Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Разработка методов моделирования рабочего процесса пульсирующего воздушно-реактивного двигателя с аэродинамическим клапаном

Диссертация: Разработка методов моделирования рабочего процесса пульсирующего воздушно-реактивного двигателя с аэродинамическим клапаном
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Известно, что циклы с подводом теплоты при постоянном объеме являются термодинамически более выгодными. Это объясняется большей теплонапряженностью процесса горения, большей степенью расширения и большим значением термического КПД, чем при p-const. Однако процесс подвода теплоты в цикле ПуВРД является квазиизохорным, поскольку одновременно с процессом теплоподвода начинается процесс расширения… Читать ещё >

Содержание

  • 1. Анализ рабочего процесса ПуВРД и методов его математического моделирования
    • 1. 1. Анализ рабочего процесса ПуВРД
    • 1. 2. Анализ существующих подходов к математическому моделированию рабочего процесса ПуВРД. Преимущества, недостатки, условия применимости
    • 1. 3. Анализ конструкций ПуВРД с аэродинамическим клапаном
  • 2. Теоретическое исследование особенностей рабочего процесса
  • ПуВРД с аэродинамическим клапаном
    • 2. 1. Методика трехмерного численного моделирования процессов смесеобразования, воспламенения, горения и течения методом контрольных объемов
    • 2. 2. Теоретическое исследование влияния скорости заряда на входе в камеру сгорания на процесс наполнения и горения
    • 2. 3. Теоретическое исследование формирования и эволюции контактного разрыва в резонансной трубе
    • 2. 4. Теоретическое исследование влияния U-образной формы резонансной трубы на форму и амплитуду волн давления
  • 3. Разработка методики одномерного численного моделирования рабочего процесса ПуВРД с аэродинамическим клапаном
    • 3. 1. Составление системы дифференциальных уравнений нестационарного движения рабочего тела в проточной части ПуВРД
    • 3. 2. Получение из системы дифференциальных уравнений системы уравнений характеристик и уравнений совместности
    • 3. 3. Выявление типовых расчетных точек в проточной части
  • ПуВРД и разработка алгоритмов их численного расчета
    • 3. 4. Разработка математической модели квазиизохорного процесса теплоподвода в камере сгорания ПуВРД
    • 3. 5. Разработка замкнутого алгоритма численного расчета рабочего процесса ПуВРД
  • 4. Экспериментальное исследование рабочего процесса ПуВРД с аэродинамическим клапаном
    • 4. 1. Описание экспериментальной установки и системы измерения
    • 4. 2. Экспериментальное исследование временных реализаций давления и динамики процесса запуска модельного ПуВРД. Проверка адекватности разработанной методики расчета

Разработка методов моделирования рабочего процесса пульсирующего воздушно-реактивного двигателя с аэродинамическим клапаном (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Расширение областей применения беспилотных летательных аппаратов (БЛА) приводит к необходимости разработки силовых установок различного типа, позволяющих успешно решать большой круг специфических задач. Основными типами двигателей, применяемых в составе силовых установок БЛА, являются поршневые, турбореактивные и пульсирующие воздушно-реактивные двигатели (ПуВРД). Из перечисленных типов двигателей менее изученными до сих пор остаются ПуВРД. Практически исчерпанные возможности снижения удельного расхода топлива современных газотурбинных двигателей (ГТД), привели к тому, что проблема разработки современных ПуВРД стала актуальной. Более того интерес к созданию ПуВРД для БЛА вызывает ожидаемая простота конструкции, дешевизна и надежность двигателя. р J I max;

2 max —в=~ Q, 2 ^ 3'.

4' 5.

Н 1 — '4 min 4 —j^".

V" ¦ V V v mm v max max V.

Рисунок 1 — Термодинамические циклы в PV — координатах /9, 10/ ¦ —— цикл Брайтона (p=const).

— цикл ПуВРД (модифицированный цикл Гемфри).

Известно, что циклы с подводом теплоты при постоянном объеме являются термодинамически более выгодными. Это объясняется большей теплонапряженностью процесса горения, большей степенью расширения и большим значением термического КПД, чем при p-const. Однако процесс подвода теплоты в цикле ПуВРД является квазиизохорным, поскольку одновременно с процессом теплоподвода начинается процесс расширения (рисунок 1).

