,результаты экспериментального исследования и расчетной обработки горения струй нагретого до 1300-2000К водорода, при которой происходит самовоспламенение неотехиометричеоких смесей в вихревых структурах, возникающих в пограничны;-: слоях струй.

В-треть их,физическую и математическую модели вихревого соударения веществ в пограничном слое струи и факела её горения, которые необходимо рассматривать в качестве модели для анализа процессов в воздушном контуре ГРГЩ и ГАРЩ.

Физическая модель основана на анализе известных экспериментальных данных по струйным течениям и на анализе экспериментальных данных по горению струй нагретого водорода в воздухе[11,94,97,98].

Математические методы решения задачи вихревого соударения веществ, заключаются в том, что решение задачи производится в подвижных координатах, связанных с центром вихревого соударения веществ, в которых все линейные отрезки отнесены ко времени существования вихря и поэтому вихревое течение в этих координатах является стационарным, что упрощает получение решения системы уравнений е конечном виде [92-983.Область вихревого течения можно очертить границей, проходящей по жидким частицам,одновременно притекающим к эллиптическим границам ядра вихря.

К области в целом применены интегральные законы сохранения : массы, импульса,момента импульса и энергии.

К жидким струйкам тока применены интегральные законы сохранения: массы. импульса,момента импульса и энергии вещества в трансвер-сальном движении с учетом энергообмена с веществом окружающей среды.

К жидким частицам применены уравнения динамического равновесия под действием инерционных сил от соседних жидких частий.

В-четвертых,защищает методику расчетного определения размеров и времени существования вихревого течения в пограничном слое струи, которая подтверждена на материале расчетной обработки известных экспериментальных данных ряда авторов [97], эта методика позволяет проводить оценку изменения тепловыделения по длине зоны горения струй водорода в камере горения ГАРПД.

В-пятых,методику расчета самовоспламенения струи водорода в камере сгорания двигателя, основанную на предположении о том,что смешение веществ в вихре до молекулярного уровня происходит в центре ядра вихря, где состав смеси не меняется в течении времени существования вихря, определяемого расчетом. Это позволяет рассчитывать кинетические процессы протекания химических реакций в центре ядра вихря как в идеальном адиабатическом химическом реакторе.

Этот результат позволяет по-новому подойти к решению процессов воспламенения и горения струй веществ, самовоспламеняющихся в веществе окружающей среды.

В том числе можно по новому подойти к анализу устойчивости самовоспламенения и горения струй нагретого водорода в сверхзвуковом потоке воздуха в камере сгорания ГАРПД и ГРПД.

Этот результат подтвержден результатами расчетной обработки экспериментальных данных, полученных ранее по горению струй нагретого водорода в воздухе [11,92,94,97 и др.].

В-шестых, защищает метод управления процессами воспламенения и тепловыделения по длине камеры сгорания ГРПД и ГАРПД.

В-седьмых, -вашншает применение уравнений вихревого соударения веществ для решения ряда технических задач, в частности для расчета условий взрыва герметичной ампулы накопителя тепла на фазовых переходах тройной смеси хлоридов: MgCl2,KCi, NaCl [144].

--------------1

Автор благодарит j Ю.М.Данилова! и всех специалистов, оказав

I! ших ему помощь как советами, так и критикой.

Часть1.ГИПЕРЗВУКОВЫЕ РАКЕТНО-ПРЯМОТОЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Кузнецов, Павел Павлович

10, НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ,

В диссертации автор защищает следующие разработанные им новые научные результаты и полученные выводы,

1,Разработанная методика расчета характеристик ГРГЩ и ГАРЕН и проведенные расчетные исследования позволили обосновать принципиальную схему воздушного контура гиперзвукового ракетно-прямоточного двигателя и гиперзвукового атомного ракетно прямоточного двигателя, включающую: струйный первичный смеситель водородных струй с водой и воздухом,содержащий решетку сверхзвуковых сопел с кольцевыми соплами, основную камеру смешения и горения первичных продуктов смешения о воздухом, сверхзвуковое сопло и систему подвижных панелей для регулирования проходных сечений камеры и процесса тепловыделения по длине камеры,

2,Проведены экспериментальные исследования особенностей процессов горения в воздухе струй водорода, нагретого до температуры

