автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.01, диссертация на тему:Моделирование теплового нагружения конструкции топливного бака отделяющейся части ракеты

РГ6 од

о у СЪЕВ 1Г1

На правах рукописи

РЫСКОВ Игорь Юрьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО НАГРУЖЕ11МЯ КОНСТРУКЦИИ ТОПЛИВНОГО БАКА ОТДЕЛЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТИ РАКЕТЫ

Специальность 05.07.01 -Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технически?; наук

Омск-199Б

Рабсна выполнена ни кафедре «Автоматические установки» Омского государственного технического университета

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Научный руководитель

Научный консультант

доктор технических наук, профессор Трушляков Валерий Иванович кандидат технических наук, доцент Шалай Виктор Владимирович доктор технических наук, профессор Горелов Дмитрий Николаевич; кандидат технических наук, доцент Ненишев Анатолий Степанович

Коне I рук горское бюро производственного

объединения «Полет» (город Омск)

Защита диссертации состоится 27 феврали 1998 года в 14-00 на заседании диссертационного совета К 063.23.04 в Омском государственном техническом университете по адресу; 644050,0мск-50, пр. Мира, 11, ОмГТУ, ауд. 6-340.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим отправлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться ь библиотеке ОмГТУ. Автореферат разослан «_» января ¡998 года

Ученый секретарь диссертационног совета К 063.23.04 к. т. н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На всех этапах эксплуатации ракет-носителей (РН) различных классов происходит неблагоприятное воздепстште па окружающую среду (ОС). Для РН с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) на токсичных компонентах ракетного топлива (КРТ) наибольшую опасность для ОС представляют выбросы токсичных КРТ. Максимальное количество выбросов приходится на районы падения отработанных ступеней, когда оставшиеся в них неизрасходованные КРТ попадают в ОС при разрушении ступени в верхних слоях атмосферы или при ударе о- грунт. Количество неизрасходованных КРТ может достигать значительных величин, так, для I ступени РН "Космос" остатки горючего могут составлять свыше 1000 кг.

Возможен целый ряд бортовых систем снижения вредного воздействия КРТ на ОС. Оценка эффективности подобных систем на основе суммарного стоимостного критерия, включающего в себя затраты на разработку системы и затраты на компенсацию ущерба окружающей среде показала преимущество бортовой системы обезвреживания (БСО) на основе термохимического метода нейтрализации остатков горючего в баках отработавших ступеней ракет на пассивном участке траектории. Такой метод обладает достаточно высокой скоростью обезвреживания, что в условиях малого времени пассивного полета отработавших ступеней имеет существенное значение. При этом сброс продуктов реакций из бака горючего происходит в основном в верхние слои атмосферы, на высотах более 50 км, что способствует их дальнейшему полному разложению под действием ультрафиолетового излучения Солнца.

Работа проводилась при поддержке грантов в областях «Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и . экологии», 1994-96гг. и «Фундаментальные исследования в области авиационной и ракетно-космической техники»', 1994-97гг. Результаты работы использовались: при выполнении межвузовских программ «Конверсия и высокие технологии», 1994-97гг. и «Технические университеты», 1994-97гг.; региональных программ «Омский регион», 1994-95гг. и «Алтай-Р», 1997г.

Цель диссертации. Основной целью исследования является разработка методики для определения теплового нагружения конструкции бака ракеты и эффективного режима функционирования БСО, обеспечивающего за время пассивного полета ступени на внеатмосферном участке траектории обезвреживание заданного количества остатков КРТ. Для решения этой задачи необходимо: обосновать выбор метода исследования процесса термохимического обезвреживания; выполнить математическое моделирование процессов тепломассообмена химически неравновесных течений с учетом впрыска и испарения отдельных компонентов; найти решение полученной системы дифференциальных уравнений методами численного интегрирования; провести идентификацию методики численного расчета по результатам экспериментальных исследований; провести численное ис-

з

следование процесса термохимического обезвреживания в топливном баке ракеты.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе математического моделирования процессов тепломассообмена несжимаемых химически неравновесных течений с учетом впрыска и испарения отдельных компонентов.

