ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО И СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕРХЗВУКОВЫХ СТРУЙ РАКЕТ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ГАЗОХОД СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСА ПРИ РАБОТЕ СИСТЕМЫ ВОДОПОДАЧИ
Рубрика:
| Мочёнов, РА, Сотниченко, АВ, Иваницкий, ГМ, Сало, МП |
| Косм. наука технол. 2020, 26 ;(3):03-19 |
| https://doi.org/10.15407/knit2020.03.003 |
| Язык публикации: Русский |
Аннотация: В большинстве современных стартовых комплексов ракет космического назначения для защиты от оплавления поверхностей, испытывающих непосредственное воздействие высокотемпературных газовых струй, используются системы водоподачи. На сегодняшний день единственным возможным способом теоретического исследования процессов взаимодействия сверхзвуковой струи двигательной установки со струями воды, испускаемыми коллектором системы водоподачи, является численное моделирование. Для исследования температурного и силового нагружения поверхностей, находящихся под воздействием сверхзвуковых струй двигательной установки, было проведено численное моделирование газодинамических процессов, происходящих в газоходе в момент старта ракеты космического назначения. Были рассмотрены два варианта: с подачей воды и без неё. В качестве расчётной модели был выбран газоход ракеты космического назначения «Антарес». В основе математической модели лежат уравнения динамики двухфазной среды. При этом течение газа описывается
трёхмерными уравнениями Навье — Стокса, а моделирование капель воды проведено с использованием траекторного подхода Лагранжа. Исследования выполнены в коммерческом коде ANSYS Fluent. В результате численного эксперимента были получены данные относительно эффективности снижения теплового и силового воздействия сверхзвуковых струй двигательной установки на конструкцию газохода при использовании системы водоподачи. По итогам проведённых исследований сформулированы основные рекомендации, которые могут быть полезными при разработке и оптимизации систем водоподачи наземных комплексов ракет космического назначения. |
| Ключевые слова: Ansys Fluent, газоотражатель, испарение, подход Лагранжа, сверхзвуковая струя, система водоподачи, численное моделирование |
References:
1. Дегтярь В. Г., Меркулов Е. С., Сафронов А. В., Хлыбов В. И. Результаты расчётно-экспериментальных исследований газодинамических процессов при взаимодействии многоблочных струй ракетных двигателей с газоотражателем стартового сооружения. Космонавтика и ракетостроение. 2013. Вып. 1 (70).
2. Зюзликов В. П., Синильщиков Б. Е., Синильщиков В. Б., Ракитская М. В. Газодинамические процессы в газоходе стартового комплекса малого заглубления для ракет космического назначения лёгкого класса. Исслед. наукограда. 2017. 22, № 4. С. 166—174.
3. Кудимов Н. Ф., Сафронов А. В., Третьякова О. Н. Численное моделирование взаимодействия многоблочных сверхзвуковых турбулентных струй с преградой. Тр. МАИ. 2013. № 70. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=44440 (дата звернення 09.09.2019).
4. Сафрон ов А. В. О применимости моделей турбулентной вязкости для расчета сверхзвуковых струйных течений. Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2012. 13, вып. № 1. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2012-13-1/articles/305/ (дата звернення 09.09.2019).
5. Синильщиков Б. Е, Синильщиков В. Б. Исследование термосилового нагружения газоотражателей стартовых комплексов при работе систем водоподачи. Исслед. наукограда. 2017. 20, № 2. C. 61—71.
2. Зюзликов В. П., Синильщиков Б. Е., Синильщиков В. Б., Ракитская М. В. Газодинамические процессы в газоходе стартового комплекса малого заглубления для ракет космического назначения лёгкого класса. Исслед. наукограда. 2017. 22, № 4. С. 166—174.
3. Кудимов Н. Ф., Сафронов А. В., Третьякова О. Н. Численное моделирование взаимодействия многоблочных сверхзвуковых турбулентных струй с преградой. Тр. МАИ. 2013. № 70. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=44440 (дата звернення 09.09.2019).
4. Сафрон ов А. В. О применимости моделей турбулентной вязкости для расчета сверхзвуковых струйных течений. Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2012. 13, вып. № 1. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2012-13-1/articles/305/ (дата звернення 09.09.2019).
