1.4. Моделирование рабочих процессов в рдтт

Основные элементы РДТТ находятся в непосредственном контакте, скреплены друг с другом, они обтекаются высокотемпературным пото­ком продуктов сгорания твердого топлива при большом давлении.

Математические модели рабочих процессов в РДТТ позволяют вы­полнить:

1. термодинамический расчет параметров продуктов сгорания твер­дого топлива;

1. расчет поверхности горения заряда;

2. определение скорости горения твердого топлива;

2. определение состава и размеров частиц конденсированной фазы на поверхности горения;

3. расчеты установившихся течений идеального газа и смеси газа и частиц конденсированной фазы на различных участках тракта двигателя: в канале заряда твердого топлива, в предсопловом объеме, в до-, транс- и сверхзвуковой частях соплового блока, включая устройства создания управляющих усилий; оценку параметров выпадения частиц;

6) расчеты нестационарных течений в РДТТ при выходе на режим и отсечке тяги;

7) расчеты вязкого течения и процессов тепломассообмена в двигателе; определение режимов и параметров отрывного обтекания элементов;

8) расчеты уноса материалов тракта из-за воздействия газовой фазы рабочего тела и при соударении с потоком частиц конденсированнойфазы;

9) расчеты напряженно-деформированного состояния элементов РДТТ.

Реализация математического моделирования возможна вычислительной системой, являющейся подсистемой САПР РДТТ.

На низших уровнях проектирования в задачах анализа окончательно выбранной конструкции РДТТ необходимо выполнить большой объем вычислений при прямом моделировании процессов с высокой точностью; при этом специалисты по сути дела выполняют вычислительный эксперимент. Здесь применима концепция пакета прикладных программ (ППП).

Такой пакет приведен в работе [2], и с его помощью можно органи­зовать цикл вычислений одно- и двухфазных течений в соплах, значения импульса и потерь из-за трения, рассеяния и химической неравновесности. Пакет содержит набор модулей для выполнения расчетов значений тре­буемых параметров, базу данных по свойствам индивидуальных веществ, а также ряд сервисных программ.

Вычисление удельного импульса, состава и переносных свойств про­дуктов сгорания металлизированных топлив можно реализовать ППП работы [25]. Этот пакет также содержит набор расчетных и сервисных модулей, базу данных по свойствам индивидуальных веществ.

Параметры газовой динамики и пограничного слоя в энергетических установках могут быть вычислены с помощью ППП ГАММА [21], ос­нованного на модульном принципе составления программы.

Проблемно-ориентированный и программный комплекс для мате­матического моделирования газодинамических процессов в системе по­лостей, содержащих продукты сгорания твердого топлива, предусматри­вает (ДАН, т.293, № 1, 1987, с. 33-37):

1. разбиение свободного объема на характерные; из 25 характерных объемов одновременно можно использовать до пяти. Конфигурация сво­бодного объема задается с помощью специального языка воспроизведе­ния геометрических форм;

2. решение для выделенных характерных объемов одной и той же системы уравнений, например n+8 уравнений осесимметричного тече­ния смеси п сортов идеального газа с частицами одинакового размера;

3. использование алгоритма распада разрыва для сопряжения двух характерных объемов, имеющих общую границу. В итоге параметры в каждом из характерных объемов в пределах одного шага интегрирова­ния рассматриваются независимо.

Моделирование процессов термогазодинамики и тепломассообмена в РДТТ сложными алгоритмами требует устройств представления в ЭВМ геометрии тракта, толщин элементов для автоматизированной подготов­ки специальными программами разностных сеток и сеток конечных эле­ментов.

Другая группа блоков содержит менее точные, но быстрые алгорит­мы (например, различные регрессионные соотношения), которые приме­няют для вычисления параметров рабочих процессов на высших уровнях проектирования и формирования требований технического задания для подсистем низшего уровня. Процесс проектирования на высших уровнях происходит в интерактивном режиме общения проектировщиков и спе­циалистов с ЭВМ; его реализация требует набора периферийных ус­тройств вычислительной техники, позволяющего организовать алфавит­но-цифровой и графический диалог с ЭВМ.

При математическом моделировании "быстрые" алгоритмы обычно используются на этапе синтеза РДТТ в условиях некоторой неопределен­ности работоспособности конструктивных нововведений, свойств мате­риалов, режимов многофазного течения и его воздействия на мате­риалы стенок.

Из большой размерности вектора проектных параметров, подлежа­щего анализу и определению как наилучшего, а также вектора физичес­ких характеристик и формализованного вектора ограничений вытекает необходимость декомпозиции и создания иерархической структуры про­ектируемой ракеты. Так, вектор проектных параметров РДТТ уже вы­бранной схемы (рис. 1.17) содержит десятки компонент:

X=(D,d_K,d,d_K1d_п,l₃,l_,l,l,L, y(x),,M,m,n…),

Где ,M — толщины и мар­ки материалов -го слоя /-го участка тракта; т, п — число . участков и слоев.

Рис. 1.17. Геометрические проект­ные параметры РДТТ.

Иерархия подразумевает подчинение одних элементов ракеты дру­гим, ранжирование системы на уровни и дает возможность распаралле­лить процесс анализа и принятия решений на разных уровнях. Ракета есть система высшего уровня, а двигатели представляют собой элементы си­стемы. В свою очередь, двигатель есть система по отношению к корпусу, заряду, сопловому блоку, которые являются системами по отношению к конструктивным элементам. Входом в систему каждого уровня являют­ся технические задания, выходом служат значения компонент вектора проектных параметров; процессором являются конструкторы, техно­логи и специалисты в области газодинамики, тепломассообмена и проч­ности ^вместе с ЭВМ). Проектирование обычно проводится методом по­следовательных приближений. При этом необходимо учитывать непо­средственную взаимозависимость конструктивных элементов РДТТ, неточность сведений о параметрах многофазного рабочего тела и режи­мах течения в некоторых областях, о механизмах воздействия таких по­токов на стенки отдельных участков тракта, а также о характеристиках новых конструкционных и теплозащитных материалов в конкретных ус­ловиях. Особые проблемы возникают в случае применения нового твер­дого топлива вследствие всестороннего влияния его характеристик и свойств на энергомассовое совершенство РДТТ (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Влияние характеристик топлива на элементы РДТТ.

Процессы образования многофазной смеси при горении металлизи­рованных смесевых твердых топлив и ее последующего течения в канале заряда, предсопловом объеме, застойных зонах, на различных участках сопла почти не поддаются физическому моделированию. Сложность ра­бочих процессов и наличие трудноучитываемых факторов заставляют проводить агрегатные и огневые стендовые испытания РДТТ.