Численное моделирование течения газа в реактивном сопле

Численное моделирование течения газа в реактивном сопле

Полный текст:

• Статья
• Об авторах
• Cited By

Аннотация

Ключевые слова

Для цитирования:

Скачков С.В., Шпаковский Д.Д. Численное моделирование течения газа в реактивном сопле. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(3):41-46. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-3-41-46

For citation:

Skachkov S.V., Shpakovskiy D.D. Numerical simulation of gas flow in jet nozzle. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(3):41-46. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-3-41-46

Адекватность и точность математической мо­дели определяется совокупностью учитыва­емых действующих физических факторов и принимаемыми допущениями. В некоторых исследованиях, например [1, 2], показано, что для радиально равновесного потока наличие закрутки от турбины во входном сечении не влияет существенным образом на удельную тягу, но оказывает значительное воздействие на коэффициент расхода реактивного сопла. В работе [1] установлено, что полный им­пульс потока не зависит от неравномерности полного давления, температуры торможения и определяется их средними значениями при одинаковом расходе воздуха и его теплосо­держании. Поэтому в настоящее время вы­числение тяговых характеристик сопла (вну­тренней тяги) выполняется согласно методи­ке, изложенной в [3], или экспериментальным путем в аэродинамической трубе Т-58 ЦАГИ, без учета закрутки потока и распределения параметров во входном сечении. В перечис­ленных выше работах объектом исследования являются реактивные сопла, не содержащие внутренних конструктивных элементов в виде стоек или центрального тела.

В Омском мотостроительном конструк­торском бюро (АО ОМКБ) с использованием программного комплекса ANSYS CFX было выполнено численное моделирование тече­ния газа внутри реактивного сопла турборе­активного двухконтурного двигателя (ТРДД) и определение его характеристик с учетом мак­симального количества реально действующих физических факторов.

Целями проводимых исследований были проверка справедливости существующих клас­сических теоретических положений примени­тельно к реальным дозвуковым реактивным соплам и разработка адекватной математиче­ской модели для численных расчетов.

Геометрическая модель, представляю­щая собой внутренний объем проточной ча­сти реактивного сопла, создана в программе Unigraphics NX 7.5 и импортирована в препро­цессор DesingModeler программы ANSYS CFX. Внутренний объем сопла, соответствующий моделируемой расчетной области, представлен в изометрии на рис. 1. Ограничивающие по­верхности рассматриваемого объема сформи­рованы по координатам внутреннего контура реактивного сопла и наружного контура вну­треннего тела с суфлирующей трубкой.

Рис. 1. Внутренний объем реактивного сопла

Построение расчетной сетки в подпро­грамме ANSYS Meshing было выполнено ме­тодом свободного разбиения со сгущением к стенкам сопла для более точного моделирова­ния течения в области пограничного слоя. Для получения устойчивого процесса расчета гра­ничные условия были заданы в виде полного давления Р*_{1 вх} и температуры торможения T*_{1 вх} на входе в реактивное сопло и статического давления на срезе сопла P_c1.

Для выполнения расчетов были состав­лены две математические модели. В первой модели были заданы постоянные по сечению входа и выхода из сопла величины Р*_{1 вх} , T*_{1 вх} , P_c1, направление потока на входе в сопло по оси симметрии. Во второй модели — постоян­ные по сечению входа и выхода из сопла вели­чины T*_{1 вх}, P_c1, на входе в сопло учтены рас­пределение полного давления Р*_{1 вх} в радиальном направлении и угол закрутки потока α₂. Под углом закрутки потока подразумевается угол α₂ между вектором абсолютной скорости по­тока и фронтом решетки на выходе из турбины низкого давления.

Для второй математической модели рас­пределение полного давления Р*_{1 вх} и измене­ние угла α₂ потока по радиусу в зависимости от частоты вращения турбины низкого давле­ния определены на основе экспериментальных данных. Во входном сечении реактивного соп­ла были заданы составляющие вектора скоро­сти потока с помощью направляющих косину­сов в цилиндрической системе координат, определяемых зависимостями:

где n_КНД, мин -1 — текущая частота вращения вала компрессора низкого давления;

г, мм — радиус, отсчитываемый от оси сопла.

