книги / Численное моделирование нестационарных переходных процессов в активных и реактивных двигателях
..pdf
УДК: 519.6,621.4,623.5,629.7. ББК: 22.25,22.19.
Д13.
Давыдов Ю.М., Егоров М.Ю. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В АКТИВНЫХ И РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ. / Под ред. Ю.М. Давыдова. - М.: Национальная Академия прикладных наук России, 1999. - 272 с.
Рецензенты:
Научно-исследовательский центр новых компьютерных технологий, Заслуженный деятель науки РФ, д.ф.-м.н., профессор В.И Киреев,
д.т.н., профессор Б. Т. Ерохин
Утверждено к печати Редакционно-издательским Советом Национальной Академии прикладных наук России.
В монографии при помощи методов численного моделирования (в первую очередь и в основном при помощи метода крупных частиц - мощного метода вычислительного эксперимента) рассмотрен ряд актуальных в настоящее время прикладных задач современного двигателестроения. Эти задачи близки между собой по своей физической сущности и связаны с нестационарными и глубоко нелинейными режимами работы активных и реактивных двигателей и их функциональных элементов.
Монография будет полезна научным работникам в области механики и прикладной физики, инженерам и конструкторам НИИ и КБ, преподавателям ВУЗов, а также аспирантам и студентам соответствующих специальностей.
Библиогр. 366 назв., ил. 69, табл. 14.
© Национальная Академия прикладных наук России, 1999
Авторы посвящают данную монографию 15-лет ию
Национальной Академии прикладных наук России
5
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Перечень основных обозначений, сокращений и символов................... |
7 |
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................... |
11 |
Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА |
|
ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................... |
14 |
1.1. Преимущества численного моделирования при |
|
решении прикладных задач современного |
|
двигателестроения............................................................ |
14 |
1.2. Обзор методов численного решения задач |
|
двигателестроения............................................................ |
19 |
1.3. Проблематика рассматриваемых задач |
|
современного двигателестроения................................... |
29 |
Глава 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СРАБАТЫВАНИЯ |
|
АРТИЛЛЕРИЙСКОГО ВЫСТРЕЛА........................................ |
44 |
2.1. Физико-математическая модель зажигания и |
|
горения порохового заряда.............................................. |
44 |
2.1.1. Физическая модель................................................. |
44 |
2.1.2. Математическая модель......................................... |
45 |
2.1.3. Метод численного интегрирования...................... |
49 |
2.2. Физико-математическая модель газовой динамики |
|
в каморе и стволе орудия................................................. |
55 |
2.2.1. Физическая модель................................................. |
55 |
2.2.2. Математическая модель......................................... |
57 |
2.2.3. Метод крупных частиц для расчёта |
|
многофазного течения............................................ |
64 |
2.3. Физико-математическая модель напряжённо- |
|
деформированного состояния и оценка прочности |
|
порохового заряда............................................................. |
75 |
2.3.1. Физическая модель................................................. |
75 |
2.3.2. Математическая модель......................................... |
76 |
2.3.3. Метод численного интегрирования..................... |
81 |
2.4. Комплекс прикладных программ MARS....................... |
93 |
2.4.1. Расчётный модуль DEMOS................................... |
94 |
2.4.2. Расчётный модуль MARS..................................... |
98 |
2.4.3. Расчётный модуль FOBOS.................................... |
106 |
2.4.4. Комплекс прикладных программ......................... |
108 |
2.5. Результаты численного моделирования........................ |
109 |
2.5.1. Расчёт зажигания и горения порохового |
|
заряда........................................................................ |
ПО |
6 |
Оглавление |
2.5.2. Расчёт газодинамического течения в каморе |
|
и стволе орудия......................................................... |
123 |
2.5.3. Расчёт напряжённо-деформированного |
|
состояния и оценка прочности порохового |
|
заряда.......................................................................... |
135 |
Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ |
|
В ТУРБИНЕ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ |
|
ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ....................................... |
144 |
3.1. Физико-математическая модель процесса течения |
|
в турбине.............................................................................. |
144 |
3.1.1. Физическая модель................................................... |
144 |
3.1.2. Математическая модель.......................................... |
145 |
3.1.3. Метод крупных частиц для расчёта |
|
статор-ротор взаимодействия................................. |
147 |
3.2. Комплекс прикладных программ PLUTON................... |
158 |
3.2.1. Расчётный модуль HURON..................................... |
158 |
3.2.2. Расчётный модуль PLUTON................................... |
161 |
3.3. Результаты численного моделирования......................... |
166 |
Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ НИЗКОЧАСТОТНОЙ |
|
АКУСТИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ В РАКЕТНОМ |
|
ДВИГАТЕЛЕ НА ТВЁРДОМ ТОПЛИВЕ.............................. |
192 |
4.1. Физико-математическая модель процесса течения |
|
в двигателе............................................................................ |
192 |
4.1.1. Физическая модель................................................... |
192 |
4.1.2. Математическая модель.......................................... |
193 |
4.1.3. Метод крупных частиц для расчёта |
|
низкочастотного пульсирующего |
|
течения....................................................................... |
197 |
4.2. Комплекс прикладных программ NEPTUN................... |
212 |
4.2.1. Расчётный модуль TRITON.................................... |
212 |
4.2.2. Расчётный модуль NEPTUN................................... |
215 |
4.3. Результаты численного моделирования......................... |
220 |
ЛИТЕРАТУРА............................................................................................. |
236 |
Именной указатель...................................................................................... |
261 |
Предметный указатель.............................................................................. |
267 |
Summary....................................................................................................... |
269 |
7
Перечень основных обозначении, сокращений и символов
Обозначения:
А - амплитуда колебаний;
а- концентрация окисляющих реагентов, скорость звука,
элемент матрицы аппроксимационной вязкости; alfa - сеточный параметр;
В - вспомогательный параметр; beta - сеточный параметр;
с - удельная теплоёмкость, коэффициент сопротивления;
D - диаметр горящих частиц, вспомогательный параметр;
d - диаметр;
Е - энергия активации, полная удельная энергия, модуль упругости;
/ - частота колебаний (пульсаций) давления;
G- расходно-приходный комплекс, модуль сдвига;
Л- шаг по пространственной координате; J - удельная внутренняя энергия,
теплотворная способность;
к- показатель адиабаты;
L- длина (характерный размер);
/-длина; т —масса;
/I - число частиц в единице объёма; р - давление;
Q - тепловой эффект реакции, тепловыделение;
q - тепловой поток,
функция теплового межфазного взаимодействия; R - газовая постоянная,
радиус (характерный размер); г - координата вдоль оси OR,
радиус;
S - энтропийная функция; s - площадь,
8 Перечень обозначении, сокращений и символов
перемещение; Т - температура; t - время,
шаг решётки единичных профилей;
U - сеточный аналог перемещений вдоль оси ОХ; и - скорость вдоль оси ОХ;
V - объём;
v - скорость вдоль оси ОУ, скорость вдоль оси OR, скорость горения пороха;
-вектор скорости;
-модуль вектора скорости,
сеточный аналог перемещений вдоль оси OR; ;с- координата вдоль оси ОХ; у - координата вдоль оси ОУ;
Z - предэкспонент;
а - коэффициент теплоотдачи, коволюм газа,
доля объёма, занимаемая /-ой фазой смеси; (3 - относительная весовая доля (глубина превращения),
угол входа (выхода) потока, параметр конечно-разностной схемы;
у - главный угол между касательной к профилю и положительным направлением оси ОХ, вспомогательный параметр;
5 - толщина пограничного слоя, точностной параметр;
8- поправка на вдув, коэффициент черноты, деформация, точностной параметр;
к- коэффициент температуропроводности;
Я - коэффициент теплопроводности; р - коэффициент динамической вязкости;
V - показатель в законе горения,
массовая доля твёрдой фазы в продуктах сгорания, спектральная частота, коэффициент Пуассона;
4 - коэффициент преобразования пространства, безразмерная координата по оси ОХ;
р - плотность,
Перечень обозначений, сокращений и символов |
9 |
безразмерная координата по оси OR;
т- функция силового межфазного взаимодействия;
а- напряжение;
а0 - постоянная Стефана-Больцмана.
