Отечественный и мировой опыт отработки ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) показал, что у ряда крупногабаритных ракетных двигателей отмечаются значительные колебания давления и тяги на частотах близких к первым модам продольных колебаний газа в камере сгорания (КС).
Проблема снижения амплитуды колебаний давления в камере сгорания крупногабаритных РДТТ, связанная с продольными колебаниями газа, решена частично. Одной из причин, приводящей к увеличению амплитуды колебаний давления в КС, является частотное взаимодействие газодинамических источников вблизи зоны горения. Эти процессы мало изучены, не выявлены условия усиления низкочастотных колебаний при воздействии высокочастотных колебаний в КС, не определено влияние геометрических параметров проточной части КС на передачу акустической энергии в РДТТ.
Рассматриваемое направление исследования — определение условий усиления низкочастотных колебаний при воздействии высокочастотных колебаний в КС РДТТ. Тем не менее, раздельное изучение многофакторных явлений позволяет упростить процесс исследования и существенно повысить понимание физической сущности процессов, протекающих в КС РДТТ.
Исследование нестационарных газодинамических процессов у поверхности горения затруднено. Это связано с достаточно высокой температурой продуктов сгорания в КС РДТТ, сложностью организации процесса измерения, малой толщиной зоны горения и многими другими факторами. Поэтому широкое применение получило экспериментальное моделирование с применением «холодного» газа.
При экспериментальном моделировании условий газодинамического взаимодействия у поверхности «горения» исследуются влияние распределения параметров вдува «холодного» газа, определяющее картину течения по камере, и условие формирования продольной стоячей волны при возникновении продольной акустической неустойчивости. Продувки проточной части КС позволили решить проблему поиска источников притока акустической энергии. Как правило, это частичное моделирование, тем не менее, актуальность подобных исследований очень значима, так как помогает решить проблему продольной акустической неустойчивости через частные задачи.
Математические методы с применением численного моделирования позволили определить особенности течения продуктов сгорания в КС РДТТ, обусловленные существенной неодномерностью, влиянием градиентов давления, сжимаемостью и турбулентностью в потоке. Было сделано предположение о возможности перехода высокочастотных колебаний акустической энергии в КС в продольные колебания газового потока, однако, ни в одной работе не проведены исследования, которые бы позволили выявить условия перехода акустической энергии в газовом потоке. В связи с этим особую актуальность, научное и прикладное значение приобретает разработка экспериментально-теоретического метода определения частотного взаимодействия газодинамических источников и условий перехода акустической энергии с высокочастотных колебаний на продольные акустические колебания газа в КС.
Цель диссертационной работы — разработать методику выявления и структурирования условий перехода энергии с высокочастотных колебаний от газодинамических процессов вблизи зоны горения в энергию продольных колебания газового потока в КС.
Цель исследования определила постановку следующих задач:
1. Исследовать условия усиления низкочастотных колебаний при воздействии высокочастотных колебаний в КС РДТТ.
2. Исследовать влияние пористости материала, формирующего проточную часть канала модельной камеры сгорания РДТТ, на изменение амплитуды продольных колебаниях газового потока.
3. Определить границы применения условия усиления низкочастотных колебаний при воздействии высокочастотных колебаний газа в КС.
4. Разработать алгоритм математического моделирования газодинамического взаимодействия в «С-слое», позволяющий проводить анализ влияния высокочастотных колебаний газовых вихрей на условие усиления амплитуд колебаний давления при продольной акустической неустойчивости в РДТТ.
5. Разработать методику оценки влияния конструктивных элементов КС на возникновение продольной акустической неустойчивости при работе РДТТ, как дополнительных источников притока акустической энергии.
Методика исследования.
Методика экспериментального исследования, основывается на резонансном взаимодействии газодинамического источника в потоке с внешним акустическим полем. Для расчета условий возникновения «С-слоя» и газодинамических процессов, влияющих на амплитудно-частотные характеристики колебания газового столба при продольной акустической неустойчивости, применяется метод крупных частиц.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Впервые установлены границы применения условия усиления низкочастотных колебаний при воздействии высокочастотных колебаний.
2. Впервые разработан и реализован алгоритм математического моделирования формирования «С-слоя», алгоритм учитывает результаты исследований модельных двигателей, полученных на экспериментальной установке «Эхо».
3. Разработана методика влияния конструктивных элементов КС на изменение амплитуды колебаний источника в «С-слое».
Практическая ценность и реализация результатов работы:
1. На основании результатов экспериментальных и теоретических исследований нестационарных газодинамических процессов у поверхности горения были выявлены эффект частотного взаимодействия источников притока акустической энергии и условия перехода энергии высокочастотных колебаний в энергию продольных колебаний газа КС в «С-слое».
