О возможности увеличения удельного импульса тяги детонационной камеры
Представлены некоторые результаты численного моделирования процесса детонации газовых компонентов топлива в камере сгорания импульсного детонационного реактивного двигателя (детонационной камере). Анализ полученных данных позволяет более обоснованно подходить к проблеме выбора способа организации ра...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Техническая механика |
|---|---|
| Дата: | 2010 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2010
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88079 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | О возможности увеличения удельного импульса тяги детонационной камеры / А.Е. Золотько, Н.Д. Коваленко, Ю.И. Мороз // Техническая механика. — 2010. — № 1. — С. 25-32. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-88079 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Золотько, А.Е. Коваленко, Н.Д. Мороз, Ю.И. 2015-11-07T14:57:10Z 2015-11-07T14:57:10Z 2010 О возможности увеличения удельного импульса тяги детонационной камеры / А.Е. Золотько, Н.Д. Коваленко, Ю.И. Мороз // Техническая механика. — 2010. — № 1. — С. 25-32. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1561-9184 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88079 519.63+541.126 Представлены некоторые результаты численного моделирования процесса детонации газовых компонентов топлива в камере сгорания импульсного детонационного реактивного двигателя (детонационной камере). Анализ полученных данных позволяет более обоснованно подходить к проблеме выбора способа организации рабочего процесса в детонационной камере двигателя. Решение указанной проблемы является важным и необходимым этапом на пути создания детонационного двигателя с повышенными характеристиками. Надано деякі результати чисельного моделювання процесу детонації газових компонентів палива у камері згорання імпульсного детонаційного реактивного двигуна (детонаційній камері). Аналіз отриманих даних дозволяє більш обґрунтовано підходити до проблеми вибору способу організації робочого процесу у детонаційній камері двигуна. Розв’язання зазначеної проблеми є важливим та необхідним етапом на шляху створення детонаційного двигуна з підвищеними характеристиками. Some results of a numerical simulation of knocking the propellant gas components in the combustion chamber of the impulse knock rocket engine (the knock chamber) are presented. An analysis of the simulation results obtained makes possible to choose a way of organizing the work process in the engine knock chamber. The solution of this problem is an important and a necessary stage of the knock engine development with higher performance. ru Інститут технічної механіки НАН України і НКА України Техническая механика О возможности увеличения удельного импульса тяги детонационной камеры Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
О возможности увеличения удельного импульса тяги детонационной камеры |
| spellingShingle |
О возможности увеличения удельного импульса тяги детонационной камеры Золотько, А.Е. Коваленко, Н.Д. Мороз, Ю.И. |
| title_short |
О возможности увеличения удельного импульса тяги детонационной камеры |
| title_full |
О возможности увеличения удельного импульса тяги детонационной камеры |
| title_fullStr |
О возможности увеличения удельного импульса тяги детонационной камеры |
| title_full_unstemmed |
О возможности увеличения удельного импульса тяги детонационной камеры |
| title_sort |
о возможности увеличения удельного импульса тяги детонационной камеры |
| author |
Золотько, А.Е. Коваленко, Н.Д. Мороз, Ю.И. |
| author_facet |
Золотько, А.Е. Коваленко, Н.Д. Мороз, Ю.И. |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| container_title |
Техническая механика |
| publisher |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| format |
Article |
| description |
Представлены некоторые результаты численного моделирования процесса детонации газовых компонентов топлива в камере сгорания импульсного детонационного реактивного двигателя (детонационной камере). Анализ полученных данных позволяет более обоснованно подходить к проблеме выбора способа организации рабочего процесса в детонационной камере двигателя. Решение указанной проблемы является важным и необходимым этапом на пути создания детонационного двигателя с повышенными характеристиками.
Надано деякі результати чисельного моделювання процесу детонації газових компонентів палива у камері згорання імпульсного детонаційного реактивного двигуна (детонаційній камері). Аналіз отриманих даних дозволяє більш обґрунтовано підходити до проблеми вибору способу організації робочого процесу у детонаційній камері двигуна. Розв’язання зазначеної проблеми є важливим та необхідним етапом на шляху створення детонаційного двигуна з підвищеними характеристиками.