Разработанная система дифференциальных уравнений со сформулированными условиями однозначности решалась методами численного интегрирования на ЭВМ.

Научная новизна и основные результаты. Установлено, что при проведении процесса термохимического обезвреживания топливного бака ракеты происходит диффузионное горение, характеризующееся существенной неравномерностью распределения температур и концентрации исходных компонентов и продуктов их взаимодействия.

Разработана математическая модель для общего случая ламинарного течения вязкого, несжимаемого газа, состоящего из нескольких компонентов, между которыми могут происходить химические реакции с учетом впрыска и испарения отдельных компонентов.

Предложена упрощенная модель химических превращений несимметричного днметилгидразшга (НДМГ), сводящая все химические взаимодействия к трем одностадийным, подчиняющимся закону Аррсниуса реакциям.

Для численного исследования процесса термохимического обезвреживания была разработана программа, которая методами численного интегрирования решает полученную систему дифференциальных уравнений сохранения совместно С уравнениями кинетики.

Исследованы распределения температуры, концентраций химических компонентов внутри рабочего объема и особенности прохождения процесса термохимического обезвреживания.

Достоверность результатов исследований. Проведена идентификация результатов численного моделирования термохимического процесса с результатами натурных экспериментов. На основе этого уточнены механизм прохождения химических реакций, значения кинетических констант и коэффициентов лучистого теплообмена.

Практическая ценность. Создана методика для определения теплового на-гружения конструкции бака ракеты п эффективного режима функционирования БСО. БСО является принципиально новой системой в ракетной технике, подобные исследования ранее не проводились.

По результатам исследований разработаны рекомендации, позволяющие улучшить рабочие характеристики бортовой системы обезвреживания: время обезвреживания, химический состав сбрасываемых продуктов нейтрализации путем изучения алияиия на температурный режим конструкции ступени различных

вариантой взаимного расположении форсунок впрыска окислителя, жидкою горючего и выхлопного отверстия, а также скорости, дисперсности и угли наклона подаваемо;! струн окислителя. Определены значения конструктивных параметров системы обезвреживания к получены критериальные уравнения для инженерных расчетов применительно к РН «Космос».

Разработанная методика расчета'полей температуры, концентрации химических компонентов я скоростей универсальна и может найти применение в задачах конвективного теплообмена, конвективного массопереноса, для исследования химически реагирующих смесей в несло маемых средах с учетом впрыска и испарения отдельных компонентов, например, в моделировании химических реакторов и топочных устройств.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на . Всероссийской межвузовской конференции «Конверсия ВУЗов - защите окружающей среды» (Екатеринбург, 1994г.}, . Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды»( Томск, 1995г.), Международной научно-технической конференции "Динамика систем, машин и механизмов" (Омск, 1995,1997гг.).

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 5 работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Объем диссертации: 124 страницы, включая 74 рисунка и библиографию на 45 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи работы, указаны методы исследования, изложены научная новизна и практическая ценность результатов.

Первая глава содержит обзор работ по уменьшению вредного воздействия ракетных средств выведения на ОС. Оценка эффективности ряда систем снижения вредного воздействия КРТ на ОС показала преимущество бортовой системы обезвреживания на основе термохимического метода нейтрализации остатков горючего в баках отработавших ступеней ракет на пассивном участке траектории. По завершению АУТ отработавшая ступень отделяется от РН и продолжает полет на пассивном участке траектории. В топливных баках отделившейся ступени, как правило, остаются неиспользованные КРТ, наносящие значительный ущерб окружающей среде в районах падения. Для ликвидации остатков горючего был предложен метод термохимического обезвреживания.

На начало процесса остатки жидкого горючего, после прохождения импульсов отделения ступени, случайным образом распределены по объему топливного бака. Необходимое для проведения термохимического процесса количество окислителя находится в. специальной емкости. Через блок форсунок, расположенный на тоннельном трубопроводе, окислитель впрыскивается а бак горючего. Рас-

сматрнваемые KPT имеют свойство самовоспламеняться при низких концентрациях и температурах.

