автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Моделирование процессов гидродинамики и теплообмена в конструктивных элементах двигательных установок космических летательных аппаратов

Дніпропетровський державний університет

На правах рукопису

УДК 621.3:536.24

Іванова Галина Антонівна

МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ГІДРОДИНАМІКИ ТА ТЕПЛООБМІНУ В КОНСТРУКТИВНИХ ЕЛЕМЕНТАХ ДВИГУШІИХ УСТАНОВОК КОСМІЧНИХ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ

05.07.05. - теплові двигуни літальних апаратів

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 1930 р.

Робота виконана в

(рукопис або монографія)

Пніпропетроаському держатиму університеті (назва організації, відомча підпорядкованість) Міністерство освіти України_______________________

Науковий керівник

поктоп технічних наук, професор

(науковий супіиь, вчене звання)

Макарова Алла Сергіївна

(прізвище, ім’я, по-батькозі)

Дніпропетровський держуніверситет, професор (місце роботи, посада)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Задошіев Володимир Антонович

(науковий ступінь, вчене звання, прізвище, ім’я, по-батькозі, місце роботи, посада)

Інститут технічної механіки АН України, прорілний науковий спіоробітник ___доктор технічних наук, професор Пронь Людмила Вадпмівна

(науковий супіль, вчене звання, прізвище, ім’я, по-батькозі, місце роботи, посада) зжаокий університет. просЬє

Провідна установа

іепжавне конструкторське Глоро «Південне», м.

(назва, підрозділ, відомство, місто)

Захист відбудеться « 20 » березня 199 8 р. о 1$_ годині на засіданні

спеціалізованої, вченої ради .

К 08.051.06

(иіифр ради)

при Дніпропетровському держуніверситеті (назва установи, в якій створена рада)

м. Дніпропетровськ. пров.НаукошіГ:.

(адреса)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці

Автореферат розісланий

(назва установи, адреса)

///. ог.ез

(дата)

Вчений секретар л

спеціалізованої вченої ради

(пі^Зтас)

Ларін В.О.

{прізвище, ііодали)

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.

В нинішній час розпиток аерокосмічної техніки іде шляхом істотного розширення задач, що виконуються космічними літальними апаратами (КЛА) під час польоту. Наслідком цього є підвищення вимог до надійності всіх елементів двигунних установок (ДУ) КЛА, що, в свою чергу вимагає детального знання гідродинамічних та теплообмінних процесів, що протікають у конструктивних елементах ДУ.

Труднощі реалізації експериментальних досліджень поведінки робочих рідин в реальних умовах експлуатації КЛА, а в ряді випадків і практична їхня неможливість, вимагають розробки математичних моделей цих процесів. Це стимулює широке застосування у проектних розробках обчислювального експерименту, істотно більш економічного, ніж натурні іспити систем, що досліджуються.

Складнощі повного математичного опису гідродинамічних та теплових процгсів у конструктивних елементах систем КЛА роблять необхідним застосування комплексного підходу до побудови моделей розглядуваних задач.

Детальний аналіз процесів конвективного переносу в окремих конструктивній елементах можливий тільки при використанні загальних математичних моделей, що спираються на систему рівнянь руху Нав’е-Стокса та рівняння енергії.

В тзй же час побудова глобальних математичних моделей для окремих підсистгм КЛА, включаючих до себе достатньо велику кількість структурних елементів, можливо тільки на основі застосування спрощених інженерних методик розрахунку.

У бііьшості випадків для побудови математичної моделі, що адекватно описує гроцес теплопереносу у реальній системі, вимагається гнучке поєднання яї моделей першого так і другого типу.

Розрвбка математичних моделей, які адекватно описують процеси переносу у реальних системах КЛА та засобів їхньої чисельної реалізації є важливою туково-практичною задачею.

Зв’язок роботи з псипсотичи програвали, планами, темами

Дослідження автора по темі дисертації проводилися у відповідність'з Координаційними планами ДКНТ у галузі механіки по темам НДР Дніпропетровської} декржуніверситету:

- “Розробка методів, алгоритмів та програм розрахунку задач аерегід-ромеханіки и теплопереносу (номер держреєстрації - 81057751, 1981г.);

- “Теоретичні та експериментальні методи дослідження складних течій рідини та га:у (номер держреєстрації - 0018173, 19P.Gr);

- «Моделювання гідродинамічних та теплообмінних процесів в умовах невагомості» (держконтракт № 6-107/96 Національного космічного агенства України, номер держреєстрації - 0195X1023972, 1995г.) та пов’язані з планами наукових та конструкторських розробок НВО “Південне.

Мета і задачі досліджень.

Метою дисертаційної роботи є розробка науково обгрунтованих методик математичного моделювання гідродинамічних та теплових процесів у конструктивних елементах двигунів КЛА.

