научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ СОПРЯЖЕННОГО ТЕПЛООБМЕНА В ПАКЕТАХ МАЛОГАБАРИТНЫХ ПЛОСКИХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ СОПЕЛ С ОХЛАЖДЕНИЕМ Физика

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ СОПРЯЖЕННОГО ТЕПЛООБМЕНА В ПАКЕТАХ МАЛОГАБАРИТНЫХ ПЛОСКИХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ СОПЕЛ С ОХЛАЖДЕНИЕМ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 5, с. 735-740

УДК 536.21,536.244

МОДЕЛИРОВАНИЕ СОПРЯЖЕННОГО ТЕПЛООБМЕНА В ПАКЕТАХ МАЛОГАБАРИТНЫХ ПЛОСКИХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ

СОПЕЛ С ОХЛАЖДЕНИЕМ

© 2015 г. В. Ф. Формалев, С. А. Колесник, Е. Л. Кузнецова

Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет) E-mail: formalev38@yandex.ru Поступила в редакцию 20.01.2015 г.

Приведена комплексная физико-математическая формулировка и метод решения сопряженного теплопереноса между вязкими газодинамическими и гидравлическими течениями в пакетах плоских охлаждаемых ракетных микродвигателей, используемых для управления космическими аппаратами и для накачки газодинамических лазеров. Особенностью таких двигателей является их малый размер, вследствие чего корпус быстро прогревается и необходимы специальные способы охлаждения. Предложен метод погружения решения сопряженных задач теплопереноса в многосвязных областях, каковыми являются микродвигатели с охлаждением. Показано, что охладитель снимает значительное количество тепла, особенно в области критического сечения сопла.

DOI: 10.7868/S0040364415050117

ВВЕДЕНИЕ

Рассматривается тепловое состояние охлаждаемого блока из нескольких ракетных микродвигателей (длина камеры сгорания и сопла не более 15 мм) прямоугольного сечения с организованными в теле блока поперечными каналами для прохождения охладителя, в качестве которого может быть горючее или газовый охладитель.

Источником тепловой энергии является высокотемпературное газодинамическое течение в каналах микроракетных двигателей (температура торможения ~2000 К). Поскольку металлическая конструкция пакета двигателей имеет ограничения по температуре, необходим сток тепловой энергии с помощью охладителя, и тем больший, чем выше скорость охладителя.

Таким образом, возникает сложное теплогазо-динамическое состояние с охлаждением в гидравлических каналах, при котором функционирует блок микроракетных двигателей. Для определения теплового состояния необходимо решить комплекс задач сопряженного теплообмена между газо- и гидродинамическим течениями и корпусом блока охлаждаемых газодинамических микродвигателей:

— об идеальном течении газа в сопле микродвигателя;

— о течении и теплообмене в тепло-газодинамическом пограничном слое;

— о сопряженном теплообмене между газодинамическим пограничным слоем и корпусом блока двигателей;

— о течении в каналах охлаждения и сопряженном теплообмене между корпусом и охладителем;

— о нестационарном трехмерном теплопере-носе в блоке газодинамических микродвигателей.

В силу малых размеров блока микродвигателей первые два пункта, по-видимому, можно объединить уравнениями теплогазодинамики на основе уравнений Навье—Стокса с учетом теплопереноса или на основе уравнений динамического и теплового пограничных слоев.

Весь комплекс взаимосвязанных задач описывается существенно нелинейными уравнениями в частных производных.

Основными проблемами являются разработка комплексной физико-математической модели для решения задач о тепловом состоянии микроракетного двигателя, ее численная реализация, разработка программного комплекса и получение результатов, в частности потребного расхода охладителя для обеспечения приемлемого уровня температур.

По отдельным компонентам имеется значительное число работ, среди которых следует отметить [1—8]. Но в данной работе проблема сопряженного теплообмена между гидро- и газодинамическими течениями и телами сложной геометрической формы впервые решена в комплексной постановке, что делает ее весьма акту-

Рис. 1. Отдельный ракетный микродвигатель в блоке с охлаждающими каналами.

альной и востребованной проектировщиками малогабаритных ракетных двигателей.

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

На рис. 1 представлено сечение одного микродвигателя плоскостью хОу в декартовой системе координат, причем продольной осью является ось Ох, вертикальной — ось Оу, поперечной — ось Ог с началом координат в начале камеры сгорания. Оси охлаждающих каналов параллельны оси Ог, причем охладитель входит в левый канал и после выхода из него входит с противоположной стороны в правый канал.