Проведенные к настоящему времени экспериментальные и теоретические исследования рабочих процессов в ПуВРД представляют большую научную ценность, однако носят разрозненный характер, что сдерживает внедрение ПуВРД, затрудняет разработку критериев оценки эффективности ПуВРД. Это связано с тем, что в настоящее время не существует единого мнения о механизмах рабочего процесса ПуВРД. Значение максимального и минимального давления в цикле ПуВРД определяется параметрами заряда в камере сгорания, которые в свою очередь определяются геометрией проточной части. В связи с этим необходимо разрабатывать методики расчета, позволяющие более детально моделировать рабочий процесс ПуВРД с учетом всей геометрии проточной части ПуВРД.

Основные научные положения выносимые на защиту:

1. Алгоритм моделирования рабочего процесса аэродинамического клапана и резонансной трубы ПуВРД методом характеристик, позволяющий учесть формирование и эволюцию контактного разрыва, а также учесть взаимодействие возмущений с контактным разрывом.

2. Алгоритм пространственно-временной дискретизации проточной части ПуВРД и численного решения уравнений характеристик и совместности модифицированным методом Эйлера.

3. Математическая модель квазиизохорного процесса теплоподвода в камере сгорания ПуВРД, учитывающая влияние процесса наполнения камеры сгорания, состава и температуры заряда.

4. Методика одномерного численного моделирования рабочего процесса ПуВРД, позволяющая в зависимости от геометрии проточной части двигателя определять волновую картину течения, динамику выгорания топлива и учесть влияние геометрии проточной части на процессы наполнения камеры сгорания и воспламенения заряда.

5. Конструктивная схема малошумного эжекторного ПуВРД.

Исследования проводились на кафедре автоматических систем энергетических установок при Самарском государственном аэрокосмическом университете. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 58 наименований, 2 приложений. Общий объем диссертации 132 страницы, 70 рисунков и 2 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В диссертационной работе на основе теоретических и экспериментальных исследований газодинамических и акустических процессов в опытном ПуВРД разработаны методы моделирования рабочего процесса, обеспечивающие повышение эффективности проектирования и доводки ПуВРД и получены следующие основные результаты: ~~ «» «» «» «» «.

1. Анализ методов математического моделирования рабочего процесса ПуВРД показал, что одним из перспективных направлений численного моделирования является разработка методов расчета рабочего процесса ПуВРД на основе метода характеристик. Данный подход позволяет максимально извлечь информацию о волновой природе нестационарных течений в проточной части ПуВРД.

2. В результате теоретического исследования формирования и эволюции контактного разрыва среды в резонансной трубе показано, что контактный разрыв формирует существенную неоднородность термогазодинамических параметров, что делает необходимым его учет при расчете рабочего процесса ПуВРД.

3. Теоретическими исследованиями влияния U-образной формы резонансной трубы на форму и амплитуду волн давления выявлено, что наличие U-образного изгиба РТ с большой степенью кривизны не оказывает значительного влияния на форму и амплитуду волн сжатия и разрежения рабочего тела в РТ.

4. На основе теоретических исследований влияния скорости заряда на входе в камеру на процесс наполнения и горения показано, что скорость заряда влияет на степень наполнения камеры сгорания через задержку воспламенения, обусловленную тем, что скорость заряда в камере сгорания превышает местную скорость распространения фронта пламени.

5. Разработана методика моделирования нестационарных течений газа в аэродинамическом клапане и резонансной трубе ПуВРД обратным методом характеристик, позволяющая учесть формирование и эволюцию контактного разрыва, а также учесть взаимодействие возмущений с контактным разрывом.

6. Разработан алгоритм пространственно-временной дискретизации проточной части ПуВРД и численного решения уравнений характеристик и совместности модифицированным методом Эйлера.

7. Разработана математическая модель квазиизохорного процесса теплоподвода в камере сгорания ПуВРД, позволяющая определять динамику выгорания топлива с учетом состава и температуры заряда, а также учитывающая влияние нестационарных течений на процессы наполнения камеры сгорания и воспламенения.

8. Разработана методика численного моделирования рабочего процесса ПуВРД, позволяющая в зависимости от геометрии проточной части двигателя определять динамику изменения термогазодинамических параметров в проточной части ПуВРД, а также получать характеристики процессов запуска и разгона ПуВРД и определять его работоспособность.

9. Создана экспериментальная установка для исследования рабочего процесса бесклапанного ПуВРД, имеющая охлаждаемые порты датчиков и позволяющая проводить измерения пульсаций давления в резонансной трубе и камере сгорания.