Задачею даної роботи є дослідження наступних питань:

- створення математичної моделі і алгоритму глобального теплогідраилі-чного розрахунку для рідинної системи термостатування довільної конфігурації; '

- розробка модифікації кінцево-різницевого методу для розв’язання задач гідродинаміки та конвективного тештопереносу для течій в’язкої нестігс-каємої рідини;

- побудова математичних моделей для аналізу гідродинамічних та теплових процесіз у конструктивних елементах систем КЛА;

- розробка інженерної методики автономного теплогідравлічного..розрахунку довільного конструктивного елементу рідинної системи термостатування.

■ Сукупність таких досліджень може бути кваліфікована, як наукова проблема.

Наукова новузиа одержаних результатів.

Наукову новину роботи складає ряд оригінальних математичних моделей процесів тепломасопереносу у конструктивних елементах ДУ, загропо-нована удосконалена глодифікація чисельного методу розрахунку гідрадина-мічних та теплових ироцесів'при осеснмєтричних течіях в'язкої неешекає-мої рідини. Розроблена загальна математична модель та алгоритм системи терморегулювання довільної конфігурації. Вперше проведений повній тєп- . логідравлічішй розрахунок системи терморегулювання блоку кориснсго вантажу ракетоносія «Зеніт».

■ГҐрактцчме значення оде.гужаних пезультпптія.

Практична значимість проведених досліджень полягає у тому, цо їх результати дають можливість на основі науково обгрунтованих методв розрахунку та побудованих на їх основі програмних комплексів проводим імітаційне моделювання робочих режимів систем терморегулювання, щ> відповідають різним тилам виробів ракетно-космічної техніки.

Розроблені математичні моделі та методи розрахунку дозволяоть опти- • мізувати гідродинамічні та теплові процеси у досліджених елемеїтах КЛА,

з

удосконалити конструкції систем терморегулювання КЛА, скоротити матеріально-технічні затрати та терміни на їх проектування та відпрацювання.

Розроблений комплекс програм дозволяє ефективно проводити чисельне дослідження гідродинамічних та теплозих процесів в елементах конструкцій КЛА і може використовуватися як інструмент чисельного аналіз, на етапі проектування ДУ КЛА. За допомогою розробленого програмного комплексу вперше проведений повний теплогідравлічних розрахунок системи терморегулювання блоку корисного вантажу для виробу «Зеніт».

Результати дисертаційної роботи використані у ДКБ «Південне».

Особистий внесок здобуванні.

Розроблені нові математичні моделі, модифікація чисельного методу розрахунку та створений комплекс програй для дослідження процесів гідродинаміки та теплообміну у конструктивних елементах двигуїших установок КЛА.

Проведені систематичні чисельні дослідження по моделюванню процесів тепломасопереносу у конструктивних елементах ЛА.

Створена загальна математична модель та алгоритм глобального тепло-гідравличного розрахунку рідинної системи терморегулювання з довільним складом структурних елементів та проведена їх апробація.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення та результати роботи доповідалися:

- на всесоюзному семінарі “Про стан і проблеми розвитку аналітичних та чисельних методів дослідження процесів тепдопереносу” (м. Дніпропетровськ, 1982 р.)

- на II всесоюзній конференції молодих дослідників “Актуальні питання теплофізики і фізичної гідродинаміки” (м. Новосибирськ, 1987 р.)

- на постійно діючому науково-технічному семінарі “Деякі проблеми те-

орії, конструкції і проектування ракет та ракетних двигунів, (м. Саратов, СРІКВУ, 1988, 1990 р.) •

- на республіканській школі-семінарі молодих вчених з теоретичної та прикладно! гідромеханіки (м. Алушта, 1986, 1990 у.)

- на республіканській школі-семінарі молодих учених з .теплофізики (м. Алушта, 1989 р.)

- на міжнародній конференції “Механіка суцільної середи"* (Росія, м.

Звенигород, 1994 £.) ..

- на міжнародній конференції по малим супутникам (Іспанія, Мадрид*,

. 1996 р.)

- на щорічних конференціях Дніпропетровського державного університету.

Ш0ЛІШЛійх

Основні результати дисертації відображені у 14 статтях, 3 авторських свідоцтвах, 11 тезах конференцій.

Структура дисертації.

Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох глав, висновків, списку літератури, що включає 76 найменування та додатків. Робото містить 205 стор. машинописного тексту, в тому числі 58 малюнків та 9 таблиць.

ОСНОВИНИ ЗМІСТ

В главі 1 розглянутий чисельний метод дослідження процесів гідродинаміки та.теплообміну при осесиметричних течіях нестискаємої вязкої рідини. Рівняння Навье-Стокса та рівнянням енергії у циліндричнії! системі координат розв’язувалися у змінних функція струму - завихреність. Система рівнянь була записана в узагальненому вигляді:

АГаф^і') . ±(аіі> V) = + ЦьглЛ + .

дх V сг) ог \ сх) дх V сх) дг V Зг) ■

Де ф - узагальнена залежна змінна.

• Вирази для коефіцієнтів а, Ь, гі наведені в таблиці.:

Необхідно відзначити, що в даній роботі як залелша змінна використана величина ш*г на відзнаку Бід со/г, яка звичайно використовується со/г, що дасть моиїливість уникнути труднощів при постановці граничних умов та побудувати консервативну різницеву схему.