Аналогичным образом задается распре­деление полного давления во входном сечении реактивного сопла:

где P_{1 вх ср}* , кг/см 2 — полное избыточное давле­ние, осредненное по входному сечению реак­тивного сопла. Для первой математической модели P*_{1 вх} = P*_{1 вх ср}.

Набор величин Р*_1вх, T*_1вх, P_c1 определен для нескольких режимов работы в диапазоне от максимальной до минимальной тяги при рас­чете дроссельной характеристики двигателя.

Поток газа в реактивном сопле представ­ляет собой идеальную смесь компонентов про­дуктов сгорания: CO₂, H₂O, O₂, N₂. Термодина­мические свойства отдельных элементов заданы переменными в зависимости от температуры в соответствии с форматом NASA SP-273. Дина­мическая вязкость и коэффициент теплопрово­дности определялись по формуле Сатерленда.

Математическая модель сопла второго контура была выбрана на основе сравнитель­ного анализа полученных результатов расче­тов. С помощью программы ANSYS CFX-Post было выполнено построение распределения параметров газового потока в характерных се­чениях. Многовариантные расчеты, проведен­ные с использованием первой и второй матема­тических моделей, далее по тексту обозначены соответственно как первый и второй виды рас­чета. Рассмотрим полученные данные для од­ного из нормируемых режимов работы ТРДД. Распределения скорости потока v по радиусу в нескольких поперечных сечениях реактивного сопла (в области потока между стойками) для первого вида расчета представлены на рис. 2, а, а для второго — на рис. 2, б. По оси ординат на обоих рисунках отложена относительная вели­чина Y_, определяемая по соотношению

где Y — координаты точки;

h — текущая высота канала.

Рис. 2. Профили скорости потока в поперечных сечениях реактивного сопла: а — без учета закрутки; б — с учетом закрутки; 1 — вход в сопло; 2 — 69 мм от среза сопла; 3 — 22 мм от среза сопла; 4 — срез сопла

Профиль скорости для первого и второго видов расчета имеет гладкую форму, что гово­рит об отсутствии крупной турбулентности в ядре потока. Исключением является s-образ­ный излом, который наблюдается на профиле скорости для второго вида расчета в области перехода от внутреннего тела в виде конуса к цилиндрическому участку суфлирующей труб­ки, что может свидетельствовать о наличии локальной зоны отрыва потока. Изменение профиля скорости в обоих случаях при пере­ходе от сечения входа к срезу сопла определя­ется внутренней геометрией канала. Однако при этом следует отметить, что относительная форма профиля скорости (прямая линия или кривая второго порядка) сохраняется от входа до среза сопла.

Результаты расчета с учетом распределе­ния параметров на входе в сопло показывают наличие развитой отрывной зоны в потоке за вертикальными стойками. На рис. 3 представ­лено распределение избыточного давления p по поверхности конического сечения, располо­женного соосно с реактивным соплом. Суще­ственные отличия в распределении скорости v и избыточного давления p наблюдаются в об­ласти стоек. При отсутствии закрутки потока обтекание стойки происходит симметрично. При наличии закрутки поток частично тормо­зится с той стороны стойки, где происходит его натекание с существенным повышением статического давления, и ускоряется от пе­редней кромки с противоположной стороны с падением статического давления, характерным для зоны отрыва. Этот процесс создает не­равномерность скорости и полного давления, распространяющуюся вниз по течению. Данное явление подтверждается распределением полного давления на срезе сопла, представлен­ного на рис. 4, где для сравнения приведены результаты двух видов расчетов. Для первого вида расчета локальное понижение давления в турбулентном следе за вертикальными стой­ками практически совпадает с их проекцией на плоскость сечения среза сопла. В случае наличия закрутки потока наблюдается вра­щательная деформация турбулентного следа в сторону закрутки потока. Кроме того, полу­ченное поле полного давления намного более неравномерное, и зоны пониженного полного давления занимают большую часть от общей площади среза сопла в сравнении с первым видом расчета. Таким образом, течение газа внутри сопла зависит от распределения пол­ного давления и направления скорости потока во входном сечении, что, в свою очередь, пред­определяет существенные различия в уров­не газодинамических потерь при идентичной геометрии. Моделирование течения газа в ре­активном сопле необходимо выполнять с уче­том распределения полного давления и угла закрутки потока во входном сечении.

