Математическое моделирование конвективного теплообмена несущей оболочки твердотопливного двигателя с теплозащитным покрытием

В работе приводится математическая модель конвективного теплообмена несущей оболочки с теплозащитным покрытием и высокотемпературными продуктами сгорания твердого топлива. Анализируются результаты исследований, полученные по разработанной модели.

Цель работы: разработка математической модели и численного алгоритма реше-ния задачи конвективного теплообмена при тепловом взаимодействии высокотемпературных продуктов сгорания твердого топлива с осесимметричной несущей оболочкой конструкции силовой установки с пассивным и активным теплозащитным покрытием.
Задачи исследования:
- проведение информационного поиска научного материала по теме работы с ана-лизом и систематизацией методов и подходов решения задачи исследования динамики изменения температуры в элементах конструкции РДТТ;
- выбор и обоснования расчетной схемы решения модельной задачи конвективного теплообмена осесимметричной камеры сгорания с теплозащитным покрытием (ТЗП) и высокотемпературного потока при величинах тепловых потоков, характерных для сгора-ния твердотопливного заряда;
- определить значения температур, коэффициентов теплоотдачи и плотности теп-лового потока в расчетном сечении двухслойной стенки и исследовать динамику измене-ния теплового состояния стенки несущей оболочки камеры сгорания и слоя теплозащит-ного покрытия по времени протекания процесса теплообмена в зависимости от их тепло-физических свойств.

Разработка математических моделей и проведение исследований процессов теплообмена актуальны при тепловом проектировании твердотопливных двигателей, в частности несущих элементов конструкции. Решение задач нестационарного теплообмена в камере сгорания и теплопроводности в многослойных стенках с помощью традиционного аналитического ограничено в связи с многообразием взаимовлияющих факторов, наличием комплекса изменяющихся параметров по пространству и времени, сложностью математического описания реального процесса.В работе приводится математическая модель конвективного теплообмена несущей оболочки с теплозащитным покрытием и высокотемпературными продуктами сгорания твердого топлива.

 

Математическое описание процессов теплообмена в элементах конструкции РДТТ приводятся в работах Липанова А.М., Алиева А.В., Белова В.П., Полежаева Ю.В. и др.

Реальные условия теплообмена существенно меняются во времени и нелинейно зависят от температуры поверхности, так же как и материал стенки меняет свои теплофизические характеристики. Кроме того, в теплозащитных материалах могут происходить процессы термического разложения и иметь место фазовые переходы. Полное влияние этих и других факторов учесть сложно. Поэтому при построении математических моделей принимают ряд допущений, в частности геометрия стенки несущей оболочки рассматривается как плоская стенка, при расчете сопряженной задачи теплопроводности несущей оболочки и слоя теплозащитного покрытия динамику прогрева стенки не рассматривают.

В связи с этим новизной данной работы является математическое описании и разработка собственного алгоритма решения задачи конвективного теплообмена несущей оболочки твердотопливного двигателя с теплозащитным покрытием, с учетом теплового эффекта фазового разложения материала ТЗП, позволяющий получать численные значения распределения параметров по времени и пространственной координате, при рабочих режимах, характерных для реальных РДТТ.

Результаты работы обсуждались на IV Всероссийской научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые – ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (с международным участием) (г. Ижевск, 20-22 апреля 2016 г.). Получен диплом I степени.​ Получены положительные заключения на получение свидетельства госрегистрации программ ЭВМ "Численное решение теплообмена несущей оболочки с пассивным ТЗП", "Численное решение теплообмена несущей оболочки с активным ТЗП".

1. Тепловое проектирование элементов конструкции ракетных двигателей: методические указания к выполнению домашнего задания. / Сост. Белов В.П. Балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2010. – 38 с.
2. Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двига-телей твердого топлива. – М.: Машиностроение, 1987. – 328 с.
3. Липанов А.М. Численный эксперимент в теории РДТТ./ Липанов А.М., Бобрышев В.П., Алиев А.В., Спиридонов Ф.Ф., Лисица В.Д. – Екатеринбург: УИФ, 1994. – 300 с.
4. Липанов А.М., Макаров С.С.Численное решение задачи нестационарного теплообмена при охлаждении высокотемпературного металлического тела прямоугольной формы. //Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашникова – Ижевск: Из-во ИжГТУ, 2012. – Вып. 2 (54). – С. 35-38.

The paper presents a mathematical model of convective heat transfer carrier shell with thermal barrier coating and high temperature products of combustion of solid fuels. The research results obtained from the developed model.