5. Синильщиков Б. Е, Синильщиков В. Б. Исследование термосилового нагружения газоотражателей стартовых комплексов при работе систем водоподачи. Исслед. наукограда. 2017. 20, № 2. C. 61—71.
6. Beale J. C., Reitz R. D. (1999). Modeling spray atomization with the Kelvin-Helmholtz/Rayleigh-Taylor hybrid model. Atomization and Sprays, 9, 623—650.
7. Dupays J., Wey S., Fabignom Y. (2001). Steady and unsteady reactive two-phase computations in solid rocket motors with Eulerian and Lagrangian approaches. AIAA Paper 2001-3871.
8. Gosman A. D., Ioannides E. (1983). Aspects of computer simulation of liquid-fuelled combustors. J. Energy, 7(6), 482—490.
9. Kenzakowski D. C. (2004). Turbulence modeling improvements for jet noise prediction using PIV datasets. AIAA-2004-2978 (10th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference and Exhibit), 10—13, (2004).
10. Krothapalli A., Venkatakrishnan L., Lourenco L., Greska B., Elavarasan R. (2003). Turbulence and noise suppression of a high-speed jet by water injection. J. Fluid Mechanics, 491, 131—159.
11. Kuo K. K. Y. (1986). Principles of Combustion. New York: John Wiley and Sons.
12. Lamb H. (1945). Hydrodynamics, Sixth Edition. New York: Dover Publications.
13. Levich V. G. (1962). Physicochemical Hydrodynamics. Prentice Hall.
14. Liu A. B., Mather D., Reitz R. D. (1993). Modeling the effects of drop drag and breakup on fuel sprays. SAE Tech. Pap. 930072.
15. Menter F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA J., 32(8), 1598-1605.
16. Miller R. S., Harstad K., Bellan J. (1998). Evaluation of equilibrium and non-equilibrium evaporation models for many droplet gas-liquid flow simulations. Int. J. Multiphase Flow, 24(6), 1025—1055.
17. Norum T. D. (2004). Reductions in multi-component jet noise by water injection. AIAA-2004-2976 (10ih AIAA ICEAS Aeroacoustics Conference, Manchester, Great Britain, May 2004).
18. O’Rourke P. J. (1981). Collective drop effects on vaporizing liquid sprays: PhD thesis. Princeton, New Jersey: Princeton University.
19. Osipov V., Khasin M., Hafiychuk H., Muratov C., Watson M., Smelyanski V. (2015). Mitigation of solid booster ignition over pressure by water aerosol sprays. AIAA Early Edition, 52(3).
7. Dupays J., Wey S., Fabignom Y. (2001). Steady and unsteady reactive two-phase computations in solid rocket motors with Eulerian and Lagrangian approaches. AIAA Paper 2001-3871.
8. Gosman A. D., Ioannides E. (1983). Aspects of computer simulation of liquid-fuelled combustors. J. Energy, 7(6), 482—490.
9. Kenzakowski D. C. (2004). Turbulence modeling improvements for jet noise prediction using PIV datasets. AIAA-2004-2978 (10th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference and Exhibit), 10—13, (2004).
10. Krothapalli A., Venkatakrishnan L., Lourenco L., Greska B., Elavarasan R. (2003). Turbulence and noise suppression of a high-speed jet by water injection. J. Fluid Mechanics, 491, 131—159.
11. Kuo K. K. Y. (1986). Principles of Combustion. New York: John Wiley and Sons.
12. Lamb H. (1945). Hydrodynamics, Sixth Edition. New York: Dover Publications.
13. Levich V. G. (1962). Physicochemical Hydrodynamics. Prentice Hall.
14. Liu A. B., Mather D., Reitz R. D. (1993). Modeling the effects of drop drag and breakup on fuel sprays. SAE Tech. Pap. 930072.
15. Menter F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA J., 32(8), 1598-1605.
16. Miller R. S., Harstad K., Bellan J. (1998). Evaluation of equilibrium and non-equilibrium evaporation models for many droplet gas-liquid flow simulations. Int. J. Multiphase Flow, 24(6), 1025—1055.
17. Norum T. D. (2004). Reductions in multi-component jet noise by water injection. AIAA-2004-2976 (10ih AIAA ICEAS Aeroacoustics Conference, Manchester, Great Britain, May 2004).
18. O’Rourke P. J. (1981). Collective drop effects on vaporizing liquid sprays: PhD thesis. Princeton, New Jersey: Princeton University.
19. Osipov V., Khasin M., Hafiychuk H., Muratov C., Watson M., Smelyanski V. (2015). Mitigation of solid booster ignition over pressure by water aerosol sprays. AIAA Early Edition, 52(3).
20. Patterson M. A., Reitz R. D. (1998). Modeling the effects of fuel spray characteristics on Diesel engine combustion and emission. SAE Paper 980131.
21. Pierre G., Philippe F., Laurent G. (1999). Simulation of water injection into a rocket motor plume [M]. 35-th Joint Propulsion Conference and Exhibit. AIAA.
22. Ranz W. E., Marshall W. R., Jr. (1952). Vaporation from drops. Part I. Chem. Eng. Prog., 48(3), 141—146.
23. Ranz W. E. Marshall W. R., Jr. (1952). Evaporation from drops. Part I and Part II. Chem. Eng. Prog., 48(4), 173—180.
24. Reitz R. D. (1987). Mechanisms of atomization processes in high-pressure vaporizing sprays. Atomization and Spray Technol., 3, 309—337.
25. Sazhin S. S. (2006). Advanced models of fuel droplet heating and evaporation. Progr. in Energy and Combustion Sci., 32, 162—214.
26. Taylor G. I. (1963). The shape and acceleration of a drop in a high speed air stream. Technical Report. Sci. Pap. of G. I. Taylor. G. K. Batchelor (ed.).
27. Vu B. T., Bachchany N., Peroomianz O., Akdagx V. (2013). Multiphase modeling of water injection on flame deflector. AIAA Paper 2013—25922. (1st AIAA Computational Fluid Dynamics Conference).
28. Woo J., Jones J. H., Guest S. H. (1982). Study of the effects of water addition on supersonic gas streams. JANNAF (13th Plume Technology Meeting). Houston, TX, CPIA Publ., 225—232.
29. Zoppellan E., Juve D. (1997). Reduction of jet noise by water injection. AIAA-97-1622.
30. Zoppellari E., Juve D. (1998). Reduction of hot jet noise by water injection. AIAA-98-2204.
21. Pierre G., Philippe F., Laurent G. (1999). Simulation of water injection into a rocket motor plume [M]. 35-th Joint Propulsion Conference and Exhibit. AIAA.
22. Ranz W. E., Marshall W. R., Jr. (1952). Vaporation from drops. Part I. Chem. Eng. Prog., 48(3), 141—146.
23. Ranz W. E. Marshall W. R., Jr. (1952). Evaporation from drops. Part I and Part II. Chem. Eng. Prog., 48(4), 173—180.
24. Reitz R. D. (1987). Mechanisms of atomization processes in high-pressure vaporizing sprays. Atomization and Spray Technol., 3, 309—337.
25. Sazhin S. S. (2006). Advanced models of fuel droplet heating and evaporation. Progr. in Energy and Combustion Sci., 32, 162—214.
26. Taylor G. I. (1963). The shape and acceleration of a drop in a high speed air stream. Technical Report. Sci. Pap. of G. I. Taylor. G. K. Batchelor (ed.).
27. Vu B. T., Bachchany N., Peroomianz O., Akdagx V. (2013). Multiphase modeling of water injection on flame deflector. AIAA Paper 2013—25922. (1st AIAA Computational Fluid Dynamics Conference).
28. Woo J., Jones J. H., Guest S. H. (1982). Study of the effects of water addition on supersonic gas streams. JANNAF (13th Plume Technology Meeting). Houston, TX, CPIA Publ., 225—232.
29. Zoppellan E., Juve D. (1997). Reduction of jet noise by water injection. AIAA-97-1622.
30. Zoppellari E., Juve D. (1998). Reduction of hot jet noise by water injection. AIAA-98-2204.