1300-2000К,достаточной для нагрева водородовоздушной смеси в вихрях до температуры самовоспламенения,что характерно для гиперзвуковых ракетно-прямоточных двигателей воздушно-космических летательных аппаратов .з частности, гиперзвуковых атомных ракетно-прямоточных двигателей. Эти особенности связаны о тем,что самовоспламенение водорода происходит в неотехиометричеоких смесях, возникающих в процессе образования крупномасштабных вихрей,возникающих в процессе смешения струй водорода с воздухом,Эти смеси существуют в течение всего времени существования крупномасштабных вихрей в пограничном слое струи За время задержки самовоспламенения смеси в ядрах вихрей проходят предпламенные химические реакции горения и в конце этого периода возникает пламя, которое разрушает вихри, изменяет структуру пограничного слоя и начинает процесс выгорания этой первичной смеси, При этом происходит смешение продуктов горения первичной неотехио-метричеокой смеси с воздухом, или водородом, в зависимости от коэффициента избытка воздуха в двигателе, и выгорание этой вновь возникающей вторичной смеси,

3,Существование крупномасштабных вихрей в пограничных слоях затопленных струй было доказано экспериментально рядом авторов в Германии,СССР и США,

В экспериментах автора было также показано их образование на начальном участке факела горения струй нагретого водорода,В дисоертации приведена разработанная автором расчетная модель смешения струи и окружающей среды в крупномасштабных вихрях, и созданная на ее основе методика расчета процессов смешения и самовоспламенения первичной смеси. Модель смешения струи и окружающей среды в крупномасштабных вихрях содержит уравнения сохранения массы, импульса,момента импульса и энергии для возмущенной области вихревого движения, уравнения сохранения для жидкой струйки тока внутри возмущенной области а также уравнения динамического равновесия жидкой частицы внутри струйки тока под действием непотенциальных сил вихревого соударения веществ,Сравнение экспериментальных данных по длинам начальных участков без пламени факелов горения струй нагретого водорода с результатами расчетов по разработанной методике показывает их хорошее соответствие.

Решение в данной модели течения ищется в подвижных относительных координатах, в которых все линейные параметры отнесены ко времени существования вихря, Координаты неинерциальные, течение в них отационарное, сопровождаемое виртуальными стоками массы в вихре, Область вихревого течения можно очертить границей, проходящей по жидким частицам, одновременно притекающим к эллиптической границе ядра вихря. Эта область находится в динамическом равновесии, и целью получения решения задачи вихревого соударения в конечном виде рассматриваются: область вихревого течения как целое, жидкая струйка тока как часть этого целого и отдельная жидкая частица как часть струйки тока,

К области в целом применены интегральные законы сохранения массы, импульса, момента импульса и энергии в этой области, что позволило определить параметры течения области в целом, скорость движения центра вихревого соударения 1% и соотношение масс, смешивающихся в вихре веществ, равное М = (Ма/Мз.) » 'Ург/р!•

К жидким струйкам тока также применены интегральные законы сохранения массы, импульса, момента импульса и энергии веществ в трансвероальном движении в данной струйке тока, выявившие постоянство массовых значений импульса, энергии и момента импульса веществ во всей области вихревого течения, записанных с учетом энергообмена с веществом окружающей среды.

К жидким частицам были применены уравнения динамического равновесия жидких частиц под действием инерционных сил ц, определявшх воздействием на нее соседних жидких частиц.

Эти уравнения содержат: две линейные проекции, являющиеся аналогами уравнений Эйлера, уравнение генерации завихренности и уравнение механической работы инерционных сил данной жидкой частицы над соседними жидкими частицами,

Полученная система уравнений является замкнутой и позволяет определить все параметры вихревого течения как внутри ядра вихря так и в области вихревого течения вне ядра вихря.

Автором предложена и обоснована система уравнений движения сплошной среды с обменом механической энергией между отдельными частями её, которая может рассматриваться как теоретическое обоснование модели вихревого соударения веществ.

4, В работе показано.что крупномасштабные вихри обладают свойством, состоящим в том, что смешение веществ до молекулярного уровня происходит в центральной части ядра вихря за счет процессов молекулярного переноса, сопровождающихся также переносом тепловой энергии. Аналогичный молекулярный перенос существует и на спиральных границах ветвей в ядре вихря, поэтому общая интенсификация молекулярного обмена в вихре по сравнению с обменом при ламинарном течении определяется увеличением площади контакта веществ в спиральных границах по сравнению с площадью контакта на невозмущенной границе примерно в ■/£ раз,

Дальнейшее увеличение интенсивности смешения возможно лишь при вторичной потере устойчивости спиральных границ ветвей вихря,

5,Поскольку молекулярная смесь, образующаяся в центрах ядер вихрей, сохраняет свой состав в течение времени существования вихря, то в этой смеси, могут проходить химические процессы, не сопровождающееся интенсивным выделением энергии, например, предпла-менные химические реакции.Процессы в центре ядра вихря происходят как-бы в изотермическом химическом реакторе, время существования которого может быть рассчитано как время существования вихря, химические процессы с интенсивным выделением энергии разрушают как ламинарное, так и вихревое течение и приводят к возникновению новой вихревой структуры.

