Технические науки/9.Авиация
и космонавтика.
Сухов А. В., Сергеев А.В., Гавриленко И.В., Козичев
В.В.
Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана
Моделирование экспериментальной
установки измерения скорости горения конденсированных систем
При
разработке современных ракетных двигательных установок (РДУ) на твердом
ракетном топливе (ТРТ) актуальной задачей является создание диагностической
техники для исследования процессов горения ТРТ на нестационарном режиме. Так
при регулировании РДУ приходится решать задачи оперативного изменения
абсолютного значения тяги двигателя. При этом возникает необходимость изменения
давления в камере сгорания с определенной глубиной, что зачастую приводит к
возникновению разного рода неустойчивости в рабочем процессе камеры сгорания. В
связи с этим исследование процесса неустойчивого горения, и горения при
циклически меняющемся давлении в частности, является весьма актуальной задачей.
Для
проведения экспериментальных исследований разработан экспериментальный стенд,
позволяющий проводить исследование процесса горения ТРТ при различных режимах и,
в том числе, в условиях высокого и циклически меняющегося давления. В качестве
метода измерения скорости горения выбран СВЧ метод, который является
предпочтительным для проведения исследования процессов нестационарного горения
ТРТ ввиду высокой временной и пространственной разрешающей способности [1], что
весьма важно в условиях быстропротекающих процессов, характерных при горении
ТРТ при давлении до 200 МПа.
Для
расчета параметров стенда в среде MatLab разработана расчетная схема,
описывающая работу данного стенда. Схема включает в себя арматуру, форкамеру
(служащую для компенсации малых проходных сечений трубопроводов), систему
регулирования наддува, камеру сгорания и узел сброса продуктов сгорания из камеры.
Служит для математического исследования процессов протекающих в
экспериментальной установке и определения параметров экспериментальной
установки. Полученные в результате моделирования данные так же используются для
точной перенастройки экспериментального стенда с одного режима работы на
другой.
Схема
позволяет производить определение параметров режимов проведения
экспериментального исследования как при наличии газоприхода от горящего образца
ТРТ, так и при отсутствии газоприхода от горящего образца ТРТ (холодные и
огневые испытания).
Для
оптимизации геометрии рабочего участка установки по параметрам согласования
взаимодействия с СВЧ-излучением и с горением ТРТ выполнено моделирование динамики
движения газа в камере сгорания с помощью программных пакетов ANSYS CFX и HFSS 10. Проведена оптимизация конструкции модельной
камеры по обеспечению условий горения образца ТРТ, наиболее приближенных к
реальным двигательным установкам, что позволило выбрать схему расположения
систем, обеспечивающих циклическое изменение давления в камере сгорания. Моделирование
проводилось для нескольких вариантов компоновки экспериментального стенда,
работающего на различных режимах. В частности, рассмотрены режимы наддува и
сброса давления в камере сгорания со скоростями до 50 МПа/с, режимы
колебаний давления с частотой до 10 Гц и амплитудой до 10% при среднем
давлении до 5 МПа, режим горения при уровне давления до 200 МПа. Проведен
анализ параметров камеры сгорания с учетом совместной работы воспламенительного
устройства, системы, обеспечивающей циклическое изменение давления в камере
сгорания, и горящего образца ТРТ.
Для реализации
специфических требований, предъявляемых к воспламенительному устройству при
исследовании процесса горения ТРТ СВЧ методом, спроектировано и изготовлено
газофакельное воспламенительное устройство [2]. Изучено влияние конструкции
воспламенителя на результаты экспериментальных исследований в начальный период
горения (так называемая засветка). В результате оптимизации геометрии
воспламенительного устройства, проведенной в программных пакетах ANSYS CFX и HFSS 10, получена его оптимальная конструкция. В качестве
критериев оценки результатов моделирования приняты равномерность полей
скоростей и давлений на огневом торце образца и уровень давления вблизи
огневого торца образца. Конструкция воспламенителя обеспечивает наилучшую
интеграцию с системой СВЧ-измерения скорости горения, формирование застойной
зоны и повышенного давления у поверхности воспламенения, что повышает равномерность
процесса воспламенения и горения, а также отсутствие разрушительного
воздействия потока продуктов сгорания воспламенительного состава на поверхность
горения образца ТРТ.
Результаты
моделирования позволили определить место установки в камере сгорания
тензометрического датчика давления, позволяющее реализовать меньшую погрешность
измерения. По результатам моделирования разработана конструкторская
документация и изготовлена экспериментальная установка.
Работа
выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной
поддержки молодых российских ученых. Грант № МК–1834.2011.08.
Литература:
1. Определение скорости горения твердого топлива с
применением измерителя полных сопротивлений СВЧ-диапазона. / Б. П. Лавров,
Ю. М. Шарай, А. В. Сергеев и др. // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. – 2009. –
Приборостроение, №1 – С. 28–36.