Some results of a numerical simulation of knocking the propellant gas components in the combustion chamber of the impulse knock rocket engine (the knock chamber) are presented. An analysis of the simulation results obtained makes possible to choose a way of organizing the work process in the engine knock chamber. The solution of this problem is an important and a necessary stage of the knock engine development with higher performance.
|
| issn |
1561-9184 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88079 |
| citation_txt |
О возможности увеличения удельного импульса тяги детонационной камеры / А.Е. Золотько, Н.Д. Коваленко, Ю.И. Мороз // Техническая механика. — 2010. — № 1. — С. 25-32. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT zolotʹkoae ovozmožnostiuveličeniâudelʹnogoimpulʹsatâgidetonacionnoikamery AT kovalenkond ovozmožnostiuveličeniâudelʹnogoimpulʹsatâgidetonacionnoikamery AT morozûi ovozmožnostiuveličeniâudelʹnogoimpulʹsatâgidetonacionnoikamery |
| first_indexed |
2025-11-26T23:32:12Z |
| last_indexed |
2025-11-26T23:32:12Z |
| _version_ |
1850781321161342976 |
| fulltext |
УДК 519.63+541.126
А.Е. ЗОЛОТЬКО, Н.Д. КОВАЛЕНКО, Ю.И. МОРОЗ
О ВОЗМОЖНОСТИ УВЕЛИЧЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ИМПУЛЬСА ТЯГИ
ДЕТОНАЦИОННОЙ КАМЕРЫ
Представлены некоторые результаты численного моделирования процесса детонации газовых ком-
понентов топлива в камере сгорания импульсного детонационного реактивного двигателя (детонационной
камере). Анализ полученных данных позволяет более обоснованно подходить к проблеме выбора способа
организации рабочего процесса в детонационной камере двигателя. Решение указанной проблемы является
важным и необходимым этапом на пути создания детонационного двигателя с повышенными характери-
стиками.
Надано деякі результати чисельного моделювання процесу детонації газових компонентів палива у
камері згорання імпульсного детонаційного реактивного двигуна (детонаційній камері). Аналіз отриманих
даних дозволяє більш обґрунтовано підходити до проблеми вибору способу організації робочого процесу у
детонаційній камері двигуна. Розв’язання зазначеної проблеми є важливим та необхідним етапом на шляху
створення детонаційного двигуна з підвищеними характеристиками.
Some results of a numerical simulation of knocking the propellant gas components in the combustion
chamber of the impulse knock rocket engine (the knock chamber) are presented. An analysis of the simulation
results obtained makes possible to choose a way of organizing the work process in the engine knock chamber. The
solution of this problem is an important and a necessary stage of the knock engine development with higher
performance.
Одной из наиболее трудных и важных проблем, с которыми сталкивают-
ся разработчики детонационных двигателей (ДД), является проблема выбора
способа организации рабочего процесса. Трудность решения этой проблемы
связана со сложным и неоднозначным характером процессов, происходящих
в элементах двигателя. Влияние многочисленных определяющих режимных
факторов и конструктивных параметров на важнейшие характеристики дви-
гателя трудно поддается учету и в значительной степени обусловлено самим
способом организации рабочего процесса. Наиболее естественным представ-
ляется инициирование детонации близкой к стехиометрическому составу то-
пливной смеси во входном сечении детонационной камеры (ДК). При указан-
ном способе организации рабочего процесса воздействие продуктов детона-
ции (ПД) практически мгновенно передается тяговой стенке камеры, возле
которой в течение достаточного длительного периода времени существует
область покоящегося газа с давлением, равным давлению в точке Чепмена–
Жуге. Именно такому способу уделяется наибольшее внимание исследовате-
лей.
