Многомасштабный подход к моделированию течений газа с частицами в камерах сгорания двигательных установок


Просмотр статьи
PDF, 1,6 МБ

Multiscale Simulation of Gas-Particle Flows in Combustion Chambers of Solid Rocket Motors

The development and application of numerical simulation to the study of intra-chamber pro-cesses occurring in solid propellant rocket motors (SRM) is discussed. A characteristic of internal flows in the channels and nozzles of SRM is the presence of condensed phase particles having a non-spherical shape. Mathematical problems in this area is the simultaneous occurrence of processes on many time and spatial scales, which describe the formation of agglomerate particles, their combustion and transport in flow of combustion products in internal channels and nozzles. One of the approaches to solving these problems is a multilevel multiscale approach that combines models describing the state of the system at the micro-, me-so- and macro-scales. An overview of models varying in complexity and level of detail is given. The construction of multiscale models is considered in relation to the simulation of two-phase flows with metal-oxide agglomerates formed in the propellant channel and representing drops of molten metal with oxide particles attached to their surface. The capabilities of the developed approach are demonstrated by the calculations of flows of combustion products containing agglomerate particles in the channels and nozzles of propulsion systems.

multiscale simulation, combustion chamber, solid rocket motor, computational gas dynamics, channel, nozzle, turbulence, particle, non-spherical shape, drag, heat transfer

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.1.1087

Константин Николаевич Волков, Никита Александрович Брыков, Владислав Николаевич Емельянов, Алексей Владимирович Ефремов

Том 25, выпуск 1, 2024 год



Обсуждается развитие и применение методов численного моделирования для исследования газодинамических процессов, протекающих в ракетных двигателях твердого топлива (РДТТ). Характерной чертой внутренних течений в каналах и соплах РДТТ является наличие частиц конденсированной фазы, имеющих несферическую форму. Особенностью математических задач в данной области является одновременное протекание процессов на многих временных и пространственных масштабах, которые описывают формирование частиц-агломератов, их горение и перенос потоком продуктов сгорания во внутренних каналах и соплах. Одним из подходов к решению таких задач является многоуровневый многомасштабный подход, сочетающий модели, описывающие состояние системы на микро-, мезо- и макро-масштабах. Дается обзор различных по сложности и уровню детализации моделей. Рассматривается построение многомасштабных моделей применительно к моделированию двухфазных течений с металл-оксидными агломератами, формирующимися в канале заряда и представляющими собой капли расплавленного металла с присоединенными к их поверхности частицами окиси металла. Возможности разработанного подхода демонстрируются на примере расчетов течений продуктов сгорания, содержащих частиц-агломераты, в каналах и соплах двигательных установок.

многомасштабное моделирование, камера сгорания, двигатель, вычислительная газовая динамика, канал, сопло, турбулентность, частица, несферическая форма, сопротивление, теплообмен

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.1.1087

Константин Николаевич Волков, Никита Александрович Брыков, Владислав Николаевич Емельянов, Алексей Владимирович Ефремов