Этот процесс является примером прямого влияния Физико-химических реакций на структуру течения газов,

С'!1-- /

6. На основе полученных теоретических результатов автором был предложен метод управления процессами самовоспламенения в камере и тепловыделения по длине камеры сгорания ГРИД и ГАР1Щ, заключающийся в том,что нагретый в ядерном реакторе водород подается в камеру горения в виде сверхзвуковых струй через сопла,расположенные по некоторой решетке, конфигурация которой определяется из конструктивных соображений, между соплами в камеру вводятся струи воздуха, а вокруг каждого или некоторых из сопел водорода создаются кольцевые сопла,через которые может подаваться поток различных газов,например также нагретого водорода, но температура и скорость кольцевого потока могут регулироваться в широких пределах, достаточных для управления тепловыделением при горении по длине камеры,При управлении проходными сечениями воздушного тракта и распределением скорости водорода по сечению кольцевых сопел на входе в камеру горения скорость в кольцевом сопле вокруг сверхзвукового сопла регулируется от низкой дозвуковой до сверхзвуковой в зависимости от режимов работы двигателя и траектории полета ВКС,

Разработан метод выбора конструктивных размеров сопловой решетки,согласно которому диаметр сверхзвуковых сопел водорода выбирается внутри диапазона, определяемого из условий:минимальный диаметр определяется устойчивостью самовоспламенения струй водорода в воздухе,максимальный-полнотой тепловыделения при горении водорода внутри камеры конкретно выбранной длины.Диаметр кольцевого сопла определяется потребным диапазоном регулирования длины зоны горения внутри камеры.

7, В диссертации приведен пример практического применения методики расчета вихревого соударения веществ для математического описания взрыва ампулы накопителя тепла со смесью солей: ЫаС1,КС1 и МеС1£, происшедшего при экспериментальных исследованиях по обеспечению взрывобезопаонооти накопителей тепла на Фазовых переходах.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Кузнецов, Павел Павлович, 1997 год

1. Информация ТАСС от 25,7.1968г ВИНИТИ N30 (1336)

2. ВИНИТИ N4, от 25 января 1968г.

3. А,Н,Пономарев, Авиация настоящего и будущего, Москва, Военное издательство, 1984г.

4. Фокс, Уэбб, "Измерения турбулентности следа на баллистической трассе с помощью термоанемометра". Ракетная техника и космонавтика, 1967, N 1,

5. Хайдит, Заккей. "Экспериментальное исследование гиперзвукового турбулентного пограничного слоя с положительным градиен том давления". Ракетная техника и космонавтика, 1969, N1,123-136,

6. Да-Ривер, Уррутиа, Задержка воспламенения при диффузном горении, AJAA Journal, N 11, 1968,

7. Сб. аэрод.больш,скор.ир.Т,, "Турбулентные течения и теплопередача" под ред. Линь Цзя-Цзяо. Изд. ИЛ Москва, 1963,

8. Fabian H. Experimentelle Untersuchungen der Gesohwindig;-keits Schwankungen in der Dusenmundung. DVL, Bericht № 122, 1960

9. О.В.Яковлевский, A.H.СекундоЕ, Изд. АН СССР, Механика и машиностроение, 1964, N 3.

10. Grant H.L, The large eddies of turbulentmotion, J, of Fl, Mech.,1958, v 4, part 2, June p.149 (Перевод ИПГ № 247,1967)

11. С.С, Муравьев, Р,В, Озмидов, Синергетичеокие механизмы образования упорядоченных структур в океане (обзор), океанология 1994, т, 34, № 3. с, 325-336,

12. Проблемы турбулентных течений, сборник статей под редакцией В,В. Струминского, изд. "Наука", М,, 1987г.

13. В.Г. Левич. Физико-химическая гидродинамика, М, Физматгиз, 1959г.

14. Гиневокий А,С."Теория турбулентных струй и следов",Москва Машиностроение, 1969, стр.400,