Вычислительное моделирование горения твердого топлива в камере сгорания гибридного двигателя

Автор: Любен Иванович Стамов

Соавторы: Стамов Л.И., Тюренкова В.В., Никитин В.Ф.

Организация: ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН

В работе проведено трехмерное вычислительное моделирование процессов, происходящих в камере сгорания гибридного твердотопливного двигателя при воспламенении твердого горючего. В качестве окислителя рассматриваются предварительно подогретый газообразный кислород и воздух, которые подаются в камеру сгорания со сверхзвуковой скоростью. Твердое топливо представляет собой HTPB (полибутадиен с концевыми гидроксильными группами) или PMMA (полиметилметакрилат) для двух различных экспериментальных камер. Предполагается, что при взаимодействии окислителя с топливом, оно начинает прогреваться. В результате чего начинают выделяться составляющие компоненты твердого топлива, которые взаимодействуют с окислителем и также воспламеняются. Параметры тепло- и массообмена около термохимически разрушающегося горючего определяются с помощью пристеночных функций по данным вычислительного моделирования параметров среды около твердой поверхности. Для моделирования был разработан специализированный авторский программный код. Некоторые детали используемых в работе моделей и алгоритмов могут быть найдены в работах [1-3].

Для корректировки модели проведено сравнение результатов вычислительного моделирования по скорости выгорания твердого топлива с данными физических экспериментов из работ [4, 5]. Проведена серия тестовых вычислительных экспериментов по определению распределений физических параметров внутри камеры сгорания. После установления протекающих в камере сгорания процессов пары топлива располагаются только между поверхности твердого топлива и зоной реакций. За ней по центру области присутствуют лишь окислитель и продукты горения. Такое развитие процессов характерно для диффузионного режима горения. До стабилизации процессов в камере сгорания получены сильная турбулентность и асимметрия происходящих в камере процессов.

Работа выполнена за счет субсидии, выделенной ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН на выполнение государственного задания № 1021061509701-5-1.2.1 «Разработка алгоритмической компоновки и программ для расчета многомасштабных процессов и горения» (FNEF-2022-0021).

Авторы выражают благодарность Центру коллективного пользования Межведомственного суперкомпьютерного центра Российской академии наук за предоставленные вычислительные ресурсы.

1. Kushnirenko A.G., Stamov L.I., Tyurenkova V.V., Smirnova M.N., Mikhalchenko E.V. Three-dimensional numerical modeling of a rocket engine with solid fuel // Acta Astronautica. 2021. Vol. 181. P. 544–551.

2. Tyurenkova V.V., Stamov L.I. Flame propagation in weightlessness above the burning surface of material // Acta Astronautica. 2019. Vol. 159. P. 342–348.

3. Tyurenkova V.V., Smirnova M.N. Material combustion in oxidant flows: Self-similar solutions // Acta Astronautica. 2016. Vol. 120. P. 129–137.

4. Ben-Yakar A., Natan B., Gany A. Investigation of a solid fuel scramjet combustor // J. Propuls. Power. 1998. Vol. 14 (4). P. 447–455.

5. Sun Xingliang, Tian Hui, Li Yuelong, Yu Nanjia, Cai Guobiao. Regression rate behaviors of HTPB-based propellant combinations for hybrid rocket motor // Acta Astronautica. 2016. Vol. 119. P. 137-146.