Теоретическое и экспериментальное моделирование детонационного горения водородовоздушных смесей в осесимметричном конвергентно-дивергентном сопле с центральным теломНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. Теоретическое и экспериментальное моделирование детонационного горения водородовоздушных смесей в осесимметричном конвергентно-дивергентном сопле с центральным телом
Результаты этапа: 1. Численно решена задача запуска осесимметричного конвергентно-дивергентного сопла, в сверхзвуковом потоке воздуха и водородовоздушной смеси. 2. Выполнено численное моделирование детонационного горения водородовоздушных смесей в конвергентно-дивергентном сопле с центральным телом. Рассчитана возникающая тяга. 3. Изготовлены две модели сопла с центральным телом с диаметром минимального сечения 4 и 4.5см. Отработана методика проведения экспериментов по сверхзвуковому запуску сопла с центральным телом. 4. Отобрана редуцированная модель химической кинетики горения водорода в воздухе.
2 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Теоретическое и экспериментальное моделирование детонационного горения водородовоздушных смесей в осесимметричном конвергентно-дивергентном сопле с центральным телом
Результаты этапа: 1. Численно решена задача инжекции водорода в сверхзвуковой поток воздуха через радиально расположенные пилоны в осесимметричном канале постоянного сечения с центральным коаксиальным цилиндром. Изучено влияние параметров инжекции на интенсивность смешения, изменение полного давления и качество формирующейся водородовоздушной смеси. Показано, в частности, что в рассматриваемой схеме наиболее эффективной представляется инжекция водорода при условии равенства продольной скорости смешиваемых потоков. Равенство давления и скорости в смешиваемых потоках водорода и воздуха минимизирует нежелательные потери полного давления. Однако в случае с тремя радиальными пилонами формирующийся сверхзвуковой поток водородовоздушной смеси характеризуется неудовлетворительным уровнем смешения. 2. Численно решена задача запуска осесимметричных конвергентно-дивергентных сопел с центральным телом «конус-цилиндр-конус» в гиперзвуковом потоке водородовоздушной смеси. Показано, что успех запуска определяется как отношением радиуса центрального тела к радиусу минимального сечения сопла, так и формой сопла. Сглаживание конвергентного контура и увеличение числа Маха набегающего потока облегчают запуск сопла. Формирование ударной волны, присоединенной к наветренному конусу, не провоцирует спонтанного воспламенения водородовоздушной смеси на при числе Маха от 6 до 7 и углах раскрытия конуса менее 9 градусов. 3. В экспериментах успешный запуск осесимметричного конвергентно-дивергентного сопла с центральным телом «конус-цилиндр» реализован в случае, когда радиус центрального тела составляет 13.3% радиуса соплового горла. При пятнадцати процентном радиусе центрального тела наблюдается нестабильный запуск сопла. В расчетах в этом случае в сужающейся части канала формируется пульсирующая ударная волна. 4. Установлено, что стабилизация и форма электродугового разряда на прямолинейно расположенных электродах, а также скорость перемещения разряд на индуктивных электродах определяются как материалом электродов, так и воздействием внешнего и наведенного магнитного поля. В эксперименте уже при «малых» токах порядка 300 ампер скорость распространения разряда на индуктивных электродах достигает 50 м/с. Полученные вольтамперные характеристики позволяют оценить параметры газодинамических возмущений, генерируемых разрядом в покоящейся среде.