Показать весь текст

Список литературы

  1. , F. Н., Pulsating Combustion, edited by M. W. Thring, Pergamon Press, New York, 1961.
  2. Richardson, J.S., Artt, D.W., Blair, G.P., Observations on the Design and Operation of Pulsejet Engines as Derived from an Experimental and Theoretical Investigation, SAE. Techn. Pap. 840 422, 1987.
  3. Richardson, J.S., Artt, D.W., Blair, G.P., A Computer Model of a Pulsejet Engine, SAE. Techn. Pap. 820 953, 1982.
  4. Tharratt, С. E., The propulsive duct, The Propulsive Duct, Aircraft Engineering, 1965, vol. 37, no. 12, pp. 359−371.
  5. B.M., Зарипов Р. Г. Автоколебания газа в установках с горением. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2003. 227 с.
  6. М.А., Общая акустика. Наука, М., 1973. 496 с.
  7. , В. Т., «Pulsating Combustion,» Advanced Combustion Methods, F. J. Weinberg, ed., Academic Press, Orlando, FL, 1986.
  8. Foa, J. V., Elements of Flight Propulsion, John Wiley & Sons, New York, 1960.
  9. B.H., Влияние формы проточной части на процесс инерционного истечения и параметры пульсирующего ВРД. Казань: Вестник КГТУ им. А. Н. Туполева, 2004, № 2, с. 22−25.
  10. В.Н., Моделирование рабочего процесса пульсирующего ВРД с аэродинамическим клапаном на основе анализа термодинамического цикла. Изв. Вузов. Авиационная техника, 2007, № 1, с. 46−48.
  11. П.Быченок В. И., А. А. Баранов, Применение разрывных решений к задачам газодинамики в аппаратах пульсирующего горения. Труды ТГТУ: Сборник научных статей молодых ученых и студентов. Вып. 11. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002. 236 с.
  12. В.И. Теплоэнергетика рабочего процесса в аппаратах пульсирующего горения: Дисс. докт. техн. наук. — Воронеж, 2004.- 338с.
  13. В.Б. Вибрационное горение. М.: Физматгиз, 1961.
  14. Ali Kilicarslan. Frequency evaluation of a gas-fired pulse combustor. International Journal of Energy Research, 29:439−454, 2005.
  15. P.A. van Heerbeek. Mathematical modeling of a pulse combustor of the Helmholtz-type. Interim Report, Delft University of Technology, Netherlands, 2008.
  16. Frederick W. Ahrens, Choong Kim, and Shiu-Wing Tam. An analysis of the pulse combustion burner. ASHRAE Transactions, 84, Part 1:488−507, 1978.
  17. G. A. Richards, G. J. Morris, D. W. Shaw, S. A. Keeley, and M. J. Welter. Thermal pulse combustion. Combustion Science and Technology, 94:57—85, 1993.
  18. D. Kretschmer and J. Odgers. Modeling of gas turbine combustors a convenient reaction rate equation. Journal of Engineering for Power (Transactions of the ASME), pages 173−180, July 1972.
  19. M. Баррер, А. Жомотт, Б. Ф. Вебек, Ж. Ванденкеркхове, Ракетные двигатели. Оборонгиз, М., 1962. 800 с.
  20. В. Е. Алемасов, А. Ф. Дрегалин, А. П. Тишин, Теория ракетных двигателей: учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов- Под ред. В. П. Глушко. -М.: Машиностроение, 1980 533 с.
  21. А. П. Васильев, В. М. Кудрявцев, Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей: Учебник- Под ред. В. М. Кудрявцева. 3-е изд., исп. И доп. Высш. школа, 1983. — 703 с.
  22. F. Shults-Grunow, Gas-dynamics investigation of the pulse-jet tube. Technical memorandum № 1131. NACA, 1947.
  23. A. K. Oppenheim, Dynamics of Combustion Systems. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2006.
  24. J. Bertin, F. Paris, J. LeFoll. The snecma escopette pulse-jet, Inter Avia, vol. 8, no. 6, pp. 343−347, 1953.
  25. R. M. Lockwood et all. Pulse jet engine. US patent 3 462 955. 1969.
  26. Kentfield, J.A.C. and Speirs, B.C., A Multiple-Inlet Core for Gas Turbine, Pulse, Pressure-Gain Combustors', ASME Paper 91 -GT-304, 1991.
  27. Laforest, Combustor configuration, International patent, WO 2007/3 031 Al.
  28. , S.V. 1980. «Numerical Heat Transfer and Fluid Flow». Hemisphere, Washington, D.C.
  29. STAR-CD version 3.24, Methodology. CD adapco Group, 20Q4.