Предыдущие исследования бортовой системы обезвреживания проводились в предположении, что процесс окисления и разложения горючего происходит равномерно но всему объему бака. Температура, концентрации химических компонентом также усреднялись но всему объему. Преимущество усредненной модели заключается в том, что она позволяет достаточно точно рассчитывать основные параметры процесса термохимического обезвреживания (температуру, давление в баке, время обезвреживания) в баках малого объема при интенсивном перемешивании реагентов. В топливных баках ракет, при отсутствии интенсивного перемешивания компонентов топлива, чтобы дать качественную оценку механизма прохождения процесса обезвреживания, используется число Дамкеллера, определяемое как отношение времени пребывания реагентов в системе с горением к времени реакции.

Время реакции определяется как величина, обратная константе скорости химической реакции окисления. Время пребывания реагентов внутри топливного бака при проведении процесса может составлять десятки секунд, в то время как время реакции гораздо меньше одной секунды. Это означает, что число Дамкеллера будет стремиться к бесконечности и, следовательно, имеет место диффузионное горение, которое происходит с существенной неравномерностью всех определяющих параметров (температуры, концентрации и т.д.) и в значительной степени определяется конвективным и диффузионным процессом. Скорость химических превращений в потоке газовой смеси зависит от температуры и давления, которые определяются общими условиями течения. Значит, для того чтобы определить полноту реакций, необходимо решить систему дифференциальных уравнений сохранения количества движения, энергии и концентрации рассматриваемых компонентов совместно с уравнениями кинетики.

Во nropoii главе дается физико-математическое описание термохимического процесса обезвреживания. На основании анализа физической модели процессов, происходящих при термохимическом обезвреживании, построена математическая модель химически неравновесного течения с учетом впрыска и испарения отдельных компонентов для следующих допущений.

В уравнении баланса энергии исключается из рассмотрения диссипативный член и член, характеризующий работу сил давления, т.к. рассматривается процесс горения, имеющий несравнимо больший уровень тепловыделений, чем данные явления. Из-за наличня интенсивной вынужденной конвекции не учитываются процессы термо- и бародиффузии.

Совокупность протекающих реакций при взаимодействии горючего НДМГ и окислителя - азотной кислоты (АК) -. представлена тремя процессами: окисление НДМГ; термическое разложение НДМГ; окисление продуктов термического раз-

ложения НДМГ. Считаем, что скорости этих реакций подчиняются закону Аррс-ниуса.

Рассматривается квазисжимаемая среда. Число Маха для рассматриваемого процесса М«1, поэтому правомерно предположить, течение несжимаемым как перед, так и за фронтом пламени со скачком плотности при пересечении фронта. Однако при решении нестационарной задачи средняя по объему плотность с течением времени будет изменяться при изменении средней температуры в баке (давление будем считать постоянным на всем протяжении процесса и равным максимально допустимому). Для рассматриваемой среды число Льюиса близко к единице,.

Процесс проводится во время свободного падения ступени и разреженной атмосфере. Действие массовых сил при этом мало, возможная закрутка падающей ступени вокруг продольной оси также не создаст значительных массовых сил.

С учетом принятых допущений система безразмерных уравнений в осесим-метричной цилиндрической системе координат в переменных: функция тока - завихренность, описывающая нестационарный процесс химически неравновесного течения газа, распределения температуры и концентрации рассматриваемых компонентов, будет иметь вид

1 д ( 1 <?>Л 1 ¿V , л ,п

да' , дсо' I ( I д ( ,, <?2<И; (2)

д' а- ¿у Ре1г' дч. ач ¿у2; > Л' Д' &}• Ре„Дг' ЛЧ <к') ¿У'2; '

л

Функцию тока определяется соотношениями

1^ = 1.; (5) 1=1

рТ'^сог^; (6)

ми-^Н + М«. (7)

, 1 «V' 0( 1 ¿V' /о\

и =— —— И Э —ГГ. (о)

г' г' а' х '

Завихренность определяется как

'•¿М-

Проведение исследования БСО подразумевает численное моделирование схем с различным взаиморасположением форсунок впрыска окислителя и жидкого горючего. Одн. ко все эти схемы имеют одни и те же характерные зоны: твердую сгенку с наружным теплообменом, испаряющийся слой горючего, форсунки впрыска окислителя и выхлопное отверстие. Граничные условия запишем на примере характерной расчетной области, имеющей все эти зоны (рис. 1).