Рис. 3. Распределение избыточного давления потока: а — без учета закрутки; б — с учетом закрутки

Рис. 4. Распределение избыточного полного давления потока на срезе сопла: а — без учета закрутки; б — с учетом закрутки

Оценка влияния закрутки потока на рас­ход газа μ и удельную тягу R_yд реактивного сопла производилась на основе ряда расчетов с переменным максимальным углом закрутки в ядре потока α_2max = 60. 90° на входе. При этом был сохранен закон изменения угла α₂ в радиальном направлении и средние значения параметров P*_{1 вх}, T*_{1 вх}, P_c1, соответствующих расчетному режиму работы. Полученные ре­зультаты представлены на рис. 5 в виде отно­сительных величин в зависимости от угла отклонения потока от осевого направления α = 90 — α _2max. Здесь μ₉₀ и Р_уд90 — коэффициент расхода и удельная тяга при отсутствии закрутки потока при α _2max = 90°.

Как правило, отклонение газового потока во входном сечении реактивного сопла от осе­вого направления α 1. Чёрный Г. Г. Закрученные течения сжимаемого газа в каналах // Изв. АН СССР ОТН. 1956. № 6. С. 55–62.

2. Гостинцев Ю. А. Расходные характеристики сопла при истечении винтового потока газа // Изв. АН СССР МЖГ. 1969. № 4. С. 158–162.

3. ОСТ 100007–93. Сопла воздушно-реактивных двигателей. Метод расчета тяговых характеристик на этапе технического задания. М.: Изд-во НИИСУ, 1993.

Об авторах

Скачков Сергей Владимирович – начальник отдела испытаний и термодинамических расчетов

Область научных интересов: теория воздушно-реактивных двигателей.

Шпаковский Денис Данилович – кандидат технических наук, ведущий инженер-конструктор отдела испытаний и термодинамических расчетов

Область научных интересов: газовая динамика.

Для цитирования:

Скачков С.В., Шпаковский Д.Д. Численное моделирование течения газа в реактивном сопле. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(3):41-46. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-3-41-46

For citation:

Skachkov S.V., Shpakovskiy D.D. Numerical simulation of gas flow in jet nozzle. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(3):41-46. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-3-41-46

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

Реактивное сопло

Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия . Главный редактор Г.П. Свищев . 1994 .

• Реактивная сила
• Реактивное топливо

Смотреть что такое «Реактивное сопло» в других словарях:

Реактивное сопло — Реактивное сопло профилированный насадок (например, лопаточный канал соплового аппарата) для преобразования потенциальной энергии протекающего рабочего тела в кинетическую. В реактивном двигателе применяют: суживающееся реактивное сопло для … Википедия

реактивное сопло — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN jet nozzle … Справочник технического переводчика

реактивное сопло — Схемы регулируемых реактивных сопел. реактивное сопло — выходной канал реактивного двигателя, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в его кинетическую энергию. Путём регулирования минимальной площади Р. с. F*… … Энциклопедия «Авиация»

реактивное сопло — Схемы регулируемых реактивных сопел. реактивное сопло — выходной канал реактивного двигателя, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в его кинетическую энергию. Путём регулирования минимальной площади Р. с. F*… … Энциклопедия «Авиация»

реактивное сопло — Схемы регулируемых реактивных сопел. реактивное сопло — выходной канал реактивного двигателя, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в его кинетическую энергию. Путём регулирования минимальной площади Р. с. F*… … Энциклопедия «Авиация»