3 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Теоретическое и экспериментальное моделирование детонационного горения водородовоздушных смесей в осесимметричном конвергентно-дивергентном сопле с центральным телом
Результаты этапа: Аннотация Изучена возможность использования стационарного детонационного горения в осесимметричном конвергентно-дивергентном и расширяющемся сопле с центральным телом для обеспечения полетов авиационной техники с гиперзвуковой скоростью. Численно и экспериментально решены задачи запуска сопел и инициирования детонационного горения в сверхзвуковом потоке водородовоздушных смесей. Численно показано возможность инициирования и стабилизации детонационного горения водородовоздушной смеси в осесимметричном сопле Лаваля на высотах до 16 км с генерацией тяги при числе Маха набегающего потока М0 до 11. Расширяющийся канал оказывается предпочтительнее, чем сопло при М0 = 6 и 7, с точки зрения стабилизации детонационного горения, однако его применимость ограничена потерями тяги на преодоление собственного аэродинамического сопротивления, которое, как известно, при гиперзвуковых скоростях растет пропорционально квадрату числа Маха набегающего потока. При уменьшении М0 стабилизации способствует обеднение смеси. С высотой эффективность детонационном горении растет: при заданном составе смеси увеличивается отношение тяги к силе аэродинамического сопротивления. Показано, что центральное тело «цилиндр-конус» является простым и эффективным инструментом инициирования и управления детонационным горением водорода как в расширяющемся сопле, так и сопле Лаваля. Проблемными остаются вопросы инициирование и стабилизации детонационного горения на высотах более 20 км. Наиболее трудной представляется задача формирования гиперзвуковых потоков водородовоздушной смеси. В работе рассмотрена инжекция водорода в сверхзвуковой поток воздуха в осесимметричном канале постоянного сечения через радиально расположенные пилоны с центральным коаксиальным цилиндром. Наиболее эффективной представляется инжекция водорода при условии равенства продольной скорости смешиваемых потоков. Равенство давлений в смешиваемых потоках водорода и воздуха минимизирует нежелательные потери полного давления. Однако в случае с тремя радиальными пилонами полнота и однородность смешения находятся на невысоком уровне. Однородность формирующейся смеси, предположительно, может быть повышена за счет увеличения числа пилонов и распределенной по радиусу подачи водорода, а также использования закрученных потоков. Особенности течений закрученных потоков начато с исследования их взаимодействия с коаксиальными осесимметричными телами при сверхзвуковой продольной скорости. Численно показано, что закрутка потока меняет структуру и, в общем случае, динамику обтекания тел сверхзвуковым потоком. В случае тела "конус-цилиндр-конус" обтекание остается стационарным, но максимум азимутальной скорости снижается и удаляется от оси вихря. За конической кормовой частью возникает приосевой локальный максимум азимутальной скорости, который сопровождается многократным увеличением скорости вращения газа. Обтекание тела с затупленной головной частью (цилиндр-конус) происходит в пульсирующем режиме с зонами локального максимума азимутальной скорости, меняющими свое положение. Однако такое взаимодействие не приводит к разрушению вихря с резким увеличением его радиуса. Попутно показано, что закрутка потока может служить одним из способов уменьшения аэродинамического сопротивления тел. Важнейшие результаты 1. Выполненные исследования позволяют рекомендовать осесимметричное сопло Лаваля с центральным телом "цилиндр-конус" в качестве базовой конфигурации гиперзвуковой прямоточной камеры детонационного горения водородовоздушной смеси, обеспечивающей полеты на высотах до 16 км при числах Маха от 7 до 9. 2. При числе Маха ниже 7 предпочтительнее может оказаться расширяющийся сопловой канал с тем же центральным телом. Однако его применимость ограничена потерями тяги на преодоление собственного аэродинамического сопротивления, которое может быть скомпенсировано удачной компоновкой летательного аппарата в целом. 3. При уменьшении полетного числа Маха стабилизации способствует также обеднение смеси. 4. Центральное тело "цилиндр-конус" способствует стабилизации и служит средством управления детонационным горением в сопловых каналах, а также является наиболее простым и эффективным инструментом инициирования детонационного горения водородовоздушной смеси, поступающей в сопло с гиперзвуковой скоростью. 5. С высотой эффективность детонационного горения растет: при заданном составе смеси увеличивается отношение тяги к силе аэродинамического сопротивления. 6. Численно и экспериментально показана возможность запуска таких сопел в гиперзвуковых потоках. 7. Обнадеживающими являются результаты численного моделирования инжекции водорода в сверхзвуковой поток воздуха в осесимметричном канале постоянного сечения через радиально расположенные пилоны. Наиболее эффективной представляется инжекция водорода при условии равенства продольной скорости смешиваемых потоков. Равенство давлений в смешиваемых потоках водорода и воздуха минимизирует нежелательные потери полного давления. Однородность формирующейся смеси, предположительно, может быть повышена за счет увеличения числа пилонов и распределенной по радиусу подачи водорода, а также использования закрученных потоков. 8. Численно установлено, что закрутка потока меняет структуру и, в общем случае, динамику обтекания коаксиального осесимметричного тела сверхзвуковых потоком. В случае тела "конус-цилиндр-конус" обтекание остается стационарным, но максимум азимутальной скорости снижается и удаляется от оси вихря. За конической кормовой частью возникает приосевой локальный максимум азимутальной скорости, который сопровождается многократным увеличением скорости вращения газа в этой области. Обтекание тела с затупленной головной частью (цилиндр-конус) происходит в пульсирующем режиме с зонами локального максимума азимутальной скорости, меняющими свое положение. Однако такое взаимодействие не приводит к разрушению вихря с резким увеличением его радиуса. Попутно показано, что закрутка потока может служить одним из способов уменьшения аэродинамического сопротивления тел.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".