2. Проведен анализ влияния конструктивных элементов КС на акустическую неустойчивость при работе РДТТ.
3. Разработана методика оценки влияния конструктивных элементов КС на акустическую неустойчивость при работе РДТТ.
4. Разработаны практические рекомендации по снижению амплитуды продольных колебаний в КС РДТТ.
Достоверность результатов обеспечивается использованием апробированных методов исследования, применением поверенных стандартных измерительных приборов и оборудования, подтверждается согласованием результатов математического моделирования формирования «С-слоя» с результатами, полученными автором в ходе экспериментального исследования на экспериментальной установке «Эхо».
На защиту выносится:
1. Результаты исследований условия усиления низкочастотных колебаний при воздействии высокочастотных колебаний в камере сгорания РДТТ.
2. Резонансная методика исследований газодинамического источника в потоке.
3. Результаты влияния пористости материала, формирующего проточную часть канала модельной камеры сгорания РДТТ, на изменение амплитуды продольных колебаниях газового потока.
4. Алгоритм математического моделирования газодинамического взаимодействия в «С-слое», позволяющий проводить анализ влияния высокочастотных колебаний газовых вихрей на условие усиления амплитуд колебаний давления при продольной акустической неустойчивости в РДТТ.
4. Методика оценки влияния конструктивных элементов КС на акустическую неустойчивость при работе РДТТ.
Работа состоит из четырех глав.
В первой главе проведен анализ результатов исследований авторов, о возможности взаимодействия различных источников колебаний газа в КС РДТТ. Первоначально акустическую неустойчивость связывали только с взаимодействием с поверхностью горения (Саммерфильд, 1973; Новожилов, 1973; Зельдович, 1975), разделив при этом неустойчивость работы на акустическую и L-неустойчивость применительно к продольным колебаниям. Исследования по выявлению дополнительного акустического источника в КС РДТТ изложены в работах (Альков Н.Г., 1978; Федоров Б. Н., 1972; Brown R. S., Dunlap R., Young S.W., Wangh R.C., 1982; Awad E., Culick F.E.C., 1984). По результатам анализа состояния исследований определены задачи и структура диссертационной работы.
Приведены характеристики и анализ условий газодинамических взаимодействий, приводящих к усилению акустических колебаний.
Показано, что для выявления условий перехода энергии с высокочастотных колебаний в продольные акустические колебания КС необходимо проведение дополнительных исследований, связанных с изучением перераспределения энергии колебательных процессов в «СI i i слое», как зоны ответственной за возникновение продольной акустической неустойчивости. Выбраны методы исследования.
Во второй главе проведены экспериментально-теоретические исследования условий перехода энергии при возникновении продольной акустической неустойчивости.
В изучении акустической энергии применяется моделирование с помощью «холодного» газа (ВиРРэп, 1967; Пишент, Моффет, 1974; Г. А. ГлебовСальников А. Ф., 1987; Бендерский Б. Я., 2001). Продувки проточной части позволили решить проблему поиска источников притока акустической энергии в КС при обтекании газом ее конструктивных элементов. Исследования проводились на экспериментальной установке на «холодном» газе «Эхо».
Проведены исследования влияния величин диаметра пор и расхода газа через «горящую» поверхность с целью моделирования высокочастотного воздействия. Показано, что при изменении диаметра пор можно управлять только частотным диапазоном источника акустических колебаний, а изменение скорости вдува «холодного» газа в полость КС позволяет управлять амплитудно-частотной характеристикой процесса.
Сущность исследования сводится к амплитудно-частотному подходу процесса формирования газового потока по коэффициентам (ки, кп), а также анализу изменения амплитуд акустических колебаний и колебаний давления в измеряемых точках камеры (Д 1 — переднее днище, Д 2 — середина канала, Д 3 — заднее днище), с выявлением наиболее энерговносящих источников акустических колебаний в колебательном процессе КС. Частотный анализ показал, что вблизи зоны горения твердого топлива в КС РДТТ при взаимодействии продуктов сгорания от боковой поверхности и основного потока, устанавливается продольная стоячая акустическая волна. Данная зона получила название «С-слой» (слой скольжения потока).
Экспериментально подтверждено, что при кратности частот (2п) наблюдается переход энергии высокочастотных радиальных колебаний в энергию продольных колебаний в «С-слое».