При у'-(0,11; г'1<г'<г'2 и г'л<г'< с1/2Ц у=0; г',<г'<г'5 и г'4<г'< с!/21_, у'=1

8'Л'-1 - 7 Ус - Ус-г .

2Д1г

7 = в|.(г-т;,,1Р)-к,ч,„;

,г

При г'=с1/21., у'=|0,1!

! г?1 у' ¿V'

сЪ'

Г 'V1 При г'2<г'<г'.,, у'=0

¿У

• Т I ИСК» С] Сцен,

1

<у

г" Л' При г"з<г'<г'4, у'=1 Гу

0*» ~ , , ~ Г ^ ^ Т'|,СП.ОК1 СиснОК!

¿с,

/г' . ^

¿V'

: <Ъ'

=...= 0.

=...= 0,

(10)

(11)

(12)

= о;

- = о;

<£, ¿С 2

г=0; Ту = ¿р='"=0'

'У " <У Ъ Коэффициент теплопередачи к наружно»! среде определяется выражением

(13)

Стсккк

рабочего

объема

Поверхность

Л. ; • (14)

Характер лучистого теплообмена определяется оптической толщиной среды. Если поглощательная способность среды мала, луч будет проходить большие расстояния через среду без значительного ослабления. При проведении процесса термохимического обезвреживания из всех поглощающих газов в заметных количествах присутствуют пары Н2О - объемная концентрация около 10 %.

В этом случае излучение учитывается геше тепловой поток от поверхности фронта горения на внутренние поверхности бака.

г 'т 4)1 ('т V I

= г-I -Л,!-1-- . (151

и" • ч чюоу \шо,| ! 4 ■

Для решения нестационарной задачи условия однозначности должны включать в себя следующие начальные условия;

I > ^

Т'=Т'о; с, = —?-~-С;=С.г-С4 "0; С^д—1 -С[. (¡6)

[ Ы ^

Считаем, что газ внутри бака неподвижен. Он состоит из паров горюиего и азота. Массовая доля паров НДМГ зависит от давления насыщенных парой топлива при начальной температур? и общего давления в бакс.

В уравнениях (1)-(16) обозначены:

и. и0' . и/ г ь' у 1Л}„' ДТ'

ре = Щ. Рс _М. ■ и-М.

Кв V ' . а ' И, ' Я '

К <*•.*''<> ■ а а __!_' а 1_1_

~ тТ / • ~ Т"т / » -» ~ . \т > ^ ~ /„П '

Система уравнений (1)-(6) с граничными и начальными условиями (10)-(1б) решалась методами численного интегрирования. В основу дискретизации дифференциальных уравнений положен метод контрольного объема. Основная идея метода, именуемого также интегро-интер'поляционным, заключается в том, что расчетную область разбивают на некоторое число непересекающихся контрольных объемов, по каждому из которых интегрируется исходные уравнения. Неопределенность в задании величины характерной переменной на границе раздела элементарных объемов может лривести к неустойчивости схемы даже дня относительно небольших значений чисел Рейнольдса и Пекле. Применение комбинированной схемы, созданной на основе.экспоненциальной, определяющей значение характерной переменной на границе раздела элементарных объемов из точного решения одномерного уравнения переноса, делает схему устойчивой для значений чисел Рейнольдса и Пекле порядка 106 и выше.

Для решения конечно-разностных аналогов была использована неявная схема метода чередующихся направчений. Интегрирование по времени на интервале А! дискретного аналога дифференциального уравнения осуществляется за два шага \+М2, 1+1. Преимущество этого подхода по сравнению с полностью неявными схемами заключается в том, что в рассматриваемой схеме каждое разностное уравнение хотя и неявно, но имеет только трехдиагональную матрицу, которая эффективно решается методом прогонки.