  30. , W.P. 1980. Prediction methods for turbulent flames, in Prediction Methods for Turbulent Flow (Ed. W. Kollman). Hemisphere, Washington, D.C., pp. 1−45.
  31. Launder, B.E., and Spalding, D.B. 1974. 'The numerical computation of turbulent flows', Сотр. Meth. in Appl. Mech. and Eng., 3, pp. 269−289.
  32. , W. 1979. 'Influence of buoyancy and rotation on equations for the turbulent length scale', Proc. 2nd Symp. on Turbulent Shear Flows.
  33. El Tahry, S.H. 1983. 'k-e equation for compressible reciprocating engine flows', AIAA, J. Energy, 7(4), pp. 345−353.
  34. Magnussen, B.F., and Hjertager, B.W. 1981. On the structure of turbulence and a generalised eddy dissipation concept for chemical reaction in turbulent flow, 19th AIAA Aerospace Meeting, St. Louis, USA.
  35. , R.I. 1986. 'Solution of the implicitly discretised fluid flow equations by operator-splitting', J. Сотр. Phys., 62, pp. 40−65.
  36. И.Н., Смирнов H.H. Газодинамика горения. М.: Изд-во Москв. Ун-та, 1987.-307 с.
  37. Г. Г. Газовая динамика: Учебник для университетов и втузов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. — 424 с.
  38. Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х т. Т.1: Пер. с англ. М.: Мир, 1990.-384 с.
  39. .П. Теория газообмена ДВС. Учеб. пособ., Уфа, УАИ, 1978.-109 с.
  40. J. Zucrow, J.D. Hoffman, Gas Dynamics. Vol. II, Ronald Press, New York, 1977.
  41. A.H. Shapiro, The dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow, Vol. II, Ronald Press, New York, 1953.
  42. К.П. Станюкович. Неустановившиеся движения сплошной среды. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1971. — 856 с.
  43. Р. Курант, К. Фридрихе. Сверхзвуковое течение и ударные волны. Пер. с англ. А. С. Компанейца.-М.: Изд. иностр. литер. 1950.- 412 с.
  44. К.А. Hoffmann, S.T. Chiang, Computational fluid dynamics, Vol. II, 2000.
  45. K.M. Магомедов, А. С. Холодов. Сеточно-характеристические численные методы. М.: Наука, 1988. — 290 с.
  46. А.А. Гусак, Г. М. Гусак, Е. А. Бричикова. Справочник по высшей математике. 2-е изд., стереотип. Мн.: ТетраСистемс, 2000 — 640 с.
  47. Е.А. Власова, B.C. Зарубин, Г. Н. Кувыркин. Приближенные методы математической физики: Учеб. для вузов / Под ред. B.C. Зарубина, А. П. Крищенко. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001 — 700 с.
  48. Ф.А. Вильяме, Теория горения. Пер. с англ. С. С. Новикова, Ю. С. Рязанцева. М.: Наука, 1971 -616 с.
  49. А.К. Oppenheim. Dynamics of combustion systems. Springer, 2006.
  50. Ю. Варнатц, У. Масс, P. Диббл. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Пер. с англ. Г. Л. Агафонова. Под ред. П. А. Власова. — М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2003. 352 с.
  51. Р.М.Петриченко, С. А. Батурин, Ю. Н. Исаков. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС: Учеб. пособие для уч. вузов. — Л.: Машиностроение, 1990. 328 с.
  52. А.С. Куценко. Моделирование рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания ЭВМ. Киев: Наук, думка, 1988. — 104 с.
  53. Н.Ф. Разлейцев. Моделирование и оптимизация процессов сгорания в дизелях. — Харьков: Вища школа. Изд-во при Харьк. Ун-те, 1980. -169 с.
  54. А.В. Васильев, Е. А. Григорьев. Математическое моделирование рабочих процессов ДВС: Учебное пособие. Волгоград, гос. техн. ун-т. — Волгоград, 2002. 67 с.
  55. А.А., Игнатов М. С., Эфрос В. В. Расчет циклов поршневых двигателей: Учеб. пособие / Владим. гос. ун—т. Владимир, 2003. 124 с.
  56. В.Г.Кадышев, С. В. Тиунов. Расчет рабочего процесса поршневых и комбинированных автотракторных двигателей. Учебное пособие. Набережные Челны: КамГПИ, 2002 г. 62 с.
  57. А.С. Орлин, Д. Н. Вырубов. Двигатели внутреннего сгорания. Под. ред. проф. А. С. Орлина. М.: Машгиз. 1957. 530 с.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?