Проблема турбулентности и описание внутрикамерных процессов

1.

Балтийский государственный технический
университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Кафедра А-3: Космические аппараты и двигатели
ПРОБЛЕМА ТУРБУЛЕНТНОСТИ И ОПИСАНИЕ
ВНУТРИКАМЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ
Бабук В.А.
Будный Н.Л.
Куклин Д.И.
Низяев А.А.
Санкт-Петербург
2022 г.

2.

Поток продуктов сгорания
Газообразные продукты
сгорания
Конденсированные продукты горения
Высокодисперсный
оксид (ВДОК)
Агломераты
«Нашлепка» окиси
Металл
300 мкм
1 мкм
Рисунок 1 – Визуализация агломератов
(Бабук В.А. и др.)
Рисунок 2 – Визуализация частиц ВДОК
(Бабук В.А., и др.)

3.

Предпосылки исследования
Проектирование
ДУ
Расчет
внутрикамерных
характеристик ДУ
Моделирование
процесса эволюции
Цель исследования:
Определить соотношение между ламинарным и
турбулентным режимами течения в камере сгорания
Содержание
исследования:
Сопоставление экспериментальных и расчетных данных

4.

Процесс эволюции продуктов сгорания
Агломераты
Движение конденсированных
продуктов в потоке газа.
Парофазное горение металла
агломератов
ВДОК
Коагуляция частиц ВДОК
Химическое взаимодействие между
Al и Al2O3 в составе агломератов
Укрупнение частиц ВДОК при их попадании
Формированием газообразных
продуктов и их унос
в области горения агломератов за счет
конденсации на них продуктов горения
Изменение структуры агломератов
Осаждение частиц ВДОК несущей
газовой фазы на поверхности агломератов

5.

Эволюция КПГ
Агломераты
Поток газа
и ВДОК
AL2O3
«Шлейф»
Схлопывание
полостей
«Шлейф»
Парофазное
горение металла
Взаимодействие
между AL и
оксидом
Осаждение крупной
фракции ВДОК
Зона конденсации паров
ВДОК
Конденсация паров
окислов алюминия
Коагуляция
частиц
Рисунок 3 – Схема процесса эволюции КПГ
(Бабук В.А. и др.)

6.

Методика проведения
экспериментов
Установка постоянного давления
Камера
Оптическое окно
Образец топлива
Инертный газ
Рисунок 4 - Схема
визуализации частиц КПГ
(Бабук В.А. и др.)

7.

Численное моделирование
(математическая модель)
Продукты
горения
Газ
Al
Al2O3
Математическая модель:
v x v r v r
0
x
r
r
2 v x 2 v x 1 v x
v x
v x
1 p
vx
vr
2
2
x
r
x
r
r r
x
2 vr 2 vr 1 vr vr
vr
vr
1 p
vx
vr
2
2
2
x
r
r
r
r r r
x

8.

Численное моделирование
(граничные условия)
Продукты
горения
Газ
Al
Al2O3
Граничные условия:
внешний поток: невозмущен;
скорость внешнего потока: равна скорости обдува агломерата;
поверхность капли алюминия: отток газа, направленный по нормали к поверхности;
поверхность оксида: непроницаемая стенка.

9.

Сравнение результатов
(агломераты)
Горения агломерата
Эксперимент
Рисунок 5 – Визуализация процесса эволюции
агломерата
Расчет
Рисунок 6 – Результат расчета обтекания агломерата

10.

Модель горения
металла агломератов
Рисунок - Схема области горения в рамках модели
газофазного горения в металла агломератов

11.

Модель эволюции
агломератов
Охранная трубка
Модель горения металла
агломератов
Продукты
сгорания
Молекулярный
перенос
КПГ
Вещества
Количества
движения
Энергии

12.

Сравнение результатов (агломераты)
Zm
Zm
X,м
X,м
Рисунок 7 – Зависимость доли исходного металла топлива в
составе агломератов - Zm от пространственной координаты.

13.

Обтекание агломератов

14.

Течение в объеме
камеры сгорания
Большое поперечное
сечение камеры
сгорания
Неустойчивость
течения
Возмущение
Перхлорат аммония
Алюминий
Рисунок 8 – Структура твердого
топлива
Турбулентный
режим течения

15.

Модель эволюции
ВДОК
Изменение
дисперсности
ВДОК
Осаждение частиц
на агломераты
Коагуляция
частиц
Укрупнение в
зонах конденсации
Коагуляция
частиц
Турбулентная
Обусловленная
Броуновским
движением
Из-за различной
инерционности
фракций ВДОК

16.

Сравнение результатов
(ВДОК)
Рисунок 9 - Массовые функции плотности распределения частиц ВДОК по
размерам (fm(d)) на выходе из охранной трубки

17.

Течение в объеме
камеры

18.

Заключение
• При обтекании агломератов режим течения близок к ламинарному
• Применительно к течению в объеме камеры сгорания – турбулентному
• Полученные результаты имеют существенное значение для создания
правомерного описания внутрикамерных процессов

19.

Спасибо за внимание!