Перехідні газодинамічні процеси при витіканні з ємностей та їх моделювання - Автореферат

Для деяких пристроїв перехідний режим роботи є основним, наприклад, при витіканні повітря з відсіків ракети-носія в польоті, коли параметри повітря у відсіках постійно змінюються від атмосферних умов практично до вакууму. Для теоретичного дослідження перехідних газодинамічних процесів в ємностях використовуються математичні моделі різного ступеня складності. Робота виконувалась в рамках досліджень, що проводились в Інституті технічної механіки НАН України і НКА України за фундаментальними науково-дослідними темами 1.3.2.30 "Дослідження термогазодинамічних процесів і параметрів течії газу в замкнутих обємах і каналах складного профілю" (номер держреєстрації 01949991881, затверджена Вченою радою інституту на 1991-1995 роки, протокол № 18 від 25.09.1990), 1.3.2.212 "Експериментальні та теоретичні дослідження течій газу в магістралях складного профілю при наявності газофазних перетворень і твердих частинок" (номер держреєстрації 0196U009397, затверджена постановою Бюро Відділення механіки НАНУ на 1996-2000 роки, протокол № 6 від 07.12.1995), 1.3.2.270 "Дослідження впливу міжфазної взаємодії на параметри термогазодинамічних процесів в технологічних та ракетно-космічних системах" (номер держреєстрації 0101U001502, затверджена постановою Бюро Відділення механіки НАНУ на 2001-2005 роки, протокол № 5 від 22.12.2000). визначення порядку величини членів рівнянь для перехідних газодинамічних процесів в ємностях, що дозволяє, відкидаючи члени малого порядку, обґрунтувати застосовність спрощених рівнянь; На основі оцінки порядку величини членів рівнянь, що представляють собою баланси маси, імпульсу і енергії для ємності і, на відміну від їх диференціального представлення, містять граничні умови, та результатів чисельних розрахунків з використанням моделі з розподіленими параметрами визначено у загальному виді рівень хвильових процесів при витіканні з ємностей та одержано безрозмірні комплекси з визначальних параметрів, які дозволяють обґрунтовувати вибір математичних моделей (із середньообємними чи розподіленими параметрами) для перехідних газодинамічних процесів при витіканні з ємностей технічних пристроїв.Проведенний аналіз показав необхідність обґрунтування вибору математичних моделей на основі визначення порядку величини членів рівнянь при перехідних газодинамічних процесах в ємностях технічних пристроїв та проведення досліджень перехідних процесів з урахуванням немиттєвого розриву мембрани в критичному перетині сопла, зростання тиску у КЗ ракетного двигуна, способів подачі компонентів палива в КЗ керуючого ракетного двигуна малої тяги та їх наступного розпилення, руху, випаровування, змішування і горіння при великій зміні обємної концентрації рідкої фази. Тут - час спорожнення ємності, у якості якого прийнято час, при якому тиск падає до величини = 0,02 ( - початковий тиск у ємності), - площа поперечного перетину ємності. Із рисунка, зокрема, випливає, що для вирівнювання тиску в ємності необхідно приблизно десятикратний пробіг хвиль вздовж ємності, після чого хвильові процеси практично припиняються і можна використовувати модель із середньообємними параметрами. Слід відзначити, що обезрозмірені початкові умови для газу, які входять в систему (2), часто використовуються при дослідженні ударно-хвильових процесів при витіканні з ємностей, наприклад, у роботі Ляхова В.Н., Підлобного В.В. і Титаренка В.В., де вони називаються параметрами, що визначають задачу. Виходячи з проведених оцінок часу протікання хвильових процесів і порядку величини членів рівнянь далі в роботі розглядаються класи задач із рівнем складності, що збільшується: задачі, які засновані на використанні математичної моделі із середньообємними параметрами (розділ 3), задачі із застосуванням моделі ідеального газу з розподіленими параметрами для ударно-хвильових процесів (розділ 4) і задачі з використанням моделі з розподіленими параметрами для двохфазних течій (розділ 5).

