Моделирование влияния размера инертных частиц на характер течения в камере сгорания и газодинамические потери в РДТТ классической схемы

Авторы

Нигматуллин Б. Д.^*, Сабирзянов А. Н.^**

Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева – КАИ, Казань, Россия

*e-mail: bnigmatullin@internet.ru
**e-mail: ansabirzyanov@kai.ru

Аннотация

Исследовалось влияние монодисперсного течения на газодинамические потери в камере сгорания и горловине сопла ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) классической схемы, моделирование осуществлялось в осесимметричной и трехмерной постановках. Моделировались течения с частицами размером 2, 10 и 50 мкм, массовая доля которых составляла 4,625%. Использовался подход, основанный на решении осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса с применением двухпараметрических моделей турбулентности k–ε RNG и k–ω SST в квазистационарном приближении. Представлены характерные профили скорости и концентрации в камере сгорания, минимальном сечении, а также потери скорости двухфазного потока на срезе сопла в зависимости от размера инертных частиц и применяемых моделей турбулентности. Показаны немонотонность газодинамических потерь и характерная зависимость коэффициентов расхода и сопла от размера частиц двухфазного потока. Представлены влияние двухфазного течения на расположение поверхности критического перепада давления в горловине сопла и различие между решениями задачи для двухфазного потока в ракетном двигателе твердого топлива в осесимметричной и трехмерной постановке.

Ключевые слова:

ракетный двигатель твердого топлива, металлизированные твердые ракетные топлива, двухфазное течение, профиль скорости в канальном заряде, коэффициент расхода сопла, коэффициент сопла

Список источников

1. Липанов А.М. (ред.) Твердые топлива реактивных двигателей. Т. IV. Топлива. Заряды. Двигатели. М.: Машиностроение, 2011. 380 с.
2.  Глушко В.П. (ред.). Теория ракетных двигателей. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1980. 533 с.
3.  Шишков А.А., Панин С.Д., Румянцев Б.В. Рабочие процессы в ракетных двигателях твердого топлива: Справочник. Москва: Машиностроение, 1989. 240 с.
4.  Li X., Zhang H., Bai B. Particle-free zone of the two-phase flow in a convergent-divergent nozzle // Powder Technology. 2021. Vol. 394, pp. 1169–1177. DOI: 10.1016/j.powtec.2021.09.055
5.  Maochang D., Xijun Yu, Chen D., et al. Numerical Simulation of Gas-Particle Two-Phase Flow in a Nozzle with DG Method // Discrete Dynamics in Nature and Society. 2019. Vol. 2019. No. 1783, pp. 1-12. DOI: 10.1155/2019/7060481
6.  Li Z., Wang N., Shi B., et al. Effects of particle size on two-phase flow loss in aluminized solid rocket motors // Acta Astronautica. 2019. Vol. 159, pp. 33-40. DOI: 10.1016/j.actaastro.2019.03.022
7.  Ding S., Hu H., Wang Q. Drag force and heat transfer characteristics of deformable alumina droplets in compressible flows // Physics of Fluids. 2024. Vol. 36. No. 3: 036106. DOI: 10.1063/5.0187738
8.  Бушланов В.П., Бутов В.Г., Глазунов А.А. Численное исследование полидисперсных двухфазных течений в осесимметричном сопле Лаваля с учетом силы Магнуса, действующей на вращающиеся капли // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2024. № 88. С. 66–78. DOI: 10.17223/19988621/88/6
9.  Ворожейкина Д.А., Еремин И.В., Костюшин К.В. Расчет квазиодномерного полидисперсного двухфазного течения в соплах // Известия вузов. Физика. 2013. Т. 56. № 9-3. С. 46-48.
10.  Xin H., Wang K., Ren H., et al. Comparative Study on Combustion Behavior of Aluminum-Based Alloy Fuels and Aluminum Powder in Solid Propellants // Metals. 2023. Vol. 13. No. 8:1492. DOI: 10.3390/met13081492
11.  Fukuchi A. Effect of aluminum particle size on agglomeration size and burning rate of composite propellant // Journal of Thermal Science and Technology. 2022. Vol. 17. No. 1:21-00346. DOI: 10.1299/jtst.21-00346
12.  Tu Ch., Chen X., Chen F., et al. Effect of Al and AP particle sizes on the condensed combustion products characteristics of aluminized NEPE propellants // Scientific Reports. 2024. Vol. 14. No. 1. DOI: 10.1038/s41598-024-70168-1
13.  Zhu M., Chen X., Zhou C., et al. Numerical Study of Micron Scale Aluminum Particle Combustion in an Afterburner Using Two Way Coupling CFD–DEM Approach // Flow, Turbulance and Combustion. 2020. Vol. 105. No. 6, pp. 191-212. DOI: 10.1007/s10494-019-00104-1
14.  Шайдулин Р.А., Сабирзянов А.Н. Влияние взаимодействия продуктов сгорания с продуктами разложения резиноподобного теплозащитного материала в объеме камеры сгорания РДТТ на коэффициенты расхода и сопла // Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 3. С. 158-168. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=182570
15.  Емельянов В.Н., Якимова И.В. Двухфазные течения в околосопловом пространстве установок на твердом топливе // Химическая физика и мезоскопия. 2006. Т. 8. № 3. С. 287-294.
16.  Арсентьева М.В. Исследование течения двухфазного газового потока в предсопловой области энергетической установки // Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. № 11. С. 75-80.
17.  Силин Н.А. (ред.). Теплофизические свойства компонентов горючих систем: Справочник. М.: НПО «Информ ТЭИ», 1992. 184 с.
18.  Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Газовая динамика сопел. М.: Наука, 1990. 368 с.
19.  Райзберг Б.А. (ред.). Основы теории рабочих процессов в ракетных системах на твердом топливе. М.: Машиностроение, 1972. 384 с.
20.  Сабирзянов А.Н., Хаматнурова Ч.Б., Кузьмин В.В. Газодинамические потери в проточной части канального заряда ракетного двигателя твердого топлива // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2022. Т. 21. № 3. С. 47-57. DOI: 10.18287/2541-7533-2022-21-3-47-57