Изучение структуры неизобарической турбулентной струи продуктов сгорания твердого баллиститного топлива НМФ-2 истекающей в затопленное пространство (стандартная атмосфера) из конического сопла

Содержание

1 Введение

2 Описание работы в программе

2.1 Общие положения

2.2 Ввод исходных данных

2.3 Расчет всего поля течения

2.4 Расчет параметров в произвольном сечении

2.5 Расчет параметров в произвольной точке

3 Выполнение лабораторных работ и предъявляемые требования

3.1 Выполнение лабораторных работ

3.2 Требования

3.3 Примечание

3.4 Некоторые практические советы

4 Пример оформления лабораторной работы

5 Общие сведения о физических процессах, протекающих в свободной струе

6 Список литературы

1 Введение

Лабораторный практикум посвящен изучению структуры неизобарической турбулентной струи продуктов сгорания твердого баллиститного топлива НМФ-2 истекающей в затопленное пространство (стандартная атмосфера) из конического сопла. Лабораторный практикум включают в себя три лабораторные работы, в каждой из которых предлагается построить газодинамическую структуру и изменение основных газодинамических параметров вдоль оси струи и в характерных поперечных сечениях. В качестве исходных данных выдаются параметры, приведенные в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные

№ п/п	Название параметра	Численное значение параметра	Единица измерения параметра
1	Число Маха на срезе сопла	индивидуально	б/р
2	Угол полураствора сопла	индивидуально	градус
3	Давление на срезе сопла	индивидуально	ата
4	Показатель адиабаты продуктов сгорания	1,25	б/р
5	Газовая постоянная продуктов сгорания	346,00
6	Диаметр сопла	1,00	метр
7	Температура заторможенного газа	2200,00	Кельвин
8	Показатель адиабаты заторможенного газа	1,25	б/р
9	Газовая постоянная заторможенного газа	346,00
10	Температура стехиометрическая	2500,00	Кельвин
11	Показатель адиабаты стехиометрический	1,25	б/р
12	Газовая постоянная стехиометрическая	346,00
13	Относительная концентрация продуктов сгорания	0,36	б/р
14	Давление окружающей среды	1,00	ата
15	Температура окружающей среды	293,00	Кельвин
16	Показатель адиабаты окружающей среды	1,40	б/р
17	Газовая постоянная окружающей среды	287,00

Лабораторные работы предлагается выполнить в программе Strua, разработанной на кафедре А4. Описание программы приведено ниже. Предлагается выполнить следующие три лабораторные работы:

л/р 1 - Определение параметров сверхзвуковой струи в пределах первой ударно-волновой конфигурации;

л/р 2 - Определение параметров сверхзвуковой струи в пределах второй ударно-волновой конфигурации;

л/р 3 - Определение параметров сверхзвуковой струи на изобарическом (основном) участке.

Каждая лабораторная работа состоит из трех частей:

часть 1 - Построение структуры струи;

часть 2 - Построение графиков изменения значений основных газодинамических параметров вдоль оси струи;

часть 3 - Построение графиков изменения значений основных газодинамических параметров в характерных поперечных сечениях.

Под основными газодинамическими параметрами понимаются:

Р, ата – статическое давление;

М, б/р – число Маха;

Р₀, ати – давление торможения (показания трубки Пито);

T₀, К – температура торможения;

L – газодинамический комплекс, причем

,

 где     - давление окружающей среды,

,  - плотность потока;

 - скорость в потоке.

2 Описание работы в программе

2.1 Общие положения

Программа Strua разработана с использованием структурно-элементного метода моделирования газодинамических процессов, позволяющего реализовать быстрый расчет струйного течения в заданном диапазоне варьирования определяющими параметрами. Подробно метод описан в [1,2]. Определяющими параметрами являются число Маха на срезе, угол полураствора сопла, давление на срезе сопла, показатель адиабаты. Диапазоны варьирования определяющих параметров, реализованные в программе, следующие:

- число Маха М_а = 1,01..4,5;

- угол полураствора α = 5^○..20^○;

- давление на срезе сопла Р_а = 0,5..10, ата;

- показатель адиабаты на срезе сопла γ_а = 1,12..1,67.