Вычисление местапюпнриою процесса реализуется следующим образом: на иачш>!,1;ы.Ч момент --.рсчсии задаются значения ьсех определяемых параметров -коицек[рация (¡сходных ¡ющссгв. температуры, расход окислителя. Далее, для кяисдо! о тага по времени первоначально решается гидродинамическая задача, причем уравнение для V каждый раз итерируется до сходимости. Полученные значении скеросгоп используются для решения уравнений сохранения энгргии и массы ксчио 1Смго1;. Скорость химических реакций рассчитывается всегда явно -тк> зилченипм соопсгстнумщих температур и концентраций с предыдущего по-луша<а ¡'О времени. ¡¡а каждом шаге по времени для нового состава смеси пере-счии.тчило! значения (срмодинамических параметров - плотности, осредненной темперлуры. Итерцр.ип ио времени продолжаются до получения стационарного решения для исех характерных ветчин.

Сопоаазлекпе результатов расчета программы с некоторыми аналитическими у.с л.:мг, для несжимаемых течений позволяет говорить о их качественном и колпчсслиешюм соигисгсшш.

''ЛЧИ'ИЖЬЗ носвящеиа идентификации методики численного расчета по результатам женериментальных исследований.

Дли проведения жеперпменгальиых исследований системы термохимического обезвреживания остатков горючего в юилпшюм баке отделившейся ступени на пассивном \час1ке (раекюрни полета были использованы результаты, полученные ча модельной 'жеперимомалыши установке, представляющей сектор топ-лиыьи о бака раксна 11 ¡. При проведении эксперимента производилась регистрация давление в рабочей емкости, расхода компонентов, химического состава сбрасываемо; о-газа и температуры газов в пяти точках рабочей емкости.

Численное моделирование показывает, что процессы внутри бака развиваются сл; лмонп'.м образом.

На момент времени до начала подачи окислителя пары НДМГ имеются в некоторых количествах во всем обьеме бака. При впрыске окислителя вокруг форсунки образуется фропг пламени, где происходит стехиометрическое взаимодействие горючего и окислителя. По мере его распространения за счет конвекции и диффузии происходит выгорание парообразного НДМГ, фроит горения пройдет по всему объему бака и расположится над поверхностью испарения НДМГ. Одновременно с началом горения начинается нагрев паров НДМГ и их термическое •разложение, что также вносит некоторый вклад в рост температуры. Продукты разложения также могут взаимодействовать с окислителем с выделением тепла.

иели поверхность испарения остается неизменной, то через определенное аремя устанавливается стационарная картина (рис.2-6). На рисунках представлены расчетные линии тока, распределение значений температуры, массовых долей горючего, окислителя и продуктов термического разложения горючего внутри экс периментальной установки.

в)

Из рнс.2 видно, что при проведении процесса а рабочем объеме устанавливается циркуляционное течение, центр вихря располагается приблизительно в центре рабочего объема. При увеличении расхода окислителя центр основного вихря смещается в сторону выходного отверстия, а возле форсунок впрыска окислителя образуются завихрения небольших размеров. В соответствии с конвективной картиной устанавливается распределение основных параметроз термохимического процесса.

Фронт горения расположен над поверхностью жидкого горючего (рис.3). Он изменяет свое положение в соответствии с изменением картины тока. Зона реакции имеет следующую структуру: над поверхностью испарения располагается слон парообразного горючего (рис.4), по мере удаления от поверхности испарения он прогревается до температуры, достаточной для пиролиза НДМГ, следующий слой составляют продукты пиролиза (рис.б), которые вступают в реакцию с парообразным окислителем (рис.5), образуя фронт горения. Такая структура не противоречит результатам экспериментов - химический анализ продуктов обезвреживания показывает, что значительную их часть составляют продукты термического разложения НДМГ.

В представленной математической модели существует неопределенность в величине некоторых коэффициентов. В первую очередь это относится к кинетическим константам для реакции окисления продуктов термического разложения. В результате термического разложения НДМГ образуется до 10 компонентов, способных к взаимодействию с окислителем. Кинетика эт[гх реакции недостаточно изучена для условий процесса обезвреживания, поэтому возникают трудности в задании кинетических констант и стехиометрнческих коэффициентов. Кроме того, дополнительный учет такого количества уравнений приведет к возникновению вычислительных трудностей. По этим причинам было принято решение: процесс окисления продуктов смоделировать одной реакцией, с осредненными значениями кинетических констант и теплотой реакции, определяемыми идентификацией результатов расчета с данными экспериментов. Химический состав продуктов процесса обезвреживания, полученных в эксперименте, свидетельствует, что реакция термического разложения НДМГ происходит в больших количествах и, следовательно, оказывает влияние на температурный режим, процесса. Удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных значений температуры было достигнуто при следующих величинах кинетических констант и теплоты реакции окисления продуктов термического разложения: , кз°=0,5 • 107; Е}=7500 ккал/моль; (2=3500 кДж/кг.

