ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА
ISSN 1561-9184 (друкована версія), ISSN 2616-6380 (електронна версія)

ГОЛОВНА    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЕГІЯ    АВТОРАМ    ПОТОЧНИЙ ВИПУСК    АРХІВ    КОНТАКТИ

УДК 629.76

Технічна механіка, 2023, 3, 3- 17

ВПЛИВ ШОРСТКОСТІ ПОВЕРХНІ КАМЕРИ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ УСТАНОВКИ НА НИЗЬКОЧАСТОТНІ АВТОКОЛИВАННЯ ХОЛОДНОГО РОБОЧОГО ГАЗУ

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2023.03.003

Ніколаєв О. Д., Башлiй І. Д., Хоряк Н. В., Бондаренко С. Г.

Ніколаєв О. Д.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Башлiй І. Д.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Хоряк Н. В.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Бондаренко С. Г.
Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара,
Україна

      Динамічні процеси в камері згоряння ракетних двигунів твердого палива (РДТП) надають суттєвого впливу на характеристики робочих процесів двигунів. Скачки тиску та різке зростання локальної температури продуктів згоряння на нестаціонарних режимах роботи двигуна можуть призводити до наднормативних величин режимних параметрів, порушень міцності та руйнування конструкції камери згоряння РДТП. Динамічні процеси в камері згоряння РДТП розвиваються зі складним взаємозв'язком великої кількості фізико-хімічних процесів, які відбуваються в газодинамічній частині робочого простору камери двигуна і часто ведуть до встановлення автоколивальних режимів роботи двигуна. Про це свідчать численні дані вогневих випробувань РДТП. Дана стаття присвячена чисельному дослідженню впливу шорсткості внутрішньої поверхні камери РДТП на параметри низькочастотних автоколивань робочих параметрів РДТП, що виконувалося з використанням сучасних засобів комп'ютерного моделювання та аналізу.
      Дослідження низькочастотних (до 1000 Гц) коливань в камері згоряння РДТП проводилось для тестової камери енергетичної установки на холодному режимі роботи і базувалось на застосуванні двох різних підходів до чисельного моделювання динаміки внутрішньокамерних процесів: на розробці і дослідженні 3D моделі динамічної системи «конструкція камери згоряння – продукти згоряння (акустичний газ)» з використанням методу скінченних елементів та розробці і дослідженні осесиметричної 2D моделі течії газу в камері двигуна з використанням методу скінченних об'ємів.
      Отримано режим течії з автоколиваннями, зумовленими вихороутворенням продуктів згоряння в порожнині камери та наявністю акустичного зворотного зв'язку, який виникає внаслідок зіткнення вихорів з елементами камери або соплом РДТП. Показано, що урахування шорсткості обумовило збільшення вихороутворення газу у зоні динамічної взаємодії газового та твердого середовищ і призвело до збільшення розмахів коливань тиску газу в камері (в середньому в 2,5 рази при максимальній висоті нерівностей поверхні у 56 мкм). Результати моделювання щодо картини течії газу в зонах вихороутворення камери та щодо значень параметрів низькочастотних коливань тиску газу якісно узгоджуються з експериментальними.
     

твердопаливний ракетний двигун, автоколивання робочого процесу, вихороутворення потоку продуктів згоряння, акустичні коливання, шорсткість поверхні стінок камери, метод скінченних об'ємів

1. Glazunov A. A., Eremin I. V., Zhiltsov K. N., Kostyushin K. V., Tyryshkin I. M., Shuvarikov V. A. Numerical investigation of the pressure pulsation magnitude and natural aeroacoustic frequencies in the combustion chambers with a charge of a complex shape. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika. 2018. No 53. P. 59?72. https://doi: 10.17223/19988621/53/6

2. Присняков В. Ф. Динамика ракетных двигателей твердого топлива. Москва: Maшиностроение. 1984. 248 с.

3. Fabignon Y., Dupays J., Avalon G., Vuillot F., Lupoglazoff N., Casalis G., Prevost M. Instabilities and pressure oscillations in solid rocket motors. Aerospace Science and Technology. 2003. No 7. P. 191–200. https://doi: 10.1016/S1270-9638(02) 01194-X

4. Zeldovich J. B. Selected Works. Chemical Physics and Hydrodynamics. Moscow: Nauka, 1984. 374 p.

5. Ларионов В. М., Зарипов Р. Г. Автоколебания газа в установках с горением. Казань: Изд-во КГТУ, 2003. 228 с.

6. Culick F. E.; Kuentzmann P. Unsteady Motions in Combustion Chambers for Propulsion Systems. NATO Research and Technology Organization Neuilly-Sur-Seine: Paris, France, 2006. 664 p.