' Для даної системи рівняць побудована кінцево-різницеву схема. Для різницевої апроксимації конвектішиих членів використовуємо односторонні різності, орієнтовані проти потоку. Дифузійні члени апроксимуемо збуреним різницевим оператором

Використання запропонованої функціональної залежності збуреного різницевого оператора аз від сіточного числа Рейнольдса Кб у вигляді <в =Пз/(схр (Ея)-1) забезпечує достатню точність різницевої схеми на реальних грубих сітках •

Показано, що отримана різницева схема є сталою і порядок її апроксимації не нижче другого.

Отримана система кінцево-різницевих рівнянь розв’язувалася методом послідовної верхньої релаксації. Для вибору оптимального значення релак-

ф а ь (1

гш 1/г 2 1/(Ие г) 1 81У' г 8х

V 0 1/г • со

\У/г г2 1/<Кег) 0

т 1 гДКеГг) 0

саціґшого параметру був проведений чисельний експеримент, що дозволив •уточнити оптимальне значення, що пропонувалося раніше.

Проведені тестові розрахунки показали, що запропонована різницева сх€ма може бути ефективно використана при дослідженні трубних течій рідини.

Ті главі 2 розглянуте застосування запропонованого чисельного метода для розрахунку процесів гідродинаміки та теплообміну в конструктивних елементах паливних систем ДУ ЛА.

В розділі 2.1 досліджене тертя та теплообмін при течії рідини в елементі трубопроводу з дросельної шайбою.

Отримані розподіли функції струму, завихреності, компонент швидкості, температури. Деякі результати розрахунків наведені на мал. 1-3.

На мал. 1 показаний розподіл ліній струму при Іїс=1С0 для випадку не-закрученого потоку рідини За дросельною шайбою виникає ззоротна течія. При віддаленні від шайби профіль швидкості знову наближається до параболічного і при І<=25 співпадає з профілем швидкості у початковому перетині.

На мал. 2. показаний розподіл числа Нуссельта при різноманітних початкових швидкостях закрутки. При збільшенні початкової швидкості закрутки процес теплообміну інтенсифікується, що характеризується збільшенням коефіцієнта тепловіддачі.. Немонотонність розподілу числа Нуссельта породжується немонотонністго розподілу температури поблизу стінки.

Значення задачі про течію рідини через встановлену в трубі шайбу зумовлене її практичним застосуванням для виміру витрат. На мал. З наведені значення коефіцієнта витрат видатку Сн для різних значень числа Рейнольдса та відношення радіусів шайби і труби г0/ІІ. Порівняння результатів розрахунків коефіцієнта витрат (крива 1) з розрахунковими та експериментальними даними інших авторів в широкому діапазоні значень Ке і г0/В показує гарну відповідність результатів.

В розіілі 2.2 проведені розрахунки гідродинаміки і теплообміну при витіканні рідини з паливного бака через зливний отвір (мал. 4-0). Був досліджений вплив значення числа Рейнольдса на структуру течії в діапазоні від йе=101 до Ї1е=105. Результати показують, що починаючи з Пе=103, течія стабілізується і подальше збільшення числа Рейнольдса не виявляє помітного впливу на поведінку ліній струму. З зростанням Ке спостерігається , збільшення шзидкості з напрямку г, причому максимум профіля швидкості прагне до стінки, створюючи завдяки цьому пристінний струмінь.

Досліджений вплив глибини И пп структуру течії. При зменшенні глибини інтенсивність пристінного струменю в напрямку г зростає, а область

прямолінійного потоісу наближається до зливного отвору. При збільшенні II 1 профіль наближається до параболічного, а максимальне значення компоненти швидкості в напрямку г зменшується.

Деякі відмінності між цими залежностями розподілу числа Нуссельта і графіком його розподілу при осьовому підведенні рідини спостерігаються тільки при малих значеннях аргументу, що пояснюється впливом вхідної кромки, (мал. 6.)

Р розділі 2.3 проведений автономний тепловий розрахунок одного з елементів системи терморегулювання - теплообміннику рідина-рідина.

Конструктивно розглядуваний теплообмінник рідина-рідина (ТРР) являє собою систему двох концентричних циліндричних оболонок, між якими розміщений спиральний трубопровід, утворений трьома послідовно розташованими змійовиками, (мал. 7).

Після ряду спрощень молена замінити спиральний трубопровід системою паралельно розташованих вздовж осі теплообмінника торів, що дозволяє розглядати задачу розрахунку теплопереносу в цілому для теплообмінника, як осесиметричну для області, показаної на мал. 8.

Слід відзначити, що розв’язання розглядуваної задачі п повній спряженій постановці з урахуванням наступного її включення в загальний тепловий розрахунок всієї рідинної системи терморегулювання досить проблематично через великі витрати по часу лічіння. Разом з тим разовий тепловий розрахунок ТРР у можливо більш повній математичній постановці бажаний для оцінки вірогідності результатів, отриманих на спрощеній моделі.

Для спрощення розроблена інженерна методика автонемного теплового розрахунку конструктивних елементів рідинних систем терморегулювання (РСТР) літальних апаратів.