Интегральным показателем эффективности ДК при работе двигателя в
режиме одиночных пульсаций является удельный импульс тяги Isp, величина
которого определяется в [1] как отношение импульса тяги в течение одного
цикла Icycle к массе топливной смеси, способной к детонации:
k01
cycle
sp FL
I
I
, (1)
где Icycle – импульс тяги, создаваемый цилиндрической ДК постоянного попе-
речного сечения; ρ1 – плотность топливной смеси до начала инициирования
детонации; L0, Fk – длина и площадь поперечного сечения ДК.
Значение Icycle получают интегрированием разности давлений pw–p1 по
торцевой поверхности ДК за время texh, в течение которого давление на стенке
ДК в месте приложения основной составляющей вектора тяги ( на тяговой
стенке ДК) pw превышает давление окружающей среды p1:
25
А.Е. Золотько, Н.Д. Коваленко, Ю.И. Мороз, 2010
Техн. механика. – 2010. – № 1.
. (2)
exh
0
1wkcycle
t
dtppFI
Для расчета удельного импульса тяги ракетных двигателей обычно ис-
пользуется расчетная зависимость, основанная на использовании параметров
потока в выходном сечении камеры [2]:
1a
a
a
a
R
sp pp
m
FuI
, (3)
где pa, a, ua – давление, плотность и скорость потока на выходе из ДК;
aaa Fum – расход газа; Fa – площадь выходного сечения ДК.
В [1] с помощью формул (1) и (2) были получены расчетные данные о за-
висимости Isp от значения начального давления, начальной температуры топ-
ливной смеси, коэффициента избытка окислителя и некоторых других пара-
метров для случая инициирования детонации во входном сечении камеры.
Возможность использования расчетной зависимости (3) и оценка влияния
расположения источника инициирования детонации в выходном сечении ДК
на величину Isp в этой и других известных работах по ДД не рассматривались.
Рассмотрение различных схем организации рабочего процесса в ДК про-
ведено на основе детального изучения механизма распространения детонаци-
онных и ударных волн. После инициирования детонации во входном сечении
ДК по направлению к выходу из камеры начинает распространяться в нор-
мальном режиме (режиме Чепмена – Жуге) волна детонации. Следом за вол-
ной детонации движется непосредственно примыкающая к ней центрирован-
ная волна разрежения (волна Тейлора). В момент времени достижения фрон-
том детонационной волны (ДВ) выходного сечения камеры, в противополож-
ном направлении начинает распространяться вторичная волна разрежения,
под действием которой ПД постепенно удаляются из ДК. Вторичная волна
разрежения вначале распространяется по первичной волне, пересекает ее, а
затем продолжает свое движение в области, занятой однородным покоящимся
газом. При инициировании детонации в выходном сечении ДК ДВ распро-
страняется в направлении, противоположном направлению истечения ПД из
камеры. По достижении фронтом детонационной волны стенки ДК происхо-
дит его отражение. В результате по ПД в обратном направлении (к выходу из
ДК) начинает распространяться ударная волна (УВ). В процессе расширения
ПД, движущихся вслед за фронтом УВ в направлении к выходу из ДК, правая
граница расчетной области определяется параметрами ударного фронта. По-
скольку эти параметры изменяются в процессе движения УВ, их расчет дол-
жен выполняться на каждом временном слое разностной сетки. Фронт УВ
является поверхностью разрыва. При детонации рассматриваемых в настоя-
щем исследовании газовых смесей имеет место такой случай распада произ-
вольного разрыва, при котором в направлении, противоположном направле-
нию движения УВ, то есть в сторону стенки ДК, распространяется волна раз-
режения.
Математическое моделирование рассматриваемых детонационных тече-
ний требует учета достаточно малых осцилляций физического характера, ко-
торые можно выделить, используя разностные схемы повышенного порядка
точности. В настоящей работе для решения одномерных уравнений Эйлера
используется явная консервативная конечно-разностная схема второго поряд-
26
ка по пространству и времени с подавлением ложных осцилляций, возни-
кающих при пространственной дискретизации областей с ударными волна-
ми, разрывами сплошности и значительными градиентами функций решения.