реактивное сопло — Схемы регулируемых реактивных сопел. реактивное сопло — выходной канал реактивного двигателя, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в его кинетическую энергию. Путём регулирования минимальной площади Р. с. F*… … Энциклопедия «Авиация»

Реактивное сопло — профилированный насадок (патрубок, лопаточный канал соплового аппарата и т.д.), устанавливаемый в трубопроводах (или закрытых каналах) для преобразования потенциальной энергии протекающего рабочего тела (См. Рабочее тело) (жидкости, пара … Большая советская энциклопедия

реактивное сопло ГТД — реактивное сопло PC Ндп. выхлопная труба Устройство, в канале переменного сечения которого происходит ускорение потока воздуха или газа с целью создания реактивной тяги. [ГОСТ 23851 79] Недопустимые, нерекомендуемые выхлопная труба Тематики… … Справочник технического переводчика

реактивное сопло с косым срезом — сопло с косым срезом Реактивное сопло ГТД, плоскость выходного сечения которого не перпендикулярна оси. [ГОСТ 23851 79] Тематики двигатели летательных аппаратов Синонимы сопло с косым срезом EN skewed nozzle DE Schubdüse mit Schrägschnitt FR… … Справочник технического переводчика

реактивное сопло с центральным телом — сопло с центральным телом Реактивное сопло ГТД, кольцевой канал которого образован центральным телом и обечайкой. [ГОСТ 23851 79] Тематики двигатели летательных аппаратов Синонимы сопло с центральным телом EN plug nozzle DE Schubdüse mit… … Справочник технического переводчика

Плоское сопло для российских боевых самолётов: от советских наработок до перспективы

Преимущества конструкции плоского сопла

Примерно с 80-х годов прошлого века авиаконструкторы обнаружили ряд преимуществ для двигателей военных самолетов, которые может принести использование сопла с плоской формой сечения.

С одной стороны, такая конструктивная особенность улучшает взлетно-посадочные характеристики (ВПХ) самолета и делает его более маневренным.

А с другой, она позволяет боевой машине стать менее заметной для РЛС противника. Это объясняется тем, что контуры осесимметричного сопла круглого сечения очень сложно согласовать с другими элементами конструкции самолета, чтобы сделать самолет не таким заметным для радаров. Гораздо легче этого добиться, если использовать плоское «реактивное» сопло. Помимо этого, чтобы еще более снизить радиозаметность, при изготовлении такого сопла задействуют материалы, способные поглощать излучение.

Дополнительно инфракрасное излучение самолета, использующего такую форму сопла, также уменьшается. Этого позволяет добиться соотношение высоты и ширины сопла, существенно снижая температуру исходящей струи.

Конечно, у такой формы сопла есть и недостатки. Во-первых, при переходе от круглого сечения двигателя к прямоугольной форме сопла происходит некоторая потеря давления. В лучшем случае, теряется около пяти процентов. Второй недостаток – это необходимость усиления жесткости и прочности сопла, так как конструкция такой формы испытывает большую нагрузку, чем сопло круглого сечения.

Но все эти недостатки с лихвой перекрываются преимуществами.

Первый российский самолет с плоским соплом

Первым в мире самолетом, где была воплощена новая идея, стал американский F-15, который выполнил первый экспериментальный полет в 1988 году. Позднее плоские сопла стали использовать в «стелс»-самолетах F-117 и F-22 Raptor. Хотя в России внедрением в военную авиацию сопла с плоским сечением занялись почти одновременно с американцами, мы в этой области отстали. И не потому, что наши специалисты хуже американских, просто в СССР начались тогда трудные времена: развал Советского Союза чуть было не привел к полному уничтожению и ОПК страны. Просто не до самолетов тогда было, откровенно.