В рамках одновимірного підходу крайова задача для розрахунку зміни температури по трактам ТРР зводиться до розв’язання найпростішої систе-г мн з двох лінійних рівнянь на кожному кроку по трактам робочих рідин і для кожного розрахункового моменту часу.

Наведені результати отримані на основі паралельної апробації загальної математичної моделі розрахунку теплопереносу в теплообміннику ТРР і спрощеної інженерної методики.

Дані для розрахунку відповідають теплообміннику ТРР, що входить в РСТР блоку корисного вантажу ракетоносія «Зеніт».

На мал. 8-10 представлено розподіл функції струму у виділеному характерному елементі магістралі холодоносія, графіки підйому температури холодоносія, зміна температур теплоносія та холодоносія по трактам ТРР при його роботі в стаціонарному режимі.

Глави 3. 4 присвячені комплексному гідравлічному та тепловому розрахунку рідинних систем терморегулювання.

Системи термостатування є необхідним складником виробів ракетної техніки. Розробка і проектування СТР неможливі без прогнозування і перевірки технічних рішень, що пропонуються. Основним засобом аналізу СТР, що розробляються, до нинішнього часу с їхня експериментальна перевірка. Цей шлях, як правило, пов’язаний зі значними технічними та матеріальними витратами. При цьому експериментальні дослідження СТР у більшості випадків відбуваються на модельних спрощених СТР, що, взагалі кажучи, не цілком адекватні своїм реальним прототипам. Слід також відзначити, що включення у сучасні СТР будь-яких нових структурних елементів викличе необхідність модифікації наявних випробувальних стендів.

В цих умовах зростаюче значення набуває математичне моделювання СТР. Наявні в нинішній час інженерні методики визначення гідравлічних і температурних елементів СТР засновані на найпростіших балансових співвідношеннях і, як представляється, не цілком адекватно відбивають фізичні процеси, що відбуваються в системах терморегулювання. Основною причиною неповної адекватності інженерних методик є те, що вони ке враховують нерівномірність розподілу температури в найбільш важливих структурних елементах РСТР (теплообмінники типу “рідина - рідина”, “рідина - повітря”, регулятор витрати рідини), для яких характерна істотна просторова неоднорідність температурного поля. Для усунення цього недоліку представляється доцільним включити в загальні розрахункові методики СТР математичні моделі теплообмінників, що зводяться до крайових задач теплопереносу і враховують нерівномірність температурних полів у цих елементах.

В той же час тепловий стан ряду структурних елементів РСТР може бути описаний з допомогою звичайних диференціальних рівнянь, притаманних системам з зосередженими параметрами. Це датчики температури, тиску, деякі елементи автоматики, тобто елементи, що мають малі габарити і, внаслідок цього, допускають заміну просторового розподілу температури деякої усередненою по поверхні (об’єму) температурою, що змінюється тільки за часом. Крім того, на основі апріорного аналізу доцільно виділцти ті дільниці магістралі РСТР, на яких зміною температури робочих рідин можна знехтувати. І останніми з структурні елементи РСТР, до яких можна аа-стосувати аналіз на основі моделей з зосередженими параметрами, с об'єкти, що термостатуються. Тут необхідно відзначити омушеність такого спрощеного підходу, пов'язану з тим, що ці об'єкти включаються до РСТР, маючи заданий на відповідних підприємствах - розробниках досить обмежений набір інтегральних гідравлічних та теплових характеристик.

Таким чином, комплексний підхід, при якому кожний структурний елемент СТР моделюється своєю системою рівнянь (балансових, звичайних диференціальних або в часних похідних), що забезпечує адекватне відбивання його теплового стану, дозволяє побудувати загальну математичну модель РСТР, що по-перше, буде адекватна системі ,що досліджується, по-друге, не буде надто складкою.

В главі 3 викладені принципи дискретизації РСТР, згідно яким буде відбуватися виділення структурних елементів, необхідних для гідравлічного розрахунку. У самому загальному вигляді можна ввалити, що тракт РСТР складається з апаратів та дільниць трубопроводів з набором елементарних місцевих опорів, що з'єднують різні апарати. Передусім визначимо, що ми будемо розуміти такі місцеві опори, для яких можливо теоретичні або експериментально встановити функціональніш зв'язок між коефіцієнтом опору, комплексом геометричних параметрів, що характеризують даний опір, і параметрами течії.

Виділені структурні елементи можна підрозділити на два типи - двохву-злові елементи (ті, що мають один вхід та один вихід) і трьохвуолові елементі!. Вони мають дві точки входу та один вихід. Кожний елемент буде характеризуватися своїм номером, номерами вузлів, що цого обмежують і типом. На додаток до перерахованих характеристик елементів необхідно ввести порядкову нумерацію однотипних елементів, а для дільниці трубопроводу з елементарними місцевими опорами - ввести порядкову нумерацію однотипних місцевих опорів та їхню кількість на цій дільниці.

Розроблені пршщшш дискретизації дозволяють достатньо просто і* компактно ввести велику кількість вхідних даних, необхідних як для гідравлічного, так і для теплового розрахунку системи терморегулювання.

