МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В РДТТ
Основные элементы РДТТ находятся в непосредственном контакте, скреплены друг с другом, они обтекаются высокотемпературным потоком продуктов сгорания твердого топлива при большом давлении.
Математические модели рабочих процессов в РДТТ позволяют выполнить:
1) термодинамический расчет параметров продуктов сгорания твердого топлива;
2) расчет поверхности горения заряда;
3) определение скорости горения твердого топлива;
4) определение состава и размеров частиц конденсированной фазы
на поверхности горения;
5) расчеты установившихся течений идеального газа и смеси газа и
частиц конденсированной фазы на различных участках тракта двигателя:
в канале заряда твердого топлива, в предсопловом объеме, в до-, транс- и сверхзвуковой частях соплового блока, включая устройства создания управляющих усилий; оценку параметров выпадения частиц;
6) расчеты нестационарных течений в РДТТ при выходе на режим и отсечке тяги;
7) расчеты вязкого течения и процессов тепломассообмена в двигателе; определение режимов и параметров отрывного обтекания элементов;
8) расчеты уноса материалов тракта из-за воздействия газовой фазы рабочего тела и при соударении с потоком частиц конденсированнойфазы;
9) расчеты напряженно-деформированного состояния элементов РДТТ.
Реализация математического моделирования возможна вычислительной системой, являющейся подсистемой САПР РДТТ.
На низших уровнях проектирования в задачах анализа окончательно выбранной конструкции РДТТ необходимо выполнить большой объем вычислений при прямом моделировании процессов с высокой точностью; при этом специалисты по сути дела выполняют вычислительный эксперимент. Здесь применима концепция пакета прикладных программ (ППП).
Такой пакет приведен в работе [2], и с его помощью можно организовать цикл вычислений одно- и двухфазных течений в соплах, значения импульса и потерь из-за трения, рассеяния и химической неравновесности. Пакет содержит набор модулей для выполнения расчетов значений требуемых параметров, базу данных по свойствам индивидуальных веществ, а также ряд сервисных программ.
Вычисление удельного импульса, состава и переносных свойств продуктов сгорания металлизированных топлив можно реализовать ППП работы [25]. Этот пакет также содержит набор расчетных и сервисных модулей, базу данных по свойствам индивидуальных веществ.
Параметры газовой динамики и пограничного слоя в энергетических установках могут быть вычислены с помощью ППП ГАММА [21], основанного на модульном принципе составления программы.
Проблемно-ориентированный и программный комплекс для математического моделирования газодинамических процессов в системе полостей, содержащих продукты сгорания твердого топлива, предусматривает (ДАН, т.293, № 1, 1987, с. 33-37):
1) разбиение свободного объема на характерные; из 25 характерных
объемов одновременно можно использовать до пяти. Конфигурация свободного объема задается с помощью специального языка воспроизведения геометрических форм;
2) решение для выделенных характерных объемов одной и той же
системы уравнений, например n+8 уравнений осесимметричного течения смеси п сортов идеального газа с частицами одинакового размера;
3) использование алгоритма распада разрыва для сопряжения двух
характерных объемов, имеющих общую границу. В итоге параметры в
каждом из характерных объемов в пределах одного шага интегрирования рассматриваются независимо.
Моделирование процессов термогазодинамики и тепломассообмена в РДТТ сложными алгоритмами требует устройств представления в ЭВМ геометрии тракта, толщин элементов для автоматизированной подготовки специальными программами разностных сеток и сеток конечных элементов.
Другая группа блоков содержит менее точные, но быстрые алгоритмы (например, различные регрессионные соотношения), которые применяют для вычисления параметров рабочих процессов на высших уровнях проектирования и формирования требований технического задания для подсистем низшего уровня. Процесс проектирования на высших уровнях происходит в интерактивном режиме общения проектировщиков и специалистов с ЭВМ; его реализация требует набора периферийных устройств вычислительной техники, позволяющего организовать алфавитно-цифровой и графический диалог с ЭВМ.
При математическом моделировании "быстрые" алгоритмы обычно используются на этапе синтеза РДТТ в условиях некоторой неопределенности работоспособности конструктивных нововведений, свойств материалов, режимов многофазного течения и его воздействия на материалы стенок.
Из большой размерности вектора проектных параметров, подлежащего анализу и определению как наилучшего, а также вектора физических характеристик и формализованного вектора ограничений вытекает необходимость декомпозиции и создания иерархической структуры проектируемой ракеты. Так, вектор проектных параметров РДТТ уже выбранной схемы (рис. 1.17) содержит десятки компонент:
X=(D,dK,d ,dK1dп,l3,l ,l ,l ,L , y (x), ,M ,m,n…) ,
Где ,M — толщины и марки материалов -го слоя /-го участка тракта; т, п — число . участков и слоев.
Рис. 1.17. Геометрические проектные параметры РДТТ.
Иерархия подразумевает подчинение одних элементов ракеты другим, ранжирование системы на уровни и дает возможность распараллелить процесс анализа и принятия решений на разных уровнях. Ракета есть система высшего уровня, а двигатели представляют собой элементы системы. В свою очередь, двигатель есть система по отношению к корпусу, заряду, сопловому блоку, которые являются системами по отношению к конструктивным элементам. Входом в систему каждого уровня являются технические задания, выходом служат значения компонент вектора проектных параметров; процессором являются конструкторы, технологи и специалисты в области газодинамики, тепломассообмена и прочности ^вместе с ЭВМ). Проектирование обычно проводится методом последовательных приближений. При этом необходимо учитывать непосредственную взаимозависимость конструктивных элементов РДТТ, неточность сведений о параметрах многофазного рабочего тела и режимах течения в некоторых областях, о механизмах воздействия таких потоков на стенки отдельных участков тракта, а также о характеристиках новых конструкционных и теплозащитных материалов в конкретных условиях. Особые проблемы возникают в случае применения нового твердого топлива вследствие всестороннего влияния его характеристик и свойств на энергомассовое совершенство РДТТ (рис. 1.18).
Рис. 1.18. Влияние характеристик топлива на элементы РДТТ.
Процессы образования многофазной смеси при горении металлизированных смесевых твердых топлив и ее последующего течения в канале заряда, предсопловом объеме, застойных зонах, на различных участках сопла почти не поддаются физическому моделированию. Сложность рабочих процессов и наличие трудноучитываемых факторов заставляют проводить агрегатные и огневые стендовые испытания РДТТ.
Дата добавления: 2016-06-29; просмотров: 2464;