В период своего заката Советский Союз стоял на пороге серийного производства истребителя нового поколения, оснащенного двигателем с плоским соплом. Изначально он назывался Су-27КМ. Самолет начали разрабатывать в 1988 году. Формально он считался модификацией корабельного истребителя Су-27К («М» — это «модернизированный»). Но по своей сути он был абсолютно новой разработкой. Главными его особенностями стали крылья изменяемой стреловидности и два двигателя с одним общим плоским соплом. Такая форма сопла позволяла снизить ИК-заметность и упрощала управление вектором тяги. По какой-то причине проект был в 1989 году закрыт (это отдельная история). В 1990 году прототип стал летающей лабораторией. Всё шло хорошо, самолёт отлично себя показал во время испытательных полетов, но из-за развала СССР и последовавшего за этим кризиса во всех сферах, включая ОПК, все работы пришлось свернуть. Есть и продолжение этой истории, но оно уже не касается применения в российской авиации двигателей с плоским соплом.

Двигатели с плоским соплом сегодня и завтра

Длительное время к применению плоского сопла российские авиастроители не возвращались. Скорее всего, на это были свои причины. Но совсем недавно было решено к этой идее вернуться.

Это связано с созданием первого российского истребителя пятого поколения Су-57. Не буду погружаться в долгую и драматичную историю создания самолета. Во-первых, она еще не закончилась, а во-вторых, это отдельная тема, которую в двух словах не раскрыть.

Упомяну лишь о моментах, касающихся возможного применения в этом самолете двигателей с плоским соплом.

Как известно, разработка Су-57 длится уже много лет, еще с начала 2000-х годов, причем сроки перехода к серийному производству много раз откладывались. Изначально первые самолеты планировали передать в войска еще в 2015 году. И хотя в прошлом году первый серийный Су-57 упал во время испытаний, специалисты считают эту боевую машину очень удачной. Уже есть несколько прототипов, более десятка. Это доказывает хотя бы тот факт, что в августе 2018 года ОКБ «Сухого» получило контракт от Минобороны РФ, согласно которому российские военные за период с 2020 по 2027 год должны получить 76 самолетов Су-57, не считая ещё двух, заказанных ранее.

Партии истребителей, которые поступят на вооружение, будут оснащены уже существующими серийными двигателями АЛ-41Ф1 с круглым осесимметричным сечением сопла. Подобные силовые агрегаты устанавливают на Су-35С. Истребители Су-57 с такими двигателями будут поставляться в войска ориентировочно до середины 2020-х годов.

А затем вместо этого двигателя в Су-57 начнут устанавливать так называемое «Изделие 30». О его технических характеристиках известно немного, но по некоторым данным в нем будет использовано плоское сопло. Собственно, этого и следовало ожидать. Но с учетом того, что планы разработчиков и сроки могут еще несколько раз поменяться, трудно сказать, когда именно у российских военных появятся боевые самолеты, оборудованные двигателями с плоским соплом. При этом стоит сказать, что не так давно появились изображения модели ударного БПЛА «Охотник», сопло которого было именно плоским.

Исследования по реализации пульсирующих рабочих процессов в реактивных двигателях

Авиационная и ракетно-космическая техника

Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Авторы

Объединенная двигателестроителъная корпорация «Сатурн», проспект Ленина, 163, Рыбинск, Ярославская область, 152903, Россия

Аннотация

Представлены результаты исследований в развитие выполненного в МАИ научного открытия № 314 «Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекторном процессе с пульсирующей активной струёй». Экспериментально показана возможность увеличения импульса пульсирующего реактивного двигателя за счёт безэжекторного присоединения массы газа как из внешней среды, так и отработанной, что повышает значимость открытия. Расчётными и экспериментальными исследованиями обоснована возможность создания сопла с резонатором-усилителем тяги для воздушно-реактивного двигателя (ВРД) со стационарным рабочим процессом без ухудшения его массогабаритных характеристик. Определены возможные перспективные направления дальнейших исследований по реализации полученных эффектов увеличения тяги.

Ключевые слова

Библиографический список

Кудрин О.И., Квасников А.В., Челомей В.Н. Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекторном процессе с пульсирующей активной струей. Описание открытия № 314 // Вестник АН СССР. 1986. № 10. C. 94-99.