На основі узагальненого рівняння теплопереносу:

р‘'р £ • -0'- і * кп(т» - т>

де Г (х),П (х) - площа та периметр поперечного перетину каналу; к - коефіцієнт теплопередачі, між рідиною та навколишнім середовищем з температурою ТС5>; О - масовий видаток теплоносія; р, ср - щільність і теплоємність рідини, в результаті кінцево-різницевої апроксимації отримані розрахункові співвідношення для двохвузлозих:

С=, РС,Г ~.-І

„ С^Т, + О.Т,

та трьохвузлошіх елементів: *к - — —— ,

, «і «і

де і. і - вузли на вході елемент, к - вузол на виході, Т^, Ті, ^ - температури в відповідних вузлах; п О " мисові витрати в елементах еі.

Є, » еі

При побудові алгоритму глобального теплового розрахунку 1 СТР приймалося, що система терморегулювання, яка досліджується, має довільний склад структурних елементів, загальне число яких може бути досить великим. Такий підхід дозволить в подальшому використати розроблений алгоритм розрахунку для будь-яких систем терморегулювання.

Алгоритм загального теплового розрахунку РСТР може бути сформульований у вигляді наступної послідовності кроків.

1. Для всіх структурних елементів системи, окрім регулятора витрат і розширювальної ємкості, обчислюються коефіцієнти Ас, Вс, що залежать тільки під типу елементу та заданих вхідних параметрів. Для елементів типу “змішувач” вони будуть відсутні і не потрібні.

2. За рекурентними формулами = А а1>}; +В.#,а

для елементів-“змішувачіп” по формулам

амО. +■ а,.Ов Р4 «О -і*

а = ______-___1 І:1.....*_ ; ріь = _______1 -------^ обчислюються кое'__________________________________________________С0_'_о0

фіцієнти а ц, Р У Ц=1, N. а ы=1; р и=0).

3. За формулою х, - ——-— обчислюється значення температури и

1 - “м

першому вузлі Ті-

4. За рекурентною формулою Тм+і=Ті=аіі м+іТІ+Рі, N+1 обчислюються значення температури в інших розрахункових вузлах (Т^ при і=1, М). Даний алгоритм є найбільш економічним, особливо з точки зору використання пам'яті ПЕОМ, оскільки не вимагає зберігання поеної матриці коефіцієнтів системи рівнянь. Дії відбуваються тільки з ненульовими елементами. Цим забезпечується також відносно малий час лічення.

В г.чпні 4 наведені алгоритм та результати програмної реалізації спільного гідравлічного і теплового розрахунку рідинних систем терморегулювання.

Гідродинамічний та теплофізичний процеси в розглядуваній системі терморегулювання нерозривно зв'язані між собою, що робить задачу тепло-гідравлічного розрахунку РСТР нелінійною. Дійсно, розподіл витрат теплоносія в першому розгалуженні значним чином залежить від положення регулятора витрати рідини, що в свою чергу залежить від температури на вході о приборнпй блок. Крім того, при певній зміні темпгратури стає пеоб-

хідішм враховувати залежність фізичних властивостей робочої рідини, що ' також впливає на розподіл потоку у контурі РСТР. Очевидно, що алгоритм, що дозволив би провести дослідження розглядуваного нелінійного процесу в РСТР, повинен бути ітерацшним. Розрахунок температури теплоносія та розподілу його витрат в кожний момент часу можна уявити в два етапи. На першому з ких за допомогою ітераційної процедури за заданим положенням регулятора витрати і фізичними властивостями робочої рідини розраховується розподіл витрат по контуру РСТР. На другому етапі на основі обчисленого раніше розподілу видатку визначається температура теплоносія в вуа-лах розрахункової сітки. У випадку різких значних коливань температури необхідно перерахувати фізичні властивості теплоносія і повернутися до гідравлічного розрахунку. Якщо це перерахування по властивостям не робиться, то після обчислення температури відбувається перехід до теплогідрав-лічного розрахунку на наступному шарі за часом з попереднім переліченням фізичних властивостей теплоносія, а такол; з обов'язковіш відпрацюванням заданого для розглядуваної РСТР алгоритму управління. Таким чином алгоритм глобального теплогідравлічнаго розрахунку може бути описаний наступною послідовністю кроків:

I. Завдання необхідної вхідної інформації, початкових розподілів витрат та температури.

II. Теплогідравлічшш розрахунок на поточному шарі за часом, який включає:

1. Гідравлічний розрахунок

2. Тепловий розрахунок.

3. Перевірка або корегування положення регулятора витрати рідини на основі заданого алгоритму управління.

4. Висновок результатів розрахунку.

III.Перехід до кроку 2, якщо розрахунковий період не вичерпаний. В проти-., виому випадку закінчення розрахунку.