Наряду с химическими реакциями в процессе термохимической очистки важную роль занимает процесс испарения топлива. В экспериментах приведены данные по средней интенсивности испарения НДМГ при различных подачах окислителя. По этим данным уточнены коэффициенты в уравнении для лучистого теплового потока, подводящегося к слою жидкого топлива.

/ш.

\\ V

\\\ :!{

¡ц\

; /,'й

у, ! : !!Ц

'А

г-л; .л л«/:

1 .1

г -о.«ч.л.>1

з ».«сва ■I и.да,'-.'.и ь о.опиа.

С, С.т . !|.П

Е

I с.и.:б;к I,! с.кй.ай

II

й.о'-С-л 13 И.1ЧИ1Г. И в.81ЮГ. о.яаа:

К. ЯХТ-ИЛ!)

ВлЙЯ 18 СЛЧЖ1 з.оь:э17

/ /

V

Рис. 2. Функция тока при подачи окислителя 24 г/с

к, ^ -^Г4 , I*. '

/

- *>• /

. „ . .. . / / , — ' I

Б: //

/ пЩ

ТВ1ЛН"ЯТ!»РД

1 и.ооилио г 41.717000 з ¡¡з.ниаиз

I 125.23111-30

Ь ИЮ.?И'1ВД 8

5 333.S1HI.I0 Ш 375.665.-U0

II '.17. члгим 12 ПГ.С М п ЫШ.онум

14 м.г.ьыи« 15» ы-д .--«жии 1Ь И&ЛЗЫлЮ

17 667.О77М30

18 70Э.61ЧЮЗ

15 7К1.ЭИЬ«1

га из.ютим

Рис. 3. Температура при подаче окислителя 24 г/с

НЯССТМН (П»н ГОР.

г п.покипи г о.р-ыаии .3 о.отамо

4 и. та»»!

5 О.!ЮТ!) О Я.ШЮПО ? и.2и.!ИШ

а в.гоииио 5 о.гадаю « н.жтад и и. коми

12 (1.5501100 ■

13 П.-КГ-ИШ м о.чинмп

15 0.-135ЕЮО 1Г, 11,530'ЮН

17 иЛЬУМИ

18 о.боаюо

14 п.имам

■¿и В. (ГЛ11НШ

Рис. 4. Массовая доля горючего при подаче окислителя 24 ¡Л'

>4 !

■(¡/А

/

ШУ < +

плштяя яиа их.

1 о.ооаооа

2 0.0-10(100 1 П.М7МКП

ч Й.ПГИШО а.няаа

6 н.швоа

7 И.215000

и и.гыипт з о.ашп ю о.заюоо

И 0.355000

12 0.39ИОЦО

13 П.1ХЯП0Н

м н.^мтоа

15 0.405000

16 0.533003

17 0.565000

18 В.ШКЯО 13 п.ьливв гв в.б7ооов

Рис. Массовая доля окислителя при подаче окислителя 24 р£.

I/ 7

/: ¡'

. г :-.'// «

<

¿о

1

кнсилич дмк гп.

1 Я.ИЦГ.'С'! ?. ПЛИиЧ'С

3 в-атч-тм

■1 п.и>шз

I ¡'.1ГЛЧП

(■ II. Г.1Й >•I

? п.ггиж

I! I. ./.'ЙМЧ!

4

Ш ¿¡.лЦ'Щ!)

н р.:;'|-'|-11В

¡г В.о-ЛЧМ

1.1 ¡¡.-¡¿уии

II

\Г, 0.4Т>>«!

