Численное и экспериментальное исследование плавления парафина при обдуве высокотемпературным потоком
Автор: Никита Сергеевич Сиваков
Соавторы: Усанов В.А.
Организация: Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Изучение обдува легкоплавкого твердого топлива потоком горячего газа представляет большой интерес, поскольку скорость регрессии таких топлив выше, чем достигается для газифицирующихся твердых топлив. При температуре потока выше температуры плавления материала на поверхности топлива образуется жидкий слой, с которого газовым потоком уносится часть расплавленного материала в виде капель. Это приводит к увеличению полноты сгорания топлива в потоке окислителя.
Для управления процессом плавлением топлива важно иметь возможность изучить данный процесс с разных сторон и сравнить экспериментальные данные с численным моделированием. Экспериментальная часть проводилась на исследовательской установке лаборатории термогазодинамики и горения ИПМех РАН [1]. В качестве модельного топлива был выбран парафин марки П-2.
Численное моделирование проводилось в программном пакете OpenFoam в двумерной постановке, при этом расчетная область представляет собой плоскость симметрии экспериментальной камеры. Для отслеживания межфазных границ использовался метод VOF, широко применяемый в работах подобного рода [2]. Данный метод реализован в стандартном расчетном модуле icoReactingMultiphaseInterFoam, который позволяет моделировать несжимаемые многофазные течения, с возможностью учета фазового перехода.
Параметры расчета соответствовали одному из экспериментальных пусков. Поток воздуха скоростью 50 м/c и температурой 603 К обдувает твердый парафин температурой 303 К. Плавление парафина начинается при 324 К. Использовался образец прямоугольной формы со скошенным передним торцом. Результаты расчета показывают начальное равномерное плавление передней и верхней кромок образца. Возникающий жидкий слой парафина возмущается воздухом, что приводит к развитию неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, образованию волн и вихревых структур у поверхности. Около задней кромки образца можно наблюдать срыв потока расплавленного парафина и образующийся крупный вихрь. Далее расплав растекается вдоль нижней стенки. Все перечисленные явления качественно согласуются с экспериментом (см. рис.1).
Дальнейшим направлением работы является количественное сравнение результатов (размеров образующихся капель расплава, времени плавления образца), переход к трехмерному моделированию, а также развитие математической модели, с целью учета испарения капель жидкого парафина и последующего воспламенения образующейся смеси.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ (проект № 24-19-00703).
1.Усанов В.А, Рашковский С.А, Якуш С.Е, Гембаржевский Г.В. Экспериментальное исследование горения твердого легкоплавкого топлива // Тез. докл. XVIII Всерос. конф. молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» 2024, с.183-184.
2.Rashkovskii S.A., S.E.Yakush S.E. Numerical simulation of low-melting temperature solid fuel regression in hybrid rocket engines // Acta Astronautica, 2020, V. 176, P. 710-716.
