ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО І СИЛОВОГО ВПЛИВУ НАДЗВУКОВИХ СТРУМЕНІВ РАКЕТ КОСМІЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ НА ГАЗОХІД СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСУ ПРИ РОБОТІ СИСТЕМИ ВОДОПОДАЧІ
Рубрика:
| Мочонов, РО, Сотніченко, ОВ, Іваницький, ГМ, Сало, МП |
| Косм. наука технол. 2020, 26 ;(3):03-19 |
| https://doi.org/10.15407/knit2020.03.003 |
| Мова публікації: Російська |
Анотація: У більшості сучасних стартових комплексів ракет космічного призначення для захисту від оплавлення поверхонь, що зазнають безпосереднього впливу високотемпературних газових струменів, використовуються системи водоподачі. Насьогодні єдиним можливим способом теоретичного дослідження процесів взаємодії надзвукового струменя двигунної установки зі струменями води, що розбризкуються колектором системи водоподачі, є чисельне моделювання. Для дослідження температурного і теплового навантаження поверхонь, що перебувають під впливом надзвукових струменів двигунної установки, було проведено чисельне моделювання газодинамічних процесів, що відбуваються в газоході у момент старту ракети космічного призначення. Розглянуто два варіанти: з подачею води і без неї. За розрахункову модель обрано газохід ракети космічного призначення «Антарес». В основі математичної моделі лежать рівняння динаміки двофазного середовища. При цьому течія газу описується тривимірними рівняннями Нав’є —Стокса, а моделювання крапель води проведено з використанням траєкторного підходу Лагранжа. Дослідження виконувались в комерційному коді ANSYS Fluent. В результаті чисельного експерименту були отримані дані щодо ефективності зниження теплового і силового впливу надзвукових струменів двигунної установки на конструкцію газоходу при використанні системи водоподачі. За підсумками проведених досліджень сформульовано основні рекомендації, які можуть бути корисними при розробці та оптимізації систем водоподачі наземних комплексів ракет космічного призначення.
|
| Ключові слова: Ansys Fluent, випаровування, газовідбивач, надзвуковий струмінь, підхід Лагранжа, система водоподачі, чисельне моделювання |
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.