АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ - 2003

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ УСТАНОВКИ СИНТЕЗА УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ

Петренко В.И. , Крюков А.Ю., Малинин В.К Пермский Государственный Технический Университет

Проектирование современных технологических установок, использующих горение металловоздушых смесей, без правильного математического моделирования рабочих процессов может привести к большим ошибкам в определении конструктивных параметров.

В статье [1] предлагается проект опытно-промышленной установки для производства ультрадисперсного оксида методом сжигания порошка алюминия в потоке воздуха. Для проектирования нужно знать конструктивные параметры установки в целом и отдельных её узлов. Важным элементом конструкции является камера воспламенения, поскольку в ней происходит первый этап синтеза целевого продукта - воспламенение смеси воздуха и порошкообразного горючего. Проводится расчет рабочего процесса в камере с целью определения некоторых основных параметров воспламенения аэровзвеси частиц алюминия; на основе расчёта определяются основные конструктивные параметры камеры: длина и диаметр.

Для расчётов выбрана математическая модель, представленная в [2] и [3], поскольку в ней наиболее полно учтены особенности горения газовзвесей частиц алюминия: сильная скоростная, температурная и химическая неравновесность, накопление оксида и кинетические ограничения процессов окисления (разложения) и испарения (конденсации) на поверхности частиц и в объёме потока [3].

Рассматривается одномерный поток полифракционной аэровзвеси сферических частиц алюминия, характеризующийся переменной скоростью, температурой, плотностью частиц й газа, давлением, концентрацией кислорода и продуктов испарения частиц алюминия. Дисперсная фаза представлена совокупностью определённого числа монофракций. Процессы, происходящие на поверхности частиц и в объеме потока, а также основные допущения, при которых решается задача, описаны в [2].

На основе законов сохранения массы, энтальпии (энергии) и импульса в соответствии с принятыми допущениями, записана система дифференциальных уравнений первого порядка [2], описывающая горение полифракционного алюминия. Система уравнений интегрируется по продольной координате потока х от нулевой - до координаты, при которой параметры частиц и газа отличаются от равновесных на заданную малую величину.

Расчёты процесса воспламенения выполнены для потока аэровзвеси порошка АСД-4, который по размерам частиц разбивался на 10 монофракций (интегральное распределение порошка по размерам частиц приводится в [1]). Начальные параметры: дисперсной фазы - K0i=F0g, V0f=10м/с, T0]=T0g,, 7^=300 К; воздушного потока - F0g = 19 - 152 м/с, T0g =2000 К, Р0=0,24 МПа. Здесь Vou K0g и Koi, Т0ь TQg и Toi - начальные скорости и температуры частиц 1-й фракции, газа и /-й фракции, соответственно; Р0 - общее давление в системе. Коэффициент избытка воздуха а газовзвеси частиц алюминия варьировался в пределах 0,1 - 0,5. В результате получены зависимости: между координатой воспламенения частиц всех фракций Lign и начальным удельным расходом газа G0g, между равновесной температурой процесса Гс, максимальными температурами частиц отдельных фракций и газа 7 ^ и коэффициентом a, Z,ign и а.

Исследование рабочего процесса в камере воспламенения методами математического моделирования позволяет получить зависимости между параметрами смеси алюминия и воздуха во входном сечении и конструктивными размерами камеры и, следовательно, подобрать такие параметры конструкции, которые будут обеспечивать воспламенение всех частиц горючего в рабочем интервале расходов воздуха и порошка.

Математическое моделирование является важным этапом исследования технологии синтеза ультрадисперсного оксида методом сжигания порошка алюминия в потоке воздуха и проектирования опытно-промышленной установки, на которой может быть реализована оригинальная простая и экономичная технология.

Список литературы

1.Крюков А.Ю., Малинин В.И., Петренко В.И. Установка для получения ультрадисперсного оксида алюминия //Вестник ПГТУ, 2002, №11, с.63-69.

2.Малинин В.И., Коломин Е.И., Антипин И.С. Модель горения высокоскоростного потока аэровзвеси частиц алюминия, учитывающая кинетику процессов и особенности накопления окисла //Химическая физика, 1998. Т.17. №10. С. 80-92.