з:I е.Г..:-1мч:|

IV ¡ч.'ЛЛПП

ш о.»№ош) 1ч и.кычш гп п .мопса

Рис. 6. Массовая доля продуктов термического разложения горючего при подаче окислителя 24 т/с

Сопоставив экспериментальные и расчетные значения температур, можно утверждать об их соответствии. Это справедливо как для больших расходов окислителя, так и для малых. Полнота и скорость химических реакций во многом определяется температурным полем, которое формируется тепловыделениями реакций. Говоря о подобии температурных полей в расчете и эксперименте, мы можем утверждать, что разработанная теоретическая модель достоверно описывает основные химические превращения, имеющие место при проведении процесса. Это подтверждается химическим составом парогазовой смеси на выходе из установки, полученным в эксперименте.

Четвертая глава посвящена численному исследованию термохимического процесса обезвреживания в топливном баке ракеты.

Расчеты проведены применительно к первой ступени РН "Космос".По конструктивным соображениям дренажные отверстая расположены по центру бака симметрично относительно верхнего и нижнего днищ, что позволяет в качестве расчетной области выбрать только четверть топливного бака РН.

Расчеты показали, что необходимым условием проведения процесса является предварительная закрутка отделяющейся части ракеты с целью перераспределения остатков топлива на обечайку бака для ее тепловой защиты. В противном случаи внутри бака имеется капельное распределение горючего, в этом случае

площадь испарения горючего многократно возрастает, к тому же она распределена по всему объему к не возникает ситуации недостатка горючего в объеме бака, как в случае с экспериментальной установкой, когда распространение НДМГ лимитируется процессом испарения. Впрыскиваемый окислитель смешивается с парами горючего и образующийся поток с максимальной температурой воздействует на незащищенные стенки бака ракеты, что приводит их к быстрому разрушению. Выходом из данной ситуации может служить закрутка отделяющейся части ракеты. В этом случае за счет действия центробежных сил жидкое горючее из объема бака перемещается на внутреннюю поверхность обечайки, покрывая ее равномерным слоем , который служит хорошей теплоизоляцией.

В результате расчетов выявлено несколько качественно различных режимов прохождения процесса обезвреживания п топливном баке отделяющейся части ракеты. Качественная картина во многом определяется взаимным расположением форсунок впрыска окислителя, жидкого горючего и выхлопного отверстия (рис.7,8).

Оптимальной схемой подачи окислителя, обеспечивающей минимальную тепловую нагрузку па конструкцию бака и удаление всех остатков топлива за время падения, является схема с равномерным расположением четырех блоков форсунок вдоль тоннельного трубопровода, с наклоном крайних из них в сторону днища. В результате наклона верхнего блока форсунок перестает образовываться вихревое течение у днища, это снижает воздействие на него горячих продуктов сгорания. В нижней части расчетной области картина процесса качественно не изменяется. В целом, по сравнению с другими расчетами, средняя температура стенки бака ракеты уменьшилась для всего диапазона изменения расхода окислителя (рнс. 8). Это позволяет сделать вывод, что данный вариант взаимного расположения форсунок, остатков топлива и выходного отверстия является наиболее приемлемым для проведения термохимического процесса обезвреживания в топливном баке ракеты.

Для дальнейших конструкторских разработок определены локальные коэффициенты теплоотдачи для рассмотренных схем БСО, а также критериальная зависимость осредненных коэффициентов теплоотдачи от величины расхода окислителя для последней схемы:

для поверхности испарения

N11=3 8,935Яе0-2927; (17)

для поверхности бака

№1=18,736Ие°'17!. (18)

Рис. 7. Верхнее расположении форсунок: а - распределение температуры внутри бака; б - распределение температуры и коэффициента теплоотдачи вдоль днища бака

1ь

А I И *:«! 4:

Л ■ 1 \ '! !! « /I ; - \ и] .г

! I Ш

¡шм

р'^ЧЧ >! с* г

Иг*,!

.Л»? 1

ТЕППЕРАТЧт

I О.ОСЗИСО I 58.521ЫЮ 3 1в1.05П00в

I К1.0М50и

5 гик.и?1«м ь гзг.явтя»I ? жыгктм!

