Анализ волновой структуры поверхности расплавленного парафина
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Высокий интерес к исследованиям легкоплавких твердых топлив на основе парафина в промышленности и аэрокосмической отрасли обусловлен простотой в применении и безопасностью хранения. Под воздействием высокотемпературных потоков газа скорость регрессии легкоплавких твердых топлив заметно выше, чем у газифицирующихся твердых топлив. Развитие неустойчивости поверхности расплава приводит к уносу капель топлива и интенсивному смешению с окислителем, что в результате дает большую скорость регрессии и увеличению полноты сгорания топлива [1].
Понимание механизмов развития неустойчивости поверхности расплава позволяет контролировать динамику массопереноса и интенсивность теплообмена и достигается за счет сочетания экспериментальных и вычислительных методов исследования. При помощи алгоритмов компьютерного зрения была достигнута автоматизация выделения и анализа волновых структур, которая позволила перейти от качественного наблюдения к количественным оценкам динамики процесса [2].
Параметры численного расчета соответствовали одному из экспериментальных пусков, проводимых на исследовательской установке лаборатории термогазодинамики и горения ИПМех РАН. Численное трехфазное моделирование проводилось в программном пакете OpenFoam в двумерной постановке при помощи расчетного модуля с возможностью отслеживания межфазных границ методом VOF. Для возможности анализа мелкомасштабных явлений на поверхности образца используется расчетная сетка с пятью уровнями измельчения.
Полученные при обработке видеокадров эксперимента и расчетных полей при помощи методов компьютерного зрения гистограммы представлены на Рис. Установлено, что в интервале длин волн от 0.6 мм до 3 мм лежит 90% всех регистрируемых волн с видео эксперимента и 88 % волн, наблюдаемых в расчете. Амплитуда волн в диапазоне от 0.05 мм до 0.5 мм регистрируется для 88 % волн в эксперименте и 85 % волн, полученных численно. Результаты хорошо аппроксимируются при помощи функции логарифмически нормального распределения, кривые которого наложены на гистограммы. Выявлена доминирующая частота колебаний – около 120 Гц. Достигнут высокий уровень соответствия результатов эксперимента и численного расчета.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ (проект №24-19-00703).
1. Mazzetti A., Merotto L., Pinarello G. Paraffin-based hybrid rocket engines applications: A review and a market perspective // Acta Astronautica, 2016, V. 126, P. 286–297.
2. Усанов В.А., Логинов А.А., Сиваков Н. С. Применение алгоритмов компьютерного зрения для анализа волн на поверхности расплава парафина // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2025. Т. 26, № 8.