Основний зміст роботи

1. Запропонована методика обґрунтування застосовуваності спрощених моделей для розвязування технічних задач шляхом оцінки порядку величини членів рівнянь, що представляють собою баланси маси, імпульсу і енергії для ємності із вхідним і вихідним отворами. При цьому у безрозмірні коефіцієнти при членах рівнянь, на відміну від їх аналізу у диференціальній формі, входять, окрім критеріїв подібності, початкові і граничні умови, геометричні параметри ємності. Такий підхід зручний для перехідних процесів, оскільки перераховані величини визначають зміну параметрів газу в ємності під час протікання перехідного процесу.

2. Визначено критерії вибору математичних моделей із середньообємними чи розподіленими параметрами на основі одержаної залежності кількості відбитих хвиль і часу протікання хвильових процесів від відносної площі вихідного отвору при спорожнюванні циліндричної ємності із надкритичним режимом витікання і при миттєвому розкритті отвору в ємності.

3. Розроблено методики і програми розрахунку та проведено дослідження перехідних газодинамічних процесів при витіканні з пристроїв ракетно-космічної техніки з урахуванням впливу різних факторів: - процесів витікання повітря з відсіків ракети-носія при її польоті з урахуванням роботи зворотних клапанів у вихідних отворах при несиметричному обтіканні ракети;

- газодинамічних параметрів у пусковому контейнері при газовому катапультуванні ракети-носія „Дніпро” підвищеної довжини і маси;

- газової амортизації приладового блоку пенетратора, призначеного для занурення у ґрунт Марсу з метою його зондування, для обґрунтування вибору параметрів системи, що забезпечують задане значення перевантажень, що діють на приладовий блок пенетратора;

- впливу ударно-хвильових навантажень на надзвукове сопло при його запуску в газовідвідному каналі з урахуванням немиттєвого розриву мембрани і зміни зазору між соплом і каналом.

4. Розроблено алгоритм і програму спрощеного чисельного розрахунку нестаціонарних процесів у камері згоряння і соплі керуючого ракетного двигуна малої тяги у двовимірній постановці з урахуванням конструктивних особливостей, розпилення, руху, випаровування рідких компонентів палива і їх взаємодії з газоподібним середовищем при значній зміні обємної концентрації рідкої фази з використанням експериментальної залежності працездатності продуктів згоряння від співвідношення компонентів палива.

6. Ряд розрахункових програм і результатів досліджень передані в ДКБ „Південне” (м. Дніпропетровськ) і НВО ім. С.О. Лавочкіна (м. Москва).

Основні публікації за темою дисертації

1. Тимошенко В.И., Кнышенко Ю.В., Дегтяренко В.И. Математическая модель газодинамических процессов в системе гидравлически связанных емкостей // Техническая механика. - 1997. - Вып. 5. - С. 3-9.

2. Логачев П.П., Дегтяренко В.И. Газодинамические нагрузки при нестационарном истечении сверхзвуковой струи в цилиндрическую трубу // Техническая механика. - 1998. - Вып. 7. - C. 115-117.

3. Дегтяренко В.И. Численное исследование влияния градиента набора тяги сопла на развитие ударно-волновых процессов // Техническая механика. - 1998. - Вып. 8. - C. 61-65.

4. Дегтяренко В.И. Определение параметров воздуха в отсеке ракеты на активном участке полета // Техническая механика. - 1999. - № 1. - С. 17-23.

5. Дегтяренко В.И. Волновые газодинамические процессы при запуске ракетного двигателя с учетом немгновенного разрыва мембраны // Техническая механика. - 1999. - № 2. - C. 25-34.

6. Дегтяренко В.И. Условия применимости упрощенных математических моделей для описания нестационарных газодинамических процессов в емкостях // Техническая механика. - 2002. - № 1. - C. 33-42.

7. Дегтяренко В.И. Упрощенная математическая модель нестационарных газодинамических процессов в камерах сгорания двигателей малой тяги // Техническая механика. - 2003. - № 1. - C. 74-81.

8. Логачев П.П., Дегтяренко В.И. Определение нагрузок в период последействия при газовом катапультировании аппаратов // Космич. наука и техника. - Киев: Наукова думка, 1987. - Вып. 2 - С. 36-39.

9. Дегтяренко В.И. Нестационарные газодинамические процессы в емкостях систем ракетной техники // Всеукраїнська наукова конференція „Математичні проблеми технічної механіки”. - Дніпродзержинськ, 2001. - С. 42.