Drag and heat transfer of metal and oxide agglomerates in flow of combustion products of solid propellant

Development of tools for modeling the motion of agglomerated particles with a complex composition and shape in a flow of combustion products is of interest for problems related to the description of the motion of the condensed phase in the internal channels of solid rocket motors. An approach is developed to simulate unsteady processes that occur when a viscous incompressible fluid flows around a particle consisting of an aluminum droplet and a condensed oxide particle attached to it. Methods for taking into account the sliding of the attached oxide particle over the surface of the aluminum droplet are pro-posed. The computational results are used to find the drag and heat transfer coefficients of a non-spherical particle at flow velocities corresponding to the formation of separation zones. The developed model is one of the components of a more general mathematical model designed for calculating two-phase flows of combustion products and created with a multi-scale approach to simulation of two-phase flows.

Ключевые слова: computational fluid dynamics, solid rocket nozzle, agglomeration, droplet

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.21.1.893

Авторы: Владислав Николаевич Емельянов, Ирина Владимировна Тетерина, Константин Николаевич Волков

Показать организации

Выпуск: Том 21, выпуск 1, 2020 год

Рекомендуемое библиографическое описание статьи:
Емельянов В. Н., Тетерина И. В., Волков К. Н. Сопротивление и теплообмен маталл-оксидных агломератов в потоке продуктов сгорания твердого топлива//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2020. Т.21, вып. 1. http://chemphys.edu.ru/issues/2020-21-1/articles/893/

Создание средств моделирования движения частиц-агломератов, имеющих сложный состав и форму, в потоке продуктов сгорания представляет интерес для задач, связанных с описанием движения конденсированной фазы во внутренних каналах ракетных двигателей твердого топлива. Разрабатывается подход, предназначенный для моделирования нестационарных процессов, реализующихся при обтекании частицы, состоящей из капли алюминия и присоединенной к ней частицы конденсированного оксида, потоком вязкой несжимаемой жидкости. Предлагаются методы учета скольжения присоединенной частицы по поверхности основной частицы. Результаты расчетов используются для нахождения коэффициентов сопротивления и теплоотдачи частицы несферической формы при скоростях обтекания, соответствующих образованию отрывных зон. Построенная модель является одной из составных частей более общей математической модели, предназначенной для расчета двухфазных течений продуктов сгорания и построенной на основе многомасштабного подхода к расчету двухфазных течений.

Ключевые слова: вычислительная газовая динамика, двигатель, агломерация, капля

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.21.1.893

Авторы: Владислав Николаевич Емельянов, Ирина Владимировна Тетерина, Константин Николаевич Волков