Богданов В.И. Взаимодействие масс в рабочем процессе пульсирующих реактивных двигателей как средство повышения их тяговой эффективности // Инженерно-физический журнал. 2006. Т. 79. № 3. С. 85-90.

Bogdanov V.I. Pulse Increase at Mass Interaction in an Energy Carrier // American Journal of Modern Physics. 2013. Vol. 2. № 4, pp. 195-201.

Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. – М.: Наука, 1975. – 704 с.

Кудрин О.И. Пульсирующее реактивное сопло с присоединением дополнительной массы // Сборник «Труды МАИ». 1958. Вып. 97. С. 98-180.

Богданов В.И., Буракова Л.И. Оценка эффектов взаимодействия масс в пульсирующих реактивных двигателях по результатам экспериментальных исследований // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета им. П.А. Соловьева. 2010. № 3(18). С. 90-95.

Сергель О.С. Прикладная гидрогазодинамика. – М.: Машиностроение, 1981. – 374 с.

Paxson D.E., Wilson J., Dougherty K.T. Unsteady Ejector Performance: An Experimental Investigation Using а Pulsejet Driver // 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Indianapolis, Indiana, United States (July 7-10, 2002). AIAA-2002-3915, 12 p.

Левин В.А., Смехов Г.Д., Тарасов А.И., Хмелевский А.Н. Расчетное и экспериментальное исследование пульсирующей детонации в модели двигателя. – М.: Институт механики МГУ, 1998. Препринт № 42-98. – 34 с.

Богданов В.И., Ханталин Д.С. Особенности расчёта сферического газодинамического резонатора-усилителя реактивной тяги // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета им. П.А. Соловьева. 2014. № 3(30). С. 44-49.

Богданов В.И., Реш Г.Ф., Шишурин А.В. Предварительные результаты экспериментальных исследований эффекта увеличения импульса пульсирующего реактивного двигателя в вакууме за счёт присоединения собственной массы газа, перспективы его использования // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета им. П.А. Соловьева. 2013. № 1(24). С.23-30.

Коватёва Ю., Воробьёв А.Г., Боровик И.Н., Хохлов А.Н., Казеннов И.С. Жидкостный ракетный двигатель малой тяги на топливе газообразный водород и газообразный метан // Вестник Московского авиационного института. 2011. Т.18. № 3. С. 45-54.

Богданов В.И., Ханталин Д.С. Повышение лобовой тяги сферического газодинамического резонатораусилителя импульса // Инженерно-физический журнал. 2017. Т. 90. № 1. С. 186-190.

Быковский Ф.А., Ждан С.А. Непрерывная спиновая детонация. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2013. – 423 с.

Богданов В.И. Техническая реализация эффекта присоединения массы газа для увеличения тяги пульсирующих реактивных двигателей // Вестник машиностроения. 2014. № 9. С. 38-42.

Богданов В.И., Боровкова О.С. Пульсирующий ракетный двигатель твёрдого топлива. Патент № 162799 РФ. Бюлл. № 18, 27.06.2016.

Кривченко Г.И. Гидравлические машины: Турбины и насосы: Учебник для вузов. – М.: Энергия, 1978. – 320 с.

Смирнов С.А., Богданов В.И. Взаимодействие масс рабочего тела в пульсирующем течении за турбиной как причина нестационарных явлений в напорных системах ГЭС и способ повышения тяговой эффективности ТРД // Гидроэлектростанции в ХХI веке: Сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных, специалистов, аспирантов и студентов (Саяногорск, р.п. Черёмушки. 22-23 мая 2014). – Саяногорск; р.п. Черёмушки: Саяно-Шушенский фил. СФУ. С.104-107.

Богданов В.И., Боровкова О.С. Некоторые особенности определения тяговых характеристик пульсирующих реактивных двигателей // Вестник Рыбинского государственного авиационного техническог университета им. П.А. Соловьева. 2013. № 2. С. 29-34.

Богданов В.И. О повышенной эффективности крыла в пульсирующем потоке // Инженер. 2006. № 11. С. 14-15.