При моделировании сопряженного теплообмена между газодинамическими течениями и охлаждаемыми соплами газодинамическое течение и течение охладителя в каналах охлаждения будем считать квазистационарными (стационарными в каждый фиксированный момент времени), а пространственную теплопроводность в корпусе сопла нестационарной. Это допущение обосновано тем, что постоянная времени для газодинамического течения составляет порядка

3 х 10-5 с (длина сопла, деленная на скорость в критическом сечении), а для тепловой проводимости — порядка 1 с.

Физико-математическая модель всей комплексной проблемы содержит следующие частные математические модели, каждая из которых имеет самостоятельное значение.

1. В предположении заполненности полости сопла вязким газом течение и теплообмен в плоском газодинамическом сопле описываются соотношениями

ди , ди до д I ди ри--ъру— = —— +--1 р—

дх ду дх ду V ду д(ри) + а(ру) = 0, дх ду

(1) (2)

дТ дт д р иср — + рч ср— = —

дх

. дТ ] , ёр , (ди] X— | + и^ + ц — I , (3)

ах уду;

ду ду у ду

р = рЯТ, (4)

ц = ц (Т); Л, = Л, (Т). (5)

Считается, что перетока газа в направлении оси Ог нет, так что течение двумерное. Граничные

условия (70, р0 в камере сгорания заданы)

ре (х )ие2 (х)

2 ,

у = 0: ре(х) = ро-■

Те (х) = То (1 - М дие (х)

(6)

ХТе (х) ду

0;

у=0

у = у**: и (х, у„1) = 0, V (х, у„1) = 0,

р„1 (х) = Ре (х), Р (х) = ^ (х\,

КТ*1 (х)

(7)

дТ

Т у*1) = Тм>Ъ ^ е д~

дп

у=у*1 +0

= хд-дТ

дп

у=у*1 -0

Последние два соотношения в (7) являются условиями сопряжения.

2. Течение и теплообмен охладителя в гидравлических каналах в направлении оси Ог в отсутствие инерционных членов для ламинарного потока описываются уравнениями

д (™дн) = г §Р,

Г Ц

дг\ дг

дг

ди дг

= 0, и\г=к = 0, 5 = 2,3,

г=0

Ср ^ + риср ^ = * £ (г ^) + дг дг гдЛ дг) дг

Т\г=д = Т*5, Т\г=0 _ Твх, 5 _ 2, 3;

(8) (9)

(10)

условия сопряжения на стенках каналов охлаждения:

дг

Хд-Т

дг

= 0,

г-0 -г г+0 (11)

Т|г-0 = Тг+0 = Т1«, 5 = 2,33. Задача нестационарной пространственной теплопроводности в многосвязном корпусе плоского сопла:

с(Т<-£МТ)+йЦТШ (12)

{х, у, г} е V,

— Т4 Т4

(13)

{х, у, г} е Б,

= д„5, 5 = 2,3, (14)

X (Т )дТ дп

X (Т )дТ дг

Ш

Т(х,у,г,0) = Ф(х,у,г), {х,у,г} е Г + (15)

МЕТОД РЕШЕНИЯ

Вся комплексная математическая модель (1)— (15) сводится к задаче теплопереноса в сложной многосвязной области пакета плоских газодинамических сопел со сложными граничными условиями. В газодинамической области из решения задачи (1)—(7) необходимо определить параметры теплообмена: коэффициент теплоотдачи а№1 и эффективную температуру вязкого течения Те1 на границе №1, а из задачи (8)—(11) — параметры теплообмена а№2, Те2 и а№3, Те3 и полученные параметры включить в тепловые потоки в выражениях (13), (14) в форме ^ = а- Т^);

— а— Те&) , 5 _ 2, 3.

В соответствии с методом эффективной длины [7] параметры теплообмена можно найти из соотношений

а „„ = 0.0296 Pr -057 К

0,2 „ р №1 СР

Pr'

0,2 х эф

Те1 — Т0

1 + Г Ю 1 + Ю '

к - 1Л ,2 ю —-М e,

г — 0.8

(16) (17)

где

Кт = (Ты/Tel)0'4+0.2ехр<"™)(1 + Г Ю)0Л1, Гр^еЯ ^йх

эф

Я +

I р

х0

?5/4

Я - Ях=0 '

а №1 (Те1 - Т„1 )-А. (Т)

дп

№1

(19)

- е№\<5Т№л + ееаТе! = 0.