Показать организации

Выпуск: Том 21, выпуск 1, 2020 год

1. 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.
2. Price E.W. Combustion of metallized propellants // Progress in Astronautics and Aeronautics: Fundamentals of Solid Propellant Combustion. 1985. Vol. 90. P. 479–513.
3. Бабук В.А., Белов В.П., Ходосов В.В., Шелухин Г.Г. Исследование структуры агломератов при горении алюминизированных смесевых конденсированных систем // Физика горения и взрыва. 1988. Т. 24. № 5. С. 52–56.
4. Eisel J.L., Brown B.G., Price E.W. Pressure, velocity and geometry eﬀect on Al2O3 produced during aluminized propellant combustion // AIAA Journal. 1975. Vol. 13. No. 7. P. 913–917.
5. Olsen S.E., Beckstead M.W. Burn time measurements of single aluminum particles in steam and carbon dioxide mixtures // Journal of Propulsion and Power. 1996. Vol. 12. No. 4. P. 662–671.
6. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Течения газа с частицами. М.: Физматлит, 2008. 598 с.
7. Carrasco B., Garcia de la Torre J., Zipper P. Calculation of hydrodynamic properties of macromolecular bead models with overlapping spheres // European Biophysics Journal. 1999. Vol. 28. P. 510–515.
8. Strobl S., Formella A., Poschel T. Exact calculation of the overlap volume of spheres and mesh elements // Journal of Computational Physics. 2016. Vol. 311. P. 158–172.
9. Leith В. Drag on nonspherical objects // Aerosol Science and Technology. 1987. Vol. 6. No. 2. P. 153–161.
10. Wang-yi W., Xiao-yi H. The stokes ﬂow of the rotating double spheres and multiple spheres // Applied Mathematics and Mechanics. 1987. Vol. 8. P. 123–136.
11. Folkersma R., Stein H.N., van de Vosse F.N. Hydrodynamic interactions between two identical spheres held ﬁxed side by side against a uniform stream directed perpendicular to the line connecting the spheres’ centres // International Journal of Multiphase Flow. 2000. Vol. 26. No. 5. P. 877– 887.
12. Ebrahimi M., Crapper M., Ooi J. Numerical and experimental study of horizontal pneumatic transportation of spherical and low-aspect-ratio cylindrical particles // Powder Technology. 2016. Vol. 293. P. 48–59.
13. Liang S.-C., Hong T., Fan L.-S. Eﬀects of particle arrangements on the drag force of a particle in the intermediate ﬂow regime // International Journal of Multiphase Flow. 1996. Vol. 22. No. 2. P. 285–306.
14. Verma P.L., Govardhan M. Flow behind bluﬀ bodies in side-by-side arrangement // Journal of Engineering Science and Technology. 2011. Vol. 6. No. 6. P. 745–768.
15. Cichocki B., Hinsen K. Stokes drag on conglomerates of spheres // Physics of Fluids. 1995. Vol. 7. No. 2. P. 285–291.
16. Nir A., Acrivos A. On the creeping motion of two arbitrary-sized touching spheres in a linear shear ﬁeld // Journal of Fluid Mechanics. 1973. Vol. 59. P. 209–223.
17. Derksen J.J. Flow-induced forces in sphere doublets // Journal of Fluid Mechanics. 2008. Vol. 608. P. 337–356.
18. Derksen J.J., Larsen R.A. Drag and lift forces on random assemblies of wallattached spheres in low-Reynolds-number shear ﬂow // Journal of Fluid Mechanics. 2011. Vol. 673. P. 1–27.
19. Zhao L. Hydrodynamics of highly viscous ﬂow past a compound particle: analytical solution // Fluids. 2016. Vol. 1. 36 (15 pages).
20. Daripa P., Pallaniaappan D. Generalized circle and sphere theorems for inviscid and viscous ﬂows // SIAM Journal of Applied Mathematics. 2001. Vol. 63. No. 2. P. 514–540.
21. Schneider J.C., O’Neill M.E., Brenner H. On the slow viscous rotation of a body straddling the interface between two immiscible semi-inﬁnite ﬂuids // Mathematika. 1973. Vol. 20. No. 2. P. 175–196.
22. Radchik A.V., Paley A.V., Smith G.B., Vagov A.V. Polarization and resonant absorption of intersecting cylinders and spheres // Journal of Applied Physics. 1994. Vol. 76. No. 8. P. 4827–4835.
23. Mansﬁeld M.L., Douglas J.F., Garboczi E.J. Intrinsic viscosity and the electrical polarizability of arbitrarily shaped objects // Physics Review E. 2001. Vol. 64. 061401 (10 pages).
24. Бабук В.А., Будный Н.Л. Моделирование формирования оксида при горении металла агломератов // Химическая физика и мезоскопия. 2015. Т. 17. № 1. С. 39–50.
25. Бабук В.А., Низяев А.А. К вопросу о формировании «полых» агломератов при горении смесевых твердых топлив // Химическая физика и мезоскопия. 2016. Т. 18. № 1. С. 5–16.
26. Тененев В.А., Русяк И.Г., Горохов М.М. Численное исследование горе ния частиц алюминия в двухфазном потоке // Математическое моделирование. 1997. Т. 9. № 5. С. 87–96.
27. Гремячкин В.М. Теоретические модели горения металлических частиц // Физика аэродисперсных систем. 1987. Вып. 31. С. 41–52.
28. Стронгин М.П., Кошелев К.Б. Математическое моделирование нестационарных эффектов при обтекании одиночной горящей частицы // Физика горения и зврыва. 1993. Т. 29. № 3. С. 120–123.
29. French A.D., Panelli M., Lorenzo G.D., Schettino A. Combustion instability and pressure oscillation numerical simulation in a solid rocket motor // AIAA Paper. 2017. No. 4952 (25 pages).
30. Volkov K.N. Combustion of single aluminium droplet in two-phase ﬂow // Heterogeneous Combustion. Nova Science, 2010. P. 191–260.
31. King M.K. Aluminum combustion in solid rocket motor environment // Proceedings of the Combustion Institute. 2009. Vol. 32. No. 2. P. 2107– 2114.
32. Yang J., Yoon W. Modeling of aluminum particle combustion with emphasis on the oxide eﬀects and variable transport properties // Journal of Mechanical Science and Technology. 2010. Vol. 24. No. 4. P. 909–921.
33. Glorian J., Gallier S., Catoire L. On the role of heterogeneous reactions in aluminum combustion // Combustion and Flame. 2016. Vol. 168. P. 378–392.
34. Muller M., Davidenko D., Giovangigli V. Computational study of aluminum droplet combustion in diﬀerent atmospheres // Proceedings of the 7th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), 3– 6 July 2017, Milan, Italy. 17 p.
35. Волков К.Н., Емельянов В.Н., Тетерина И.В., Яковчук М.С. Газовые течения в соплах энергоустановок. М.: Физматлит, 2016. 336 с.