Сокращения:
б/р - безразмерный параметр; ФММ - физико-математическая модель;
НДС - напряжённо-деформированное состояние; PC - персональный компьютер;
МКЧ - метод крупных частиц; ЭВМ - электронная вычислительная машина; ТВД - турбина высокого давления; Г Т Д - газотурбинный двигатель;
РДТТ - ракетный двигатель твёрдого топлива.
Символы:
с- камера, ствол;
d - супермелкодисперсные частицы в продуктах сгорания; е - равновесное значение,
параметр, зависящий от полной удельной энергии; 8 -газ;
h - дополнительный заряд; / - номер,
индекс; у-номер, индекс;
к- порох, к-фаза, пиропатрон,
конвективный теплообмен, номер;
I - лучистый теплообмен; max - максимальное значение; min - минимальное значение;
п- номер, индекс;
р- частицы в продуктах сгорания, параметр, зависящий от давления,
10 |
Перечень обозначений, сокращений и сгшвпппп |
рабочее значение; г - вдоль оси 0R,
ротор;
s - поверхность горения, порох, сгораемая гильза;
и- параметр, зависящий от скорости вдоль оси ОХ;
v- параметр, зависящий от скорости вдоль оси 0У;
w- полузаряд;
х- вдоль оси ОХ;
0 - вдоль окружности (б/р); £, - вдоль оси ОХ (б/р);
р- вдоль оси OR (б/р);
в- воспламенитель;
д - дульный параметр; дн - дно каморы; и - истинное значение;
общ - общее значение; пр - противодавление; сн - снаряд; ср - среднее значение;
же - эквивалентное значение; 0 - начальное значение,
особое значение, осаждение на поверхность, объёмное высвечивание;
1 - первая фаза гетерогенной смеси, специальное значение, безразмерный параметр;
2 - вторая фаза гетерогенной смеси;
3 - третья фаза гетерогенной смеси;
4 - четвёртая фаза гетерогенной смеси;
5 - пятая фаза гетерогенной смеси; * - условие горения,
специальное значение, параметр торможения;
со - параметр невозмущенного потока.
11
ВВЕДЕНИЕ
Практика модернизации современных и разработки перспективных активных и реактивных двигательных установок и их функциональных элементов выдвинула для исследования ряд новых сложных проблем, напрямую связанных с нестационарностью и глубокой нелинейностью наблюдаемых физических явлений и процессов. Во многих случаях эти проблемы становятся непреодолимым или существенным препятствием к дальнейшему совершенствованию энерго массовых, ресурсных, прочностных и других характеристик рассматриваемых типов двигателей. Сюда, в частности, можно отнести разрушение пороховых элементов заряда артиллерийского выстрела (артиллерийское орудие - активный двигатель) на предельно допустимых режимах его срабатывания, вопросы термостойкости и увеличения срока эксплуатации функ циональных элементов газотурбинных реактивных двигателей (турбин и компрессоров различного назначения), неустойчивость рабочего процесса как на переходных, так и на маршевых режимах работы ракетных двигателей на твёрдом топливе и т.п.
Использование натурных стендовых испытаний активных и реактивных двигателей или масштабного лабораторного физического эксперимента на модельных установках для исследования такого рода проблем затруднено по причине значительной сложности и высокой стоимости их проведения и мало эффективно ввиду недостаточной информативности. Поэтому в последнее время всё большее внимание исследователей уделяется численному моделированию нестационарных пере ходных 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
ЮМ. Давыдов, М.Ю. Егоров