При вычислении разностных аналогов характеристических переменных при-
меняются монотонизирующие ограничители с логическими переключателя-
ми, зависящими от свойств численных решений. Ограничители вступают в
действие (включаются) в тот момент, когда происходит резкое, скачкообраз-
ное изменение формы профиля фронта волны. При этом схема отвечает двум
основным требованиям: неубыванию энтропии и невозрастанию во времени
полных вариаций сеточных аналогов характеристических переменных. Реа-
лизация последнего требования практически означает построение разностной
схемы класса TVD (Total Variation Diminishing) [3].
На рис. 1 и 2 представлены результаты вычислительного эксперимента по
детонации кислородно-водородной смеси стехиометрического состава в ДК
цилиндрического типа постоянного проходного сечения. На рис. 1 показано
распределение давления, плотности и скорости ПД топливной смеси Н2–О2
стехиометрического состава вдоль ДК в момент выхода фронта ДВ в окру-
жающую среду для двух случаев инициирования детонации: во входном се-
чении ДК (сплошные линии 1) и в ее выходном сечении (пунктирные линии
2). Видно, что скорость ПД в ДК линейно уменьшается с удалением от фрон-
та ДВ. При инициировании детонации во входном сечении начиная с середи-
ны ДК продукты детонации будут покоиться относительно стенок камеры. В
случае инициирования детонации в выходном сечении скорость ПД посере-
дине ДК изменит знак. Давление и плотность до середины длины камеры при
инициировании детонации во входном сечении ДК постоянны и монотонно
возрастают на второй половине длины камеры. В случае инициирования де-
тонации в выходном сечении ДК в момент выхода фронта ДВ в окружающую
среду давление и плотность вдоль камеры плавно увеличиваются по всей ее
длине. В развитии процесса, изображенного на рис. 2, выделяются три ста-
дии. Первая стадия определяется распространением по топливной смеси нор-
мальной ДВ, сформированной в выходном сечении ДК. При отражении фрон-
та ДВ от стенки ДК по ПД в обратном направлении, т.е. к выходу из ДК, начи-
нает движение УВ переменной интенсивности (вторая стадия). Скорость отра-
женной УВ, в отличие от скорости движения волны детонации, переменна во
времени. В момент выхода фронта УВ в окружающее пространство в ДК ус-
танавливается течение с монотонно изменяющимися параметрами состояния
(третья стадия процесса).
На рис. 3 и 4 показано изменение во времени давления у тяговой стенки
ДК при инициировании детонации во входном и выходном сечениях камеры
для различных топливных смесей стехиометрического состава. Из сопостав-
ления данных, приведенных на этих рисунках, видно, что место расположе-
ния устройства инициирования детонации оказывает существенное влияние
как на величину давления у тяговой стенки ДК, так и на характер его измене-
ния во времени. На рис. 5 показаны расчетные зависимости удельного импуль-
са тяги от скорости нормальной детонации DCJ пяти кислородно-
углеводородных газовых смесей стехиометрического состава для двух случаев
27
Рис. 1
28
Рис. 2
29
Рис. 3
Рис. 4
инициирования детонации. Расчетам по формулам (1) и (2) соответствуют
сплошная 1 (инициирование во входном сечении) и штрихпунктирная 4
(инициирование в выходном сечении) линии. Расчетам по формуле (3) на
этом рисунке соответствуют пунктирная 2 (инициирование во входном се-
чении) и пунктирно-двухточечная 3 (инициирование в выходном сечении)
линии. Там же нанесены экспериментальные значения удельного импульса
тяги, полученные в работе [4].
Из анализа рис. 5 следует, что в обоих случаях представленные зависи-
мости близки к линейным. Расхождение в расчетных данных, полученных по
формулам (1) и (3), находится в пределах погрешности вычислений. В случае
инициирования детонации в выходном сечении ДК значения удельного им-
пульса тяги получаются на 10 – 12 % большими, чем при инициировании де-
тонации во входном сечении. Отметим, что при детонации кислородно-
30
этиленовой смеси наблюдается хорошее совпадение расчетных и экспери-
ментальных данных (расхождение менее 2 %). Для кислородно-ацетиленовой
смеси расхождение между опытными данными и результатами численных
расчетов составляет около 20 %. Указанное расхождение объясняется суще-
ствованием аномальных режимов детонационного сжигания кислородно-
ацетиленовых смесей. Анормальность заключается в том, что для этих смесей
максимальный тепловой эффект химической реакции, определяющий ско-
рость детонации, не соответствует стехиометрическому составу [5].