Для відпрацювання програмного комплексу був проведений повний теп-логідравлічний розрахунок РСТР блоку корисного вантажу ракетоносія «Зеніт» (мал. 11). Для спрощення прийняте, що температура навколишнього середовища скрізь однакова і дорівнює 15С°, початкова температура теплоносія 10С°, тепловиділення приладами здійснюється постійно. При цих умовах розглядається процес виходу РСТР на стаціонарний режим роботи. Робота блоку теплоносія моделювалася по розрахунковій температурі теплоносія у контрольному вузлі Кз12 на вході в перший з приладів. Графік зміни температури в цій точці представлений на мал. 12. З малюнку видно, що вже приблизно до 10-й хвилини СТР виходить на переодичний тепловий режим. Вагання температури в колений елементарний період пояснюються тим, що лри Тср=15С° після приведення у крайнє положення регулятора ви-

и

трати рідини (перекрита холодна лінія) згідно алгоритму управління включаються нагрівані і температура підвищується. Після відключення нагріва-чів внаслідок більш низької температури навколишнього середовища температура теплоносія знижується, після цього починається новий цикл і т. д. .

За результатами розрахунків побудовані належності втрат тиску по тракту ЖСТР від об'ємної витрати рідини, що циркулює в системі (мал. 13). Крива 1 відповідає такому положенню заслінки регулятора витрати, при якому площі прохідних перетинів щілинних отворів на холодній та гарячій магістралях однакові, а крива 2 - відповідає повністю відкритому отвору на холодній магістралі. При інших положеннях заслінки графіки, залежності ДР=І((І) лежать між кривими 1 та 2. Крива 3 характеризує видатково-папорну характеристику насосу. Крапки пересічення означених кривих' дадуть інтервали зміни втрат тиску і об'ємних витрат в РСТР я урахуванням характеристики реального насосу.

Графіки розподілу температури по тракту РСТР дли різних моментів часу наведені на мал. М. У початковий період часу в системі відбувається підйом температури за рахунок більш високої температури навколишнього середовища та тепловиділення в приладах. Оскільки в цей період темпера- , тура а контрольній точці нижче гранично допустимої, відбувається перерозподіл потоків на користь гарячої магістралі. Приблизно до 300-й секунди за змішувачем можна відзначитігтюступове вирівнювання температури в даній точці контура,'а після СОО-й секунди температурний розподіл стабілізується і перепад температур між структурними елементами СТР зберігає своє значения. Таким чином можна вважати, що до 600-й секунди система виходить па стаціонарний резким. .

Проведені розрахунки дадуть результати, що погоджуються з раніше відомими, що вказує на дієздатність розробленої програми. . ■

’ ШІСІЇОШШ '

Таким чином а наведенії) роботі: .

1. Розроблена модифікація кінцево-різницева методу для розв’язання

задач гідродинаміки і конвективного тєплопєреносу для течій влзкої нестис-каємої рідини. -

2. Розроблений ряд оригінальних математичних моделей для аналізу гі-

дподшіамічиих та теплових процесів в конструктивних елементах систем КЛА: ' • '

- в елементі трубопроводу аа наявності дросельної шайби; '

-- при витіканні палива а бака двигунної установки.

- в одноходовому рідннно-рідшшому теплообміннику системи термоста-. тусання виробу «Зеніт».

3. Розроблена інженерна методика автономного тешіогідравлічного розрахунку довільного конструктивного елементу рідинної системи термостату-вання.

4. Розроблена математична модель та алгоритм глобального теплогідрав-лічного розрахунку для рідинної системи термостатування довільної конфігурації. Достоїнством розробленого програмного* комплексу як засобу розробки і проектування СТР, є його, відносно невисока вартість у порівнянні з експериментальним відпрацюванням. Крім того, побудований за модульним принципом, програмний комплекс може бути достатньо просто поширений за рахунок включення до нього нових модулей, що'реалізують математичні моделі нових структурних елементів, що додаються до СТР.

5. Проведений обчислювальний експеримент, що дозволив провести систематичний аналіз гідродинамічних і теплових процесів в конструктивних елементах систем KJIA при мінімальних витратах по відношенню до вартості аналогічних натурних іспитів. Вперше проведений повний теплогідравліч-ний розрахунок рідинної системи терморегулювання ракетоносія «Зеніт».

6. Розроблений комплекс програм знайшов застосування лі: ефективний інструмент чисельного аналізу гідродинамічних і теплофізичних процесів на

‘ етапі проектування систем КЛА. Результати дисертаційної роботи використані в КБ “Південне”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Безуглый В.Ю., Беляев Н.М. Численные методы теории конвективного тепломассообмена. - Киев-Донецк: Вища школа, 1084. - 17G с.

2. Безуглый В.Ю., Беляев Н.М., Иванова Г.А. Применение разностных методов для расчета конвективного теплообмена в трубах. // Гидрогазодинамика течений с теплообменом. Вып. 2. - Ижевск, ИМИ, 1 DOG. - С. 5G-G4.

3.' Безуглый В.Ю., Иванова Г.А. Гидродинамика и теплообмен при течении

закрученного потока несжимаемой вязкой жидкости в начальном участке круглой трубы. // Математические методы механики жидкости и газа. - Днепропетровск, ДГУ, 1981. - С. 36-33. .