2.2 Ввод исходных данных

Для начала работы в программе, следует ввести исходные данные. Диалоговое окно ввода исходных данных приведено на рис. 1. Исходные данные вводятся в соответствии с таблицей 1, и индивидуальным заданием. Число Маха на срезе сопла, угол полураствора сопла и давление на срезе сопла задаются преподавателем индивидуально каждому студенту, остальные параметры задаются по таблице 1.

Рис. 1 – Ввод исходных данных

2.3 Расчет всего поля течения

После ввода исходных данных выполняем расчет всего поля течения, как показано на рис. 2. Результатом расчета является набор поперечных сечений струи, в которых известны все основные газодинамические параметры, изменяющиеся по радиусу от оси струи до ее границы, рис. 3. Количество сечений варьируется в зависимости от варианта исходных данных, но в целом на одну ударно-волновую конфигурацию (УВК) приходится по 9-10 сечений и 5 сечений на основной участок.

На рис. 3 показан первый лист результатов расчета всего поля течения. Окно «всего листов» показывает, сколько всего сечений для данного варианта исходных данных рассчитано.

Рис. 2 – Расчет поля течения

Рис. 3 – Результаты расчета, сечение на срезе сопла.

Один лист соответствует одному сечению. В верхней таблице окна показаны удаление от среза сопла x, радиус скачка r_ск и радиус границы r_гр. Величины расчетных параметров соответствуют исходным данным, и одинаковы по всему сечению. В общем случае результатом расчета являются:

- r – радиальная координата, величина которой равномерно изменяется от ноля на оси струи, до r_гр на границе струи;

- Р – статическое давление, ата;

- RO (ρ) – плотность газа, ;

- U – скорость газа, м/с;

- Т – температура, К;

- М – число Маха, б/р;

- Т₀ – температура торможения, К;

- G (γ) – показатель адиабаты, отношение теплоемкостей газа, б/р;

- RG (R_г) – газовая постоянная, ;

- DP (ΔР) – показания трубки Пито, давление торможения, ати;

- PSI (ψ) – относительная концентрация продуктов сгорания, б/р.

Нажимая последовательно кнопку «NEXT» переходим от сечения к сечению, при этом, расстояние от среза сопла (х) увеличивается, а  радиус скачка (r_ск) уменьшается, до тех пор пока не произойдет его регулярное или нерегулярное отражение, после чего его радиус начнет увеличиваться вплоть до конца УВК. Номер УВК показан в верхней табличке и при переходе от одной УВК к другой сменяется, при этом следует помнить, что началом последующей УВК является конец предыдущей.

Рис. 4 – Результаты расчета  параметров в сечении до точки отражения

Малая толщина поверхностей разрыва параметров, скачков уплотнения, не позволяет производить расчет непосредственно на скачке, поэтому назначается некоторая ε-окрестность точки отражения и выделяется два характерных сечения: сечение до точки отражения и сечение за точкой отражения, см. рис. 4 и рис. 5. Расчетные параметры вдоль оси струи между этими двумя сечениями изменяются уже не монотонно, а скачкообразно, несмотря на то, что сечения расположены близко друг к другу, и радиус скачка в этих сечениях одинаковый. Такая же ситуация возникает и с расчетом параметров по радиусу струи, см. рис. 6. Так же выделяется ε-окрестность скачка уплотнения и параметры рассчитываются до и после него.

Рис. 5 – Результаты расчета  параметров в сечении за точкой отражения

Результаты расчета основных газодинамических параметров в конце УВК приведены на рис. 7. В последней УВК как правило меньше расчетных точек по радиусу струи.

Количество УВК варьируется в зависимости от начальных параметров на срезе сопла и может достигать девяти. Когда статическое давление выравнивается на  скачках уплотнения до давления окружающей среды, начинается основной участок струи. Номер УВК = 0, соответствует основному участку струи.