3.Малинин В.И., Коломин Е.И., Антипин И.С., Рылов В.Л. Математическое моделирование воспламенения и горения частиц алюминия за ударными волнами, учитывающее кинетику процессов и особенности накопления окисла //Химическая физика, 2001. Т.20. №6. С. 75-83.

РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ПОЛЁТА НА МАРСЕ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ МАРСИАНСКИЕ ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ

Петренко В.И., Малинин В.К , БербекА.М. Пермский государственный технический университет

Уменьшение стартовой массы космического аппарата, предназначенного для посадки на Марс, может быть достигнуто при использовании марсианских природных ресурсов в качестве компонентов топлива ракетного двигателя. В работе [1] предлагается использовать СО2, из которого на 95% состоит марсианская атмосфера, как окислитель в реакции с активными металлами (Mg, А1 и др.), транспортируемыми на борту ЛА. Данные, полученные исследовательским космическим аппаратом Mars Odyssey , свидетельствуют о наличии на поверхности Марса воды (слой льда, смешанного с грунтом, толщиной около 1 метра, в областях от северного полюса до 60° северной широты). Вода также может использоваться как окислитель в реакции с металлическими горючими.

Термодинамические расчёты показывают, что алюминий энергетически выгоднее использовать по сравнению с магнием, предлагаемым в работе [1], но воспламенение алюминиевых топлив осуществить сложнее. Предлагается заменить чистый алюминий его смесью с небольшим количеством вещества с высоким содержанием свободного кислорода. В соответствии с работой [2], в которой рассмотрено воспламенение и горение сильнообогащённых алюминиево-воздушных смесей, при коэффициенте избытка окислителя по кислороду ос=0,09 скорость распространения пламени по смеси А1-воздух максимальна. Такой коэффициент а для предлагаемых топлив получается при замене А1 его смесью с

реакции с алюминием больше тепла.

Топливо А1-Н20 термодинамически более эффективно по сравнению с топливом А1-С02 при массовом отношении окислителя к горючему к<3. При больших к удельный импульс быстро падает, что объясняется большим количеством тепла, затрачиваемым на испарение Н20. Заправку баков ЛА водой можно осуществить быстрее, чем С02, так как атмосферное давление у поверхности Марса составляет всего 0,6 кПа. Технически возможно сделать предлагаемый двигатель способным работать как на Н20, так и На С02 в случае отсутствия льда в месте посадки аппарата.

Особенностью предлагаемых топлив является высокое содержание конденсированной фазы в продуктах сгорания (например, в продуктах сгорания топлива А1-Н20 при к=1, содержание к-фазы достигает 95%) , что может привести к большим потерям удельного импульса. Эти потери можно уменьшить, увеличив дисперсность к-фазы (частицы к-фазы размером менее 1 мкм приближаются к состоянию теплового и скоростного равновесия с газовым потоком и двухфазные потери снижаются практически до нуля). Возможность получения к-фазы такой дисперсности теоретически и экспериментально доказана для топлива алюминий-воздух [3]. Для топлив А1-С02 и А1-Н20 требуется проведение дополнительных исследований, однако низкое значение внутрикамерного давления в предлагаемом двигателе (1 МПа) должно способствовать реализации указанной возможности.

Согласно расчётам, аппарат с ракетным двигателем на топливе А1-Н20, имеющий начальную массу на поверхности Марса 3,5 тонны, может выполнить на Марсе программу исследований, включающую получение образцов из четырёх областей на поверхности Марса и доставку капсулы с образцами массой 100 кг на Землю. При этом выигрыш в массе составит 4,5 тонны в сравнении с аналогичным аппаратом, использующим типичное топливо космических аппаратов азотный тетраоксид-монометилгидразин, и 1,5 тонны в сравнении с аппаратом на топливе Mg-C02. Накопленный отечественными разработчиками научИый, технический и технологический опыт существенно облегчает задачу создания двигателя

требуемого типа.

алюМЧния // Доклады 3-й Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению в установках на твёрдом топливе и ствольных системах (ICOC-99) // Ижевск: ИПМ УО РАН. 2000. С. 169-

170.