4. Безуглый В.Ю., Иванова Г.А. Исследование теплообмена в начальном участке круглой трубы. // Прикладные вопросы теплообмена. - Днепропетровск, ДГУ, 1077. - С. 83-87.

5. Безуглый В.Ю., Иванова Г.А. Трение и теплообмен при течении жидко-

сти в круглой трубе с дроссельной шайбой. // Математические методы тепломассопереиоса, - Днепропетровск, ДГУ, 1979. - С.48-54. .

0. Беляев Н.М., Безуглый В.Ю., Иванова Г.А. О методе верхней релаксации при численном решении уравнений конвективного тепломассопереноса. // Математические методы тепломассопереноса, - Днепропетровск, ДГУ, 19СЗ.

- С. 10-14.

7. Беляев Н.М., Безуглый В.Ю., Иванова Г.А. Сопряженная задача теплооб-

мена в гидродинамическом начальном участке круглой трубы. // Гидродинамика, тепло- и мзссообмен в энергетических установках. - Минск : ИТМО, 1932. - С. 76-85. ■ ■

8. Планова Г.А. Исследование гидродинамики л теплообмена при течении

закрученного потока несжимаемой вязкой ясздкссти через дроссельную шайбу. // Математические методы тепломассопереноса, - Днепропетровск, ДГУ, 1983. - С.94-99. '

9. Иванова Г. А. Исследование теплообмена в начальном участке круглой трубы при радиальном подводе жидкости // Прикладные вопросы теплообмена. - Днепропетровск, ДГУ, 1978. - С. 84-90.

10. Иванова Г.А., Безуглый В.Ю. Гидродинамика и теплообмен в начальном участке круглой трубы при радиальном подводе закрученного потока несжимаемой вязкой жидкости. // Математические методы тепломассопе-реноса, - Днепропетровск, ДГУ, 1982. - С. 63-63.

11. МакароваА.С., Иванова Г.А. К вопросу о проектировании устройств

управления топливом в баках ЛА.//Проектировагоіе и анализ характеристик летательных аппаратов,. - Днепропетровск, ДГУ, 1992. - С.69-78. _

12. Иванова Г.А, Завелпон В.И. Математическое моделирование тепломассообменных процессов при термостатировашш криогенных жидкостей. //Придніпровський науковий вісник, № 4, травень 1993р., С. 27

13. Иванова Г.А. Математическое моделирование систем терморегулирова-

ния КЛА. //Придніпровський науковий вісник, сер. “Математика та механіка”, № 12, , квітень 1997р., С.43. .

14. Иванова Г.А. Инженерная методика теплового расчета конструктивных

глементоз систем терморегулирования. //Придніпровський науковий вісник, “Математика та механіка”, № 12, , квітень 1997р., С.47. .

15. Иванова Г.А. Проведение теплового расчета систем терморегулирования

КЛА. //Прідніпровсмсий науковий вісник,' с. “Машинобудування”, №30(61), ч.П, листопад 1997р., С.133-136. - •

16. Иванова Г.А. Численный расчет ищродинамідаї и теплообмена при истечении жидкости из топливного бака. // Математическое моделирование п инженерных расчетах сложных систем. - Днепропетровск, ДГУ, 1997г.

- С. 204-203. ’ ■ . '

17. Иванова Г.А., Макарова А.С. К вопросу о построении математических

моделей систем термсстатиролания космических летательных аппаратов. //Придніпровський науковий вісник,'с. "Машинобудування”, №50(61), ч.ІІ, листопад 1997р., С.128-131. •

18. АС 250532 СССР/Беляев Н.М., Голубенко Н.С., Кувшинов ВИ., Кадацкий А.Л., Хореев П.В. , Иванова Г.А. / Заявлено 3.04.1936; Опубл. 2.03.1987г.

19. АС 302816 СССР/Беляев Н.М., Хрущ В.К., Иванова Г.А., Кувшинов В.И.'

/Заявлено 26.12.1989г ; 0публ.2.}0.1988г. . .

20: АС 249234 СССР/Беляев Н.М., Иванова Г.А., Кувшшюва. Н.И., Голубенко Н.С.. / Заявлено 3.04.1986; Опубл.,2.02.1987г. . ' .

Мал.1. Розподіл функції струму при Іїе = 100

Ии

Мал.2. Розподіл числа Нуссельта

М_.

7

Ее^ОС #■

V

2^ И

1 1

У

У/

А 0

1,

1

«і 0.4 01 0Л Й Ц М М

ЇЛал.4. Розподіл профілеп швидкост

4ЬпТі [Ь Ке* 104

ігіт

іи-ііа4

1

іггт-1 у

1 1

і

а) б)

Мал.5. Розподіл профілем швидкості для Н=0,'Д (а) та ІІ=*І (б): сі-діаметр зливного отвору

І|ііи

іії0лг\ ІІ.03 \ te.cs (3.97

IV.

4 І2—

Мал.З. Залежність коефіцієнта витрат мірной шайби під співвідношення радіусів отвору шайби і труби при різних числах Реішольдса.