7. Yash Pal, Ravi Kumar V. Physical and Ballistic Characterization of Aluminum-Loaded Para?n Hybrid Rocket Fuels. Energy & Fuels. American Chemical Society. 2017. 31(9). P. 10133?10143. https://doi: 10.1021/acs.energyfuels.7b01636

8. Ganesan S., Chakravarthy S. R. Effect of Acoustic Pressure Oscillations on Burning Rate Augmentation of Composite Solid Propellants at Different Initial Grain Temperatures. Combustion Science and Technology. 2023. https://doi.org/10.1080/00102202.2023.2248369

9. Волков В. Т., Ягодников Д. А. Исследование и стендовая отработка ракетных двигателей на твердом топливе. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. 296 с.

10. Пилипенко О. В., Ніколаєв О. Д., Хоряк Н. В., Башлiй, І. Д., Долгополов С. І. Динамічні процеси у твердопаливних ракетних двигунах та їх взаємодія з вібраціями конструкції ракети: стан питання та актуальні проблеми. Технічна механіка. 2023. № 1. C. 3–14. https://doi.org/10.15407/itm2023.01.003

11. Prevost M., Vuillot F., Traineau J. C. Vortex Shedding Driven Oscillations in Subscale Motors for the Ariane 5 MPS P230. 32nd AIAA/ASME/SAB/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Lake Buena Vista, FL. July 1-3, 1996. https://doi.org/10.2514/6.1996-3247

12. Taherinezhad R., Zarepour G. Theoretical, Numerical and Experimental Investigation of Vortex Shedding in a Novel Sub-Scaled Motor. Journal of Applied Fluid Mechanics. 2019. Vol. 12, No. 4. P. 1319–1332.

13. Bhutto A. A., Harijan K., Hussain M., Shah S. F., Kumar L. Numerical Simulation of Transient Combustion and the Acoustic Environment of Obstacle Vortex-Driven Flow. Energies. 2022. 15(16) 6079. 11 p. https://doi.org/10.3390/ en15166079

14. Sanjeev Malhotra. On Combustion Instability in Solid Rocket Motors. Thesis of the dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. California Institute of Technology Pasadena, California. 2004. 122 p. URL: https://thesis.library.caltech.edu/1648/1/thesis.pdf

15. Ferretti V., Favini B., Cavallini E., Serraglia F., Giacinto M. D. Pressure oscillations simulation in P80 SRM ?rst stage VEGA launcher. San Diego. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2011. P. 102–116.

16. Dotson W., Sako B. H. Interaction Between Solid Rocket Motor Internal Flow and Structure During Flight Kirk Journal of Propulsion and Power. 2007. January–February. Vol. 23, No. 1. P. 140–145. https://doi:10.2514/1.20477

17. Глебов Г. А., Высоцкая С. А. К вопросу о проектировании ракетных твердотопливных двигателей с целью исключения неустойчивости рабочего процесса в камере сгорания. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017. № 4. C. 63–72.

18. Zhang Q., Wang N., Li J., Su W., Zhang Y. Effect of the head cavity on pressure oscillation suppression characteristics in large solid rocket motors. Science China. Technological Sciences. 2015. July. Vol. 58, No.7. P. 1250–1262. https://doi: 10.1007/s11431-015-5834-z

19. Kohnke P. Ansys Inc. Theory Manual. 001369. Twelfth Edition. Canonsburg : SAS IP, 2001. 1266 p.

20. Nikolayev O. D., Bashliy I. D. Assessment of thrust chamber stability margins to high-frequency oscillations based on mathematic modeling of coupled ‘injector - rocket combustion chamber’ dynamic system. Technical mechanics. 2022. No 1. P. 3–17. https://doi.org/10.15407/itm2022.01.003

21. Qin W. J, Xie M. Z, Jia M., et al. Large eddy simulation and proper orthogonal decomposition analysis of turbulent flows in a direct injection spark ignition engine: Cyclic variation and effect of valve lift. Science China Technological Sciences. 2014. 57(3). P. 489–504. https://doi:10.1007/s11431-014-5472-x

22. Nicoud F., Ducros F. Subgrid-scale stress modeling based on the square of the velocity gradient tensor. Flow Turbulence and Combustion.1999. 62(3). P. 183–200. https://doi:10.1023/A:1009995426001

Copyright (©) 2023 Ніколаєв О. Д., Башлiй І. Д., Хоряк Н. В., Бондаренко С. Г.

Copyright © 2014-2023 Технічна механіка