Численное моделирование газодинамических процессов в поворотном управляющем сопле



Numerical simulation of gas-dynamics processes in thrust vectorable nozzle

A numerical simulation of the gas-dynamic processes in the thrust vectorable nozzle of the solid rocket motor is considered. Construction of a geometric model and a computational mesh, and their reconstruction at each time step are discussed. Calculations of the flowfield of combustion products in the pre-nozzle chamber and nozzle block are carried out for various angles of nozzle rotation. The distributions of the gas dynamic parameters in the pre-nozzle volume corresponding to the outflow of the combustion products from the cylindrical channel and star-shaped channel are compared, as well as the solutions of the problem obtained in quasi-stationary and unsteady formulations. The effects of the channel shape on the distribution of flow parameters and formation of a vortex flow structure in the nozzle block are discussed.

solid rocket motor, thrust, vectorable nozzle, submerged nozzle, numerical simulation, vortical structure


Рассматривается численное моделирование газодинамических процессов, сопровождающих работу поворотного управляющего сопла ракетного двигателя твердого топлива. Обсуждаются вопросы, связанные с построением геометрической модели и расчетной сетки, а также с их перестроением на каждом шаге по времени. Проводятся расчеты поля течения продуктов сгорания в канале заряда, предсопловом объеме и сопловом блоке для различных углов поворота сопла. Сравниваются распределения газодинамических параметров в предсопловом объеме двигателя, соответствующие истечению продуктов сгорания из цилиндрического канала и из канала звездообразной формы, а также решений задачи, полученных в квазистационарной и нестационарной постановке. Делаются выводы о влиянии формы канала на распределения параметров потока в сопловом блоке, и обсуждается формирование вихревой структуры потока в окрестности задней сопловой крышки.

двигатель, управляющее сопло, поворотное сопло, численное моделирование, вихревая структура


1. Шишков А.А., Панин С.Д., Румянцев Б.В. Рабочие процессы в РДТТ. М.: Машиностроение, 240 с.
2. Органы управления вектором тяги твердотопливных ракет / Под ред. Н.П. Кузнецова. Москва–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2006. 552 с.
3. Численный эксперимент в теории РДТТ / Под ред. А.М. Липанова. Екатеринбург: Наука, 1994. 302 с.
4. Газодинамические и теплофизические процессы в ракетных двигателях твердого топлива / Под ред. А.С. Коротеева. М.: Машиностроение, 2004. 512 с.
5. Савельев С.К., Емельянов В.Н., Бендерский Б.Я. Экспериментальные методы исследования газодинамики РДТТ. Санкт-Петербург: Изд-во «Недра», 2007. 268 с.
6. Волков В.Т., Ягодников Д.А. Исследование и стендовая отработка ракетных двигателей на твердом топливе. М.: Изд-во МГТУ, 2007. 296 с.
7. Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Газовая динамика сопел. М.: Наука, 1990. 368 с.
8. Волков К.Н., Емельянов В.Н., Тетерина И.В., Яковчук М.С. Газовые течения в соплах энергоустановок. М.: Физматлит, 2016. 336 с.
9. Hagemann G., Immich H., Nguyen T.V., Dumnov G.E. Advanced rocket nozzles // Journal of Propulsion and Power. 1998. Vol. 14. No. 5. P. 620–633.
10. Shimizu T., Kodera M., Tsuboi N. Internal and external flow of rocket nozzle // Journal of the Earth Simulator. 2008. No. 9. P. 19–26.
11. Волков К.Н., Денисихин С.В., Емельянов В.Н. Формирование вихревых структур в предсопловом объеме двигателя с поворотным управляющим соплом // Инженерно-физический журнал. 2016. Т. 89. № 3. С. 652–661.
12. Волков К.Н., Денисихин С.В., Емельянов В.Н., Тетерина И.В. Обтекание поворотного утопленного сопла потоком продуктов сгорания, содержащим частицы конденсированной фазы // Инженерно-физический журнал. 2017. Т. 90. № 5. С. 1200–1207.
13. Волков К.Н., Денисихин С.В., Емельянов В.Н. Газовая динамика утопленного сопла при его смещении в радиальном направлении // Инженерно-физический журнал. 2017. Т. 90. № 4. С. 979–987.
14. Зайковский В.Н., Киселев С.П., Киселев В.П. Продольные крупномасштабные вихри в сверхзвуковой части проницаемого сопла // Прикладная механика и техническая физика. 2005. Т. 46. № 5. С. 68–74.
15. Зайковский В.Н., Меламед Б.М. Вихревые течения в соплах РДТТ // Устойчивость течений гомогенных гетерогенных жидкостей. Новосибирск: ИТПМ СО РАН, 2000. С. 183–186.
16. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Газовые течения с массоподводом в каналах и трактах энергоустановок. М.: Физматлит, 2011. 462 с.
17. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Математические модели трехмерных турбулентных течений в каналах со вдувом // Математическое моделирование. 2004. Т. 16. № 10. С. 41–63.
18. Бендерский Б.Я., Тененев В.А. Пространственные дозвуковые течения в областях со сложной геометрией // Математическое моделирование. 2001. Т. 13. № 8. С. 121–127.
19. Бендерский Б.Я., Саушин П. Н., Тененев В.А., Чернова А.А. Особенности моделирования внутрикамерных процессов энергоустановок, оснащенных утопленным соплом // Космонавтика и ракетостроение. 2012. № 1(66). С. 156–161.
20. Волков К.Н., Емельянов В.Н., Курова И.В. Течение и движение частиц конденсированной фазы в предсопловом объеме РДТТ // Инженерно-физический журнал. 2012. Т. 85. № 4. С. 667–674.
21. Мышенков Е.В., Мышенкова Е.В. Гистерезисные явления в плоском поворотном сопле // Известия РАН. МЖГ. 2010. № 4. С. 175–187.
22. Cortopassi A., Boyer E., Acharya R., Kuo K. Design of a solid rocket motor for characterization of submerged nozzle erosion // AIAA Paper. 2008. No. 2008-4889.
23. Cortopassi A., Boyer E., Kuo K. Update: a subscale solid rocket motor for characterization of submerged nozzle erosion // AIAA Paper. 2009. No. 2009-5172.
24. Anthoine J., Buchlin J.-M., Hirschberg A. Effect of nozzle cavity on resonance in large SRM: theoretical modeling // Journal of Propulsion and Power. 2002. Vol. 18. No. 2. P. 304–311.
25. Toth B., Lema M.R., Rambaud P., Anthoine J., Steelant J. Single-phase internal flowfield validation with an experimental solid rocket motor model // Journal of Propulsion and Power. 2009.Vol. 25. No. 6. P. 1311–1321.
26. Иванов И.Э., Крюков И.А. Численное исследование турбулентных течений с ограниченным и свободным отрывом в профилированных соплах // Вестник МАИ. 2009. Т. 16. № 7. С.23–30.
27. Глушко Г. С., Иванов И. Э., Крюков И. А. Численное моделирование отрывных течений в соплах//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2010. Т. 9. С. 1-8. http://chemphys.edu.ru/issues/2010-9/articles/143/