1 - розрахунок, 2 - розрахунок інших авторів, © , К - експеримент

«І-Ге

ЦЛи

< -и Л *-Ц

,еБГ?і

Мал. 6. Розподіл числа Нуссельта

г.. * г

Лі

Т

^2

Сі

Г

• Мал.7. До розрахунку теплообмінника рідина-рідина

Мал.8. Розподіл функції струму . у характерному елементі магістралі холодоносія ТРР .

т -т ,°с

X НІ

Мал.9. Розподіл температури по тракту холодоносія ТЖЖ

1 - інженерна методика,

2 - .-загальна матмодель

Тг °С т,

Мал.10. Розподіл температури теплоносія (1) та холодоносія (2) по тракту ТРР ' •

Мал.11. Схема системи терморегулювання.

А - насос; В - теплообмінник ріди-на-повітря; С - теплообмінник рідина- рідина; Б - регулятор витрат; Е

- прибор; Г - нагрівач; О - розширювальна ємкість; • - розрахунковий вузол.

Мал.12. Динаміка температури у контролюєм»'! точці СТР

Мал.13. Залежність втрат тиску по тракту РСТР від об’ємних витрат рі-

• диіш

Т (°С)

Т (°С)

Мал.14. Розподіл температури по тракту РСТР у момент часу т = ЗО сек (а) та т = ЗО сеі: (б)

Іванова Г.А. Модедісвагия процесів гідродинаміки та теплообміну в конструктивних елементах дзигушшх установок космічних літальних апаратів. - Рукоппс.

Дисертація на здобуття наукозого ступечя кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07. 05. - теплові двигуни літалькж апаратів. - Дніпропетровський державний університет, Дніпропетровськ, 1038.

Дисертація присвячена питанням розробки науково обгрунтованих методи:: математичного моделювання гідродинамічних і теплових процесів в конструктивних елементах двигунів КЛА. В дисертації розроблені кодифікація кінцево-різницевого методу та математичні моделі розрахунку гідродинамічних і теплових процесів в конструктивних елементах ДУ КЛА. Наведеш результати обчислювального експерименту по моделюванню гідродинамічних і теплових характеристик в конструктивних елементах ЛА.'Запропонована .інженерна методика автономного теплогідравлічного розрахунку довільного конструктивного елементу рідинної системи термостатувапня. Розроблена глобальна математична модель та алгоритм розрахунку рідинної системи термостатувапня довільної конфігурації. Розроблений комплекс програм знайшов застосування як ефективний інструмент чисельного аналізу гідродинамічних і теплофізичних процесів на етапі проектування систем КЛА. .

Ключові слова: математичне моделювання, чисельні методи, гідродинамічні і теплові процеси, система термостатувапня.

Иванова Г.А. Моделирование процессов гидродинамики и теплообмена в конструктивных элементах двигательных установок космических летательных аппаратов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.07.05. - Днепропетровский государственный университет, Днепропетровск, 1998.

Диссертация посвящена вопросам разработки научно обоснованных методик математического моделирования гидродинамических и тепловых процессов в конструктивных элементах двигателей КЛА. В диссертации разработаны модификация конечно-разностного метода и математические модели расчета гидродинамических и тепловых процессов в конструктивных элементах ДУ КЛА. Приведены результаты вычислительного эксперимента по моделированию гидродинамических и тепловых характеристик в конструктивных элементах ЛА. Предложена инженерная методика автономного теплогидравлического расчета произвольного конструктивного элемента жидкостной системы терыостатирования. Разработана глобальная математическая модель и алгоритм расчета жидкостной системы термостатпрования произвольной конфигурации. Разработанный комплекс программ нашел применение как эффективней инструмент численного анализа гидродинамических и теплофизических процессов на этапе проектирования систем КЛА. •

Ключевые слова: математическое моделирование, численные методы, гидродинамические и тепловые процессы, система термостатпрования.

Ivanova G.A. The modeling of hydrodynamics and heat exchange processes in the constructive elements of space vehicles engine. -Manuscript.

Thesis for a candidate of science by specialty 05.07.05 -heat engines of flying aircraft’s - Dnypropetrovsk State University, Dnypropetrov.sk, 1998. '

The dissertation is devoted to elaboration of theoretically substantiated methods of the mathematical modeling of hydrodynamics and heat processes in the constructive elements of space vehicle engines. The modification of fi-nite-difference method and calculation mathematical models of hydrodynamics and heat processes in the constructive elements of space vehicles are elaborated in the dissertation. Calculating experimental results for modeling cf hydrodynamics and heat characteristics in the constructive elements of space vehicles is adduced. The engineering method of the autonomous heat-hydraulic calculation for the arbitrary constructive element of liquid thermo-stating system is proposed The global mathematical model and calculating algorithm of the liquid thermostating system of arbitrary configuration are elaborated. The program complex is used in a quality of the effective instrument of numerical analysis of hydrodynamics and heating- physical processes on the stage of system space vehicle projecting.

Key words: mathematical .modeling, numerical methods, hydrodynamics and heat processes, thermostating system. .

Тмпографія Дніпропетровського державного університету Заказ № 518.

Тиран: 100 екз.