3 КОломин ЕИ Малинин В.И., Обросов А.А. Влияние условии смешения и горения аэровзвеси алюМИния на дисперсный состав ироду.™, сгорания II Международная школа-семинар: ВнутРикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем, С.-Петербург: БГТУ, 1995.

С. 136-141.

УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ГАЗА В РДТТ С УЧЁТОМ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Поддубнова А.А., Цальчиковский В.Г., Павлоградский В.В. Пермский государственный технический университет

Отработка ряда двигателей, предназначенных для экстремальных условий эксплуатации, показала, что продольная акустическая неустойчивость приводит к значительным проблемам и является недопустимой. При наличии достаточно развитой современной вычислительной базы необходимы методики, позволяющие ещё на этапах проектирования проводить оценку акустической устойчивости двигателей. В настоящее время такие методики могут быть созданы с учетом основных факторов, влияющих на процесс устойчивости. Важно установить роль заряда как основного источника энергии, поступающей в полость камеры сгорания как с точки зрения горения топлива, так и с позиции динамической вязкоупругости, которая меняется при выгорании. Для нестационарных режимов эта проблема может быть сформулирована как связанная динамическая задача газоупругости камеры сгорания. Её решение базируется на большом объёме знаний по механике топлив, горению, динамике заряда и газа и лежит на стыке проблем, составляющих сущность нестационарных процессов в двигателе.

Особую актуальность связанная задача газоупругости приобретает при рассмотрении проблемы акустической устойчивости РДТТ. Однако вид возможной неустойчивости (поперечная или продольная, смешанная) в значительной степени определяет вклад каждого элемента системы в нестационарный процесс работы двигателя. Так при высокочастотной неустойчивости, когда в камере сгорания устанавливаются колебания давления с частотой v>1000 Гц, существенным фактором, определяющим процесс, является акустическая проводимость зоны горения топлива, величина которой определяется в основном тепловой релаксацией твердой фазы. При этом, как правило, пренебрегают динамической поддатливостью заряда, подключая, тем самым, элемент упругости из модели связанной задачи. Другие условия возникают при продольной неустойчивости, когда v<1000 Гц. Экспериментально установлено, что в области частот колебаний 10 -1000Гц. динамический коэффициент Пуассона твердого топлива

ц*(0.49 , а фазовый сдвиг между продольной и поперечной деформации срд составляет при нормальной

температуре 1-3 градуса. В этом случае скорость распространения продольных волн в заряде становится соизмерима со скоростью звука в продуктах сгорания, а частоты радиальных колебаний заряда с частотами продольных мод колебаний газа. В этом случае при выгорании топлива возможно возникновение резонансных режимов, что необходимо учитывать в модели связанной задачи газоупругости камеры сгорания. Для зарядов радиального горения акустическая проводимость зоны превращения топлива является недостаточной, чтобы поддерживать низкочастотные колебания продольных мод, а осесимметричная модель сопряженной динамической задачи газоупругости камеры сгорания РДТТ в большинстве случаев может быть пригодной для описания лишь высокочастотных

колебаний.

Реализовать указанный переход предоставляется возможным, взяв за основу комплексную модель связанной динамической задачи газоупругости камеры сгорания РДТТ.

Математическая модель колебаний, основанная на источнике колебаний, распределенном вдоль оси канала заряда и описываемом передаточной функцией процесса горения

где Ди флуктуации относительной скорости горения топлива; А р - флуктуации относительного

давления в камере: показала, что в диапазоне изменений статической скорости горения ^=0.035-0.07 м/с к амплитудно-частотной характеристике зоны горения AFE. =0.4 *2.0 коэффициент затухания больше

нуля и сильно зависит не только от динамических свойств зоны горения, но и от статической скорости горения При выгорании заряда коэффициент устойчивости растет, тем больше, чем больше скорость горения Наиболее устойчив заряд при стационарной скорости горения топлива. Без учета колебании самого вязкоупругого заряда в процессе горения двигатель сразу становится неустойчив. Эти результаты подтверждают экспериментальные данные отработки ряда крупногабаритных двигателей с

повышенными расходными характеристиками.