3 зм.ьгомо

4 40i.iT/umi 10 1M.6i2.ro

II ЬШ.17>№1 '

1г иа.еят га ия.ышм

М (ДЬ.ТГЕОВ

15 7Э?.^00<Ч1

16 75?.'.Ъ.Ж00 IV

1!; РПИ.ТК.'ОТ 19 кю.загм» г« теч.тоып

г 160

Рис. 3. Равномерное расположения форсунок с наклоном: и - распределение температуры внутри бака; б - распределение температуры и коэффициента теплоотдачи на днище топливного бака

Основные результаты диссертации

1. При проведении процесса термохимического обезвреживания остатков горючего в топливных баках ракеты реализуется диффузионное горение, характеризующееся большими градиентами температуры и концентраций. Моделирование процесса возможно на основе дифференциальных уравнений сохранения для химически неравновесных течений с учетом впрыска и испарения отдельных компонентов.

2. Предложена математическая модель н создана программа для численного исследования несжимаемых химически неравновесных течений с учетом впрыска и испарения отдельных компонентов. Выполнена идентификация результатов численного моделирования с результатами экспериментов по проведению термохимического процесса, в результате чего уточнены механизм прохождения химических реакций и значения кинетических констант и коэффициентов лучистого теплообмена.

3.Численные исследования процесса термохимического обезвреживания в топливном баке позволили изучить влияние конструктивных параметров бортовой системы обезвреживания на температурный режим конструкции ступени и химический состав сбрасываемых продуктов обезвреживания. На основе исследований предложена эффективная схема ввода окислителя в бак, обеспечивающая обезвреживание остатков НДМГ в полном объеме за время падения ступени в верхних слоях атмосферы при приемлемом тепловом нагружепии конструкции.

4.Разработанная методика расчета полей температуры, концентрации химических компонентов и скоростей универсальна и может найти применение в задачах конвективного теплообмена, конвективного массопереноса, для исследования химически реагирующих смесей в несжимаемых средах с учетом впрыска и испарения отдельных компонентов, например, в моделировании химических реакторов и топочных устройств.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Трушляков В.И., Шалай В.В., Рысков И.Ю. Уменьшение вредного воздействия ракетных средств выведения на окружающую среду // Конверсия ВУЗов - защите окружающей среды: Тез. докл. Всерос. межвуз. конф. Екатеринбург, 1994. С. 73.

2. Трушляков В.И., Шалай В.В., Рысков И.Ю. Разработка и исследование методов снижения выбросов в атмосферу токсичных веществ при эксплуатации ракет // Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды: Тез. докл. Междуиар. конф. Томск; 1995. С. 151.

3. Трушляков В.И., Шалай В.В., Рысков И.Ю. Математическая модель процесса термохимического обезвреживания остатков токсичного топлива в баках ракеты // Динамика систем, механизмов и машин: Тез. докл. 1 Междунар. науч.-техн. конф. Омск, 1995. С. 84-86 .

4. Трушляков В.И., Шалай В.В., Рысков ИЛО. Исследование термохимического метода очистки топливных баков ракет на пассивном участке траектории // Динамика систем, механизмов и машин: Тез. докл. 1 Междуиар. науч.-техн. конф. Омск, 1997. С. 110-111.

5. Трушляков В.И. Шалай В.В. Рысков И.Ю. Исследование термохимического процесса обезвреживания жидких остатков горючего в топливном баке отделяющейся части ракеты на пассивном участке траектории //Вестник МГТУ им. Баумана . М., 1998 (в печати).

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Трушляков В.И., Шалай В.В., Дубоносов А.П. Некоторые результаты экспериментальных исследований системы обезвреживания жидких остатков горючего в топливном баке отделяющейся части ракеты на пассивном участке траектории //Вестник МГТУ им. Баумана . М., 1998 (в печати).

Редактор Т.Д. Москвиткна ЛР И 020321 от 26.11.96

Подписано к печати 22.01.98. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Опоратквинй способ печати. Усл.печ.л. 1,25. Уч.-изд.л. 1,25. Тирах 100 экз. Заказ 26.

Издательство ОмГТУ. 644050 , 0мск-5Э, пр. 'Акра, 11 Типография ОмГХГ