Проведен анализ результатов влияния различных конструктивных факторов на амплитуду колебаний давления в КС, в результате которого определен частотный диапазон перехода энергии высокочастотных радиальных колебаний в энергию продольных колебаний в «С-слое» 1.85и-/со5 <2n-fco6 <2A5n-fco6.
В третьей главе проведен анализ и разработан алгоритм математического моделирования условий возникновения «С-слоя». Математические методы позволили определить особенности течения продуктов сгорания в КС РДТТ, обусловленные существенной неодномерностью, влиянием градиентов давления, сжимаемостью и турбулентностью (Белоцерковский О.М., Давыдов Ю. М., 1982; Липанов A.M., 1993; Модорский В .Я., Егоров М. Ю., 2007, Емельянов В. Н., Волков К. Н., 2008). В работе Сальникова Д. А. было сделано предположение о возможности перехода высокочастотных колебаний акустической энергии в КС в продольные колебания газового потока.
Данные исследования явились основой для разработки дополнительного алгоритма расчета «С-слоя» и расчет термодинамических процессов горения, влияющих на амплитудно.
I.
1'к i частотные характеристики колебания газового столба при продольной акустической неустойчивости.
Для исследования влияния высокочастотных колебаний вихрей на условие усиления амплитуд колебаний давления при продольной акустической неустойчивости в РДТТ используется двумерная постановка осесимметричной задачи течения газа по проточной части канала с газоприходом от горящей поверхности. Математическая модель базируется на модели, описываемой уравнениями Навье-Стокса. Для решения данной задачи используется метод крупных частиц.
Связь перехода энергии осуществляется посредством изменения энергии массоприхода с поверхности твердого топлива по «С-слою», что позволяет через локализацию колебаний элементов массы получить продольную стоячую волну в исследуемом слое.
Анализ показал, что твердая фаза тормозит поток, тем самым происходит процесс гашения высокочастотных колебаний в камере сгорания ракетного двигателя на твердом топливе, но одновременно с этим происходит утолщение «С-слоя», который в свою очередь провоцирует возникновение и рост колебаний, за счет формирования массово-инерционных сил конденсированной фазы и турбулентности потока. Массово-инерционные силы конденсированной фазы способствуют раскачке газа, работая, как мембрана при продольной акустической неустойчивости. Погрешность расчетов численного метода относительно продувки «холодным» газом по частоте составила < 2% в зависимости от моды. Используемый алгоритм моделирования газодинамических процессов в КС достаточно близко описывает возможность возникновения продольной акустической неустойчивости ч < работы ракетного двигателя на твердом топливе при определенных условиях.
В четвертой главе разработана методика оценки влияния конструктивных элементов КС на возникновение продольной акустической неустойчивости при работе РДТТ, как дополнительных источников притока акустической энергии.
Приведены результаты исследований с варьированием как условий газоприхода, так и иного предполагаемого источника акустической энергии при его взаимодействии с газовым потоком.
Показано, что толщина «С-слоя» в значительной мере определяет возможность усиления акустических колебаний в камере РДТТ, является определенным инструментом в возможности управления процессом притока акустической энергии при продольной акустической неустойчивости.
Проведен частотный анализ возникновения продольной акустической неустойчивости при различных конструктивных особенностях проточной части КС, который позволяет определить как частоту, так и участок КС с наибольшим коэффициентом усиления колебаний. Согласование результатов частотного и спектрального анализов подтверждается.
Условия перехода энергии с высокочастотных колебаний на частоты собственных продольных колебаний газового столба в «С-слое» позволяют объяснить условия перестройки колебательных процессов в КС РДТТ.
В конце каждой главы сделаны выводы.
В заключение работы приведены основные результаты и выводы по диссертации. I.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.
1. На экспериментальной установке «Эхо» с применением метода частотной модуляции были выявлены эффект частотного взаимодействия источников притока акустической энергии и условие перехода энергии высокочастотных колебаний в энергию продольных колебаний газа КС РДТТ.
2. Исследовано влияние пористости материала, формирующего проточную часть канала модельной камеры сгорания РДТТ, на изменение амплитуды продольных колебаниях газового потока.
3. Установлены границы применения условия усиления низкочастотных колебаний при воздействии высокочастотных колебаний.
4. Разработан алгоритм математического моделирования газодинамического взаимодействия в «С-слое», позволяющий проводить анализ влияния высокочастотных колебаний газовых вихрей на условие усиления амплитуд колебаний давления при продольной акустической неустойчивости в РДТТ.
5. Разработана методика оценки влияния конструктивных элементов КС на возникновение продольной акустической неустойчивости при работе РДТТ, как дополнительных источников притока акустической энергии.