Том 25, выпуск 1, 2024 год



1. Drikakis D., Frank M., Tabor G. Multiscale computational fluid dynamics // Energies. 2019. Vol. 12. 3272 (17 pages).
2. Абгарян К.К., Гаврилов Е.С., Марасанов А.М. Информационная поддержка задач многомасштабного моделирования композиционных материалов // International Journal of Open Information Technologies. 2017. № 12. C. 24–29.
3. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Течения газа с частицами. М.: Физматлит, 2008. 598 с.
4. Chen S., Wang M., Xia Z. Multiscale fluid mechanics and modeling // Procedia IUTAM. 2014. Vol. 10. P. 100–114.
5. Kalweit M., Drikakis D. Multiscale methods for micro/nano flows and materials // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. 2008. Vol. 5. No. 9. P. 1923–1938.
6. Kalweit M., Drikakis D. Multiscale simulation strategies and mesoscale modelling of gas and liquid flows // IMA Journal of Applied Mathematics. 2011. Vol. 76. No. 5. P. 661–671.
7. Hadjiconstantinou N.G. Hybrid atomistic-continuum formulations and the moving contact-line problem // Journal of Computational Physics. 1999. Vol. 154. P. 245–265.
8. Werder T., Walther J.H., Koumoutsakos P. Hybrid atomistic–continuum method for the simulation of dense fluid flows // Journal of Computational Physics. 2005. Vol. 205. No. 1. P. 373–390.
9. Xu Y., Subramaniam S. A multiscale model for dilute turbulent gas-particle flows based on the equilibration of energy concept // Physics of Fluids. 2006. Vol. 18. 033301 (17 pages).
10. Tsuji Y. Multi-scale modeling of dense phase gas–particle flow // Chemical Engineering Science. 2007. Vol. 62. No. 13. P. 3410–3418.
11. Подрыга В.О., Поляков С.В. Многомасштабное моделирование истечения газовой струи в вакуум // Препринты ИПМ им. М.В.Келдыша. 2016. № 81. 52 с.
12. Tryggvason G., Aboulhasanzadeh B., Dabiri S., Lu J. Multiscale issues in DNS of multiphase flow // Proceedings of the 15th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-15), 12–17 May 2013, Pisa, Italy. 2013. No. 685 (9 pages).
13. Luo K.H., Xia J., Monaco E. Multiscale modeling of multiphase flow with complex interactions // Journal of Multiscale Modelling. 2009. Vol. 1. No. 1. P. 125–156.
14. Ling Y., Zaleski S., Scardovelli R. Multiscale simulation of atomization with small droplets represented by a Lagrangian point-particle model // International Journal of Multiphase Flow. 2015. Vol. 76. P. 122–143.
15. Крапошин М.В. Многомасштабный подход к моделированию сложных переходных процессов движения жидкостей в технических системах // Труды ИСП РАН. 2018. Т. 30. № 6. С. 275–292.
16. Baltussen M.W., Buist K.A., Peters E.A.J.F., Kuipers J.A.M. Multiscale modelling of dense gas–particle flows // Advances in Chemical Engineering. 2018. Vol. 53. P. 1–52.
17. Gimenez J.M., Idelsohn S.R., Onate E., Lohner R. Multiscale approach for the numerical simulation of turbulent flows with droplets // Archives of Computational Methods in Engineering. 2021. Vol. 28. P. 4185–4204.
18. Balachandar S., Eaton J.K. Turbulent dispersed multiphase flow // Annual Review of Fluid Mechanics. 2010. Vol. 42. No. 1. P. 111–133.
19. Idelsohn S.R., Gimenez J.M., Nigro N., Onate E. The pseudo-direct numerical simulation method for multi-scale problems in mechanics // Computational Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2021. Vol. 380. 113774.
20. Germann T.C., Kadau K. Trillion-atom molecular dynamics becomes a reality // International Journal of Modern Physics C. 2008. Vol. 19. No. 9. P. 1315–1319.
21. Freddolino P.L. Ten-microsecond molecular dynamics simulation of a fast-folding WW domain // Biophysical Journal. 2008. Vol. 94. No. 10. P. L75–L77.
22. Hutter J., Curioni A. Car-Parrinello molecular dynamics on massively parallel computers // ChemPhysChem. 2005. Vol. 6. No. 9. P. 1788–1793.
23. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. М.: Физматлит, 2008. 364 с.
24. Li W.-L., Ouyang Y., Gao X.-Y., Wang C.-Y., Shao L., Xiang Y. CFD analysis of gas–liquid flow characteristics in a microporous tube-in-tube microchannel reactor // Computers and Fluids. 2018. Vol. 170. P. 13–23.
25. Ngo S.I., Lim Y.-I. Multiscale Eulerian CFD of chemical processes: a review // Chemical Engineering. 2020. Vol. 4. 23 (26 pages).
26. Xu X., Wang X., Zhang M., Zhang J., Tan J. A parallelized hybrid N-S/DSMC-IP approach based on adaptive structured/unstructured overlapping grids for hypersonic transitional flows // Journal of Computational Physics. 2018. Vol. P. 409–433.
27. John B., Damodaran M. Computation of head-disk interface gap micro flowfields using DSMC and continuumatomistic hybrid methods // International Journal for Numerical Methods in Fluids. 2009. Vol. 61. P. 1273–1298.
28. Weinan E., Ming P., Zhang P. Analysis of the heterogeneous multiscale method for elliptic homogenization problems // Journal of the American Mathematical Society. 2005. Vol. 18. No. 1. P. 121–156.
29. Ren W.Q., Weinan E. Heterogeneous multiscale method for the modeling of complex fluids and micro-fluidics // Journal of Computational Physics. 2005. Vol. 204. No. 1. P. 1–26.
30. Docherty S.Y., Borg M.K., Lockerby D.A., Reese J.M. Coupling heterogeneous continuum-particle fields to simulate non-isothermal microscale gas flows // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. Vol. 98. P. 712–727.
31. Patronis A., Lockerby D.A. Multiscale simulation of non-isothermal microchannel gas flows // Journal of Computational Physics. 2014. Vol. 270. P. 532–543.
32. John B., Lockerby D.A., Patronis A., Emerson D.R. Simulation of the head-disk interface gap using a hybrid multiscale method // Microfluidics and Nanofluidics. 2018. Vol. 22. 106.
33. Zhang J., John B., Pfeiffer M., Fei F., Wen D. Particle-based hybrid and multiscale methods for nonequilibrium gas flows // Advances in Aerodynamics. 2019. Vol.1. No. 2. P. 1–15.
34. Wijesinghe H.S., Hadjiconstantinou N.G. Discussion of hybrid atomistic-continuum methods for multiscale hydrodynamics // International Journal for Multiscale Computational Engineering. 2004. Vol. 2. P. 189–202.
35. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Газовые течения с массоподводом в каналах и трактах энергоустановок. М.: Физматлит, 2011. 464 с.
36. Gallier S. Heterogeneous solid propellants: from microstructure to macroscale properties // Progress in Propulsion Physics. 2011. Vol. 2. P. 21–34.
37. Волков К.Н., Емельянов В.Н., Тетерина И.В., Яковчук М.С. Газовые течения в соплах энергоустановок. М.: Физматлит, 2016. 336 с.
38. Stewart D.S., Tang K.C., Yoo S., Brewster Q., Kuznetsov I.R. Multiscale modeling of solid rocket motors: computational aerodynamics methods for quasi-steady burning // Journal of Propulsion and Power. 2006. Vol. 22. No. 6. P. 1382–1388.
39. Emelyanov V.N., Teterina I.V., Volkov K.N., Garkushev A.U. Pressure oscillations and instability of working processes in the combustion chambers of solid rocket motors // Acta Astronautica. 2017. Vol. 135. P. 161–171.
40. Emelyanov V.N., Teterina I.V., Volkov K.N. Dynamics and combustion of single aluminium agglomerate in solid propellant environment // Acta Astronautica. 2020. Vol. 176. P. 682–694.
41. Волков К.Н., Емельянов В.Н., Тетерина И.В. Сопротивление и теплообмен металл-оксидных агломератов в потоке продуктов сгорания твердого топлива // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2020. Т. 21 № 1. С. 1–24.
42. 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.