Рис. 5
На рис. 6 показана зависимость удельного импульса тяги от содержания
водорода в газовой смеси. Расчетам по формуле (1) на рисунке соответствуют
линии 1 (инициирование детонации во входном сечении) и 4 (инициирование
в выходном сечении), а расчетам по формуле (3) – линии 2 (инициирование
детонации во входном сечении) и 3 (инициирование в выходном сечении).
Отметим практически полное совпадение расчетных и экспериментальных
данных [4] для кислородно-водородной смеси стехиометрического состава.
Рост содержания водорода в кислородно-водородной топливной смеси при-
водит к монотонному возрастанию величины удельного импульса тяги
вплоть до достижения верхнего концентрационного предела детонации (око-
ло 90 об. % водорода в смеси с кислородом). Так, при увеличении количества
молей водорода, приходящихся на один моль кислорода, в 2,5 раза (сравни-
ваются данные по смесям, отмеченным на рис. 6 четырехугольниками) на-
блюдается возрастание удельного импульса тяги примерно в 1,2 раза.
Из сравнения данных, представленных на рис. 5 и 6, следует, что для то-
пливных смесей стехиометрического состава удельный импульс тяги ДК при
использовании водорода оказывается на 12 – 14 % выше, чем при использо-
вании углеводородного горючего. Причем, во всех случаях инициирование
детонации в выходном, а не во входном сечении ДК, обеспечивает дополни-
тельное увеличение удельного импульса тяги на 10 – 12 %.
31
Рис. 6
В ходе настоящего исследования было установлено, что использование
переобогащенной горючим кислородно-водородной топливной смеси и ини-
циирование детонации в выходном сечении ДК может привести к увеличе-
нию удельного импульса тяги примерно на 30 – 40 %. Таким образом, аль-
тернативный способ организации рабочего процесса в двигателе содержит
потенциальную возможность существенного повышения удельного импульса
тяги ДРД. Полученные результаты позволяют сформулировать задачи даль-
нейших исследований: обеспечение работоспособности конструкции в усло-
виях высокого давления в ДК и повышенного содержания водорода в газовой
смеси; синхронизация времени заполнения объема ДК топливной смесью со
временем включения устройства инициирования детонации; организация ра-
боты двигателя в режиме одиночных и связанных импульсов и некоторые
другие.
1. Wintenberger E. An analytical model for the impulse of a single-cycle pulse detonation tube / E. Wintenberger,
J. M. Austin, M. Cooper, S. Jackson, J. E. Shepherd // Journal of Propulsion and Power. – 2003. – Vol. 19. –
P. 22 – 38.
2. Кудрявцев В. М. Основы теории и расчета ЖРД / А. П. Васильев, В. М. Кудрявцев, В. А. Кузнецов и др. –
М. : Высш. шк. – 1983. – 703 с.
3. Harten A. High Resolution Schemes for Hyperbolic Conservation Laws / A. Harten // J. Comput. Phys. –
1983. – Vol. 49. – P. 357 – 293.
4. Zitoun R. Propulsive perfomances of pulsed detonations / R. Zitoun, D. Desbordes // Combustion Science and
Technology. – 1999. – Vol. 144. – P. 93 – 114.
5. Шоршоров М. Х. Физико-химические основы детонационно-газового напыления покрытий
/ М. Х. Шоршоров, Ю. А. Харламов. – М. : Наука. – 1978. – 227 с.
Институт технической механики Получено 28.07.09,
НАН Украины и НКА Украины, в окончательном варианте 15.09.09
Днепропетровск
32
|