Численное моделирование цикла идгтд

Причисленном моделировании процесса в ИДГТД воспользуемся следующими общепринятыми упрощениями: топливо и окислитель идеально перемешаны, начальные условия в камере сгорания одинаковы для всех циклов, детонация инициируется локально и мгновенно.

Будем считать детонационные волны в нашем двигателе сильными, тогда применим закон предельного сжатия, выведенный в Главе 2 об ударных волнах в идеальном газе.

Где

Вспомним, что в той же Главе 2 для коэффициента Пуассона было выведено уравнение, позволяющее получить его. Зная лишь степень свободы молекулы вещества. Однако, в данном случае мы вынуждены использовать табличные данные. Молекулы, состоящие из 3 или более атомов, считаются многоатомными. Внешние связи атомов в подобных молекулах могут образовывать углы, отличные от 180º, вследствие чего становится невозможным определение степени свободы.

Согласно табличным данным для пропана: , , .

Тогда:

Далее прибегнем к уравнению для скорости фронта волны, выведенному в Главе 2:

Так как камера сгорания имеет длину 1180 мм, то период:

Тогда максимальная частота:

Для обеспечения нормальной тяги этого явно недостаточно.

ПуВРД

Пульсирующие детонационные двигатели, по сути являются разновидностью ИДД, только топливо там инжектируется в движущийся со сверхзвуковой скоростью поток, тогда как в традиционном ИДД ТВС стационарна, и волна детонации распространяется по стационарной смеси.

Наиболее интересным из пульсирующих детонационных двигателей является ПуВРД (пульсирующий воздушно-реактивный двигатель).

Классический ПуВРД представляет собой камеру сгорания цилиндрической формы с присоединенной к ней выхлопной трубой. Рассмотрим первую часть, находящуюся между контрольными поверхностями а и в. Она состоит из конфузора и диффузора, сопряженных узкими концами. Будем считать поток окислителя через контрольную поверхность а постоянным и дозвуковым, очевидно, что скорость потока после прохождения через конфузор на поверхности б увеличится. Вспомним закон сохранения энергии, согласно которому справедливо такое утверждение:

Где:

ρ – плотность жидкости

𝜗 – скорость потока жидкости

g – ускорение свободного падения

h – высота

p – давление потока жидкости

Очевидно, что ; ; а . Тогда вполне закономерно утверждать, что сумма внутренней энергии, кинетической энергии и потенциальной энергии одного и того же объема тела равны. Таким образом мы получаем закон Бернулли, который гласит, что при увеличении скорости потока давление уменьшается. В нашем случае давление на поверхности б упадет. Это повлечёт за собой впрыскивание топлива и бака 10 через трубку 8. Топливо будет подхвачено струей воздуха и, испарившись, смешается с окислителем. Проходя через диффузор, топливная смесь уменьшает свою скорость, а соответственно в ней увеличивается давление, и она окончательно перемешивается к контрольной поверхности в. На контрольной поверхности в смеси встречается препятствие – решетка, проходя через которую смесь поступает в камеру сгорания, находящуюся между поверхностями в и д. В камере сгорания инициируется детонация. На этапе запуска двигателя инициация происходит за счет свечи зажигания, когда режим работы устанавливается детонация инициируется уже горячими газами, оставшимися с прошлого цикла работы двигателя. Затем, продукты детонации резко расширяются и ударяются в том числе и о клапанную решетку, пластичные клапаны которой, будучи расположены под углом, закрываются, и детонационная волна направляется в выхлопную трубу.

Максимальную тягу двигатель развивает в момент максимальной скорости истечения газов из выхлопной трубы, т. е. выхода детонационной волны. Затем давление начинает падать. Причем продуктам детонации самой ударной волной сообщен некий импульс, за счет которого они выталкиваются из сопла. Создается область пониженного давления и воздух самостоятельно втягивается в цилиндр, начинается новый цикл.

Идея именно такого использования детонации зародилась еще в XX веке, ну и на данный момент не является особенно популярной по нескольким причинам. Во-первых, за один цикл тяга ПуВРД проходит путь от положительного значения (истечение газов из выхлопной трубы) до отрицательного (образование области пониженного давления в конце цикла). Все это приводит к резким толчкам и проблемам эксплуатации. Во-вторых, в ПуВРД количество «засасываемого» воздуха, т. е. окислителя, никак не регулируется. Это приводит к не совсем качественному сгоранию топлива, а вследствие этого неэкологичности двигателя и, главное, сниженному кпд. Конечно, эту проблему можно решить установкой системы подачи топлива, оно она значительно утяжелит конструкцию, что крайне негативно скажется на характеристиках летательного аппарата (ЛА), на котором данный ПуВРД будет установлен. В-третьих, решетка, установленная перед камерой сгорания, должна быть изготовлена из достаточно эластичных материалов, а значит быстро изнашиваться, ну и, конечно, она тормозит поток, снижая тем самым кпд.

Однако, есть и множество положительных моментов. Конструктивная схема достаточно проста и непривередлива. К тому же ее потенциальный термодинамический кпд все еще остается на приличном уровне.