Решением задачи (8), (9) для динамического пограничного слоя в каналах охлаждения является функция

где

и (г) = 2иср [1 - (г/Я )2 ], 5 = 2,3,

Я 2

—Цт [2пги (г) йг = —-—. пЯ?} 8ц йг

(20)

(21)

Падение давления йр/йг в направлении течения охладителей определяется формулой Дарси

1 ^ _ йр = ^РисР

йг 2Б,'

64

(22)

где

^ср -

* = 2,3,

т — секундный расход охладителя в кг/с, — площади поперечных сечений каналов.

В соответствии с (22) давление вдоль каналов охлаждения

Р (г) = Р0 -

64 Р (иср) Яеср 2Р,

г,

(23)

гдер0, (иср)0 — давление и усредненная скорость во входном сечении.

При решении задачи (10) для уравнения энергии в каналах охлаждения положим V = 0, используем выражение (20) для и (г) , введем безразмерные координаты

Т№ -Т п = —, С = —, 5 = 2,3 (24) Я ~

3 = -

Т — Т Л л

и, пренебрегая второй производной д 2д/ ВС,2 дем задачу (10) к следующему виду:

д20

1

= Ре

(1 -п2 )

све-

(25)

РиАЯ '

Конвективный тепловой поток ды в выражении (13) имеет вид

9*1 =а№1 (Те1 - Т„1). (18)

Тогда на границе w1, соприкасающейся с газодинамическом потоком, краевое условие задается в виде баланса конвективно-кондуктивных и лучистых тепловых потоков

дТ

дп пдп

0 ^=1 = 0, 0 С=0 = 1.

Разделяя переменные и вводя среднеинтеграль-ную величину &ср, получим решение задачи (25) в виде ряда, члены которого быстро убывают при возрастании г:

Э (г) = 0.819 ехр (-14.62 аг/иср Р2) +

+ 0.0976ехр (-88.2 аг/иср Р2)+ (26)

+ 0.0189ехр (-212 аг/иср Р2) + ....

Дифференцируя (26) по ц, при п = 1 получим (иср зависит от переменной г)

-(Й = 1.498ехр(-14.62афср Р2) +

+ 1.114 ехр (-88.2 аг/иср Р*)+ (27)

+ 0.503ехр(-212аг/иср Р5) + ..., * = 2,3.

Домножая выражение (27) на теплопроводность охладителя X, получим тепловой поток на стенках охлаждающих каналов в выражении (14)

= хд-Т

дг

= а „

г

,(ТШ - Тр), 5 = 2,3. (28)

В [8] показано, что коэффициент теплоотдачи, полученный из выражений (27), (28), может быть

0

аппроксимирован при ламинарном течении без инерционных членов выражениями

Г3.66Х. РеД

а —

D.

1.61

< 12,

^Pe PeD,

(29)

> 12.

г г

В качестве Tes, s = 2,3 можно принять T

T = T =

■*■ es ■*■ cps

2

UcpRS

\u (r )

Trdr.

(30)

Динамическая вязкость и теплопроводность газов определяются по формуле Сезерленда [1, 7]

И = И о

' 1 + т */ То х

1 + т */ т' х 0

^ = И, ± = L, (31) И о

~k+1/3P

rpk+^3 Tijl - k ~Tijl 2

T hu + hu _

Tk) л- k+V3 + л- k+Ф Лijl i+1 jl

2hu

/ = 1,1, j = 1, J,

Л k+^3 л i-1jl

Л k+1/3 "л ji

2h i

(Tk+1/3 Tk+1/3\ [Tijl Ti+1jl )

(32)

Tk+2/3 ~k+2/3 Tijl Cijl P

Tk+^3 - Tijl

h2j + h2j

"л k+2/3 Aj-1l

Л k+2/3 ' Л ijl

T k+2/3 л (rpk+2/3 Tk+2l3\ лijl + A;j+1l

T-1l T>" 1

2h2j

ijl

2h

x (33)

2

r.k+2/3 — Tk+2/3\

(rpk+2j3 rpl

Tijl - Tij+

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком