Влияние вязкости расплава на скорость регрессии легкоплавких материалов в потоке горячего газа


Просмотр статьи
PDF, 4,9 МБ

Effect of melt viscosity on the regression rate of low-melting materials in a hot gas flow

The results of numerical modeling of the formation and evolution of a melt layer on the surface of a material exposed to a gas flow at a temperature exceeding the melting point are presented. The influence of melt viscosity on the interaction characteristics is considered, including the rate of material regression due to melting followed by flow along the sample surface and entrainment during droplet shedding. Arrhenius-type approximation curves are constructed for three temperature-dependent viscosity curves, generalizing literature data. Calculations of flow and melting over a flat surface and a periodic (steps, depressions) relief are performed, and the results are summarized as exponential dependences of the regression rate on melt viscosity.

multiphase flow, melting, VOF, Kelvin-Helmholtz instability, regression.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.8.1234

Сергей Евгеньевич Якуш, С. А. Рашковский, Владислав Александрович Усанов

Том 26, выпуск 8, 2025 год



Представлены результаты численного моделирования образования и эволюции слоя расплава на поверхности материала, находящегося в потоке газа с температурой, превышающей температуру плавления. Рассмотрено влияние вязкости расплава на характеристики взаимодействия, включая скорость регрессии материала за счет плавления с последующим течением вдоль поверхности образца и уноса при срыве капель. Построены аппроксимационные зависимости аррениусовского типа для трех зависимостей вязкости от температуры, обобщающие литературные данные. Проведены расчеты обтекания и плавления плоской поверхности и периодического (уступы, впадины) рельефа, результаты обобщены в виде показательных зависимостей скорости регрессии от вязкости расплава.

многофазное течение, плавление, VOF, неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, регрессия.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.8.1234

Сергей Евгеньевич Якуш, С. А. Рашковский, Владислав Александрович Усанов

Том 26, выпуск 8, 2025 год



1. Calabro M. Overview on hybrid propulsion. Progress in Propulsion Physics. 2011. V. 2, P. 353–374.
2. Okninski A., Kopacz W., Kaniewski D., Sobczak. Hybrid rocket propulsion technology for space transportation revisited – propellant solutions and challenges // FirePhysChem. 2021. V. 1(4), P. 260–271.
3. Pastrone D. Approaches to low fuel regression rate in hybrid rocket engines // Int. J. Aerosp. Eng. 2012. V. 2012, Article ID 649753, P. 1–12.
4. Mazzetti A., Merotto L., Pinarello G. Paraffin-based hybrid rocket engines applications: A re-view and a market perspective // Acta Astronaut. 2016. V. 126, P. 286–297.
5. Wada Y., Kawabata Y., Kato R., Kato N., Hori K. Observation of combustion behavior of low melting temperature fuel for a hybrid rocket using double slab motor // International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion. 2016. V. 15(5), P. 351–369.
6. Liu X., Hu S., Wang Y., Zhang W., Liu L. Droplet entrainment characteristics of HTPB/Paraffin blended fuels for hybrid rocket motors // Acta Astronaut. 2024. V. 214, P. 293–302.
7. Petrarolo A., Kobald M., Schlechtriem S. Optical analysis of the liquid layer combustion of paraffin-based hybrid rocket fuels // Acta Astronaut. 2019. V. 158, P. 313–322.
8. Zarko V., Kiskin A., Cheremisin A. Contemporary methods to measure regression rate of ener-getic materials: A review // Prog. Energy Combust. Sci. 2022. V. 91, P. 100980.
9. Kiskin A. B., Zarko V. E., Eremin I. V. Studying the paraffin based mixtures regression under high speed hot air blowing // Acta Astronaut. 2024. V. 216, P. 330–335.
10. Usanov V. A., Gembarzhevskii G. V., Rashkovskiy S. A., Yakush S. E. Melting and regression of paraffin samples in hot air flow // Heat Transfer Research. 2025. V. 56(1), P. 27–44.
11. Сиваков Н. С., Усанов В. А. Экспериментальное и численное исследование плавления парафина под воздействием потока нагретого воздуха//Физико-химическая кинетика в га-зовой динамике. 2024. Т.25, вып. 7. http://chemphys.edu.ru/issues/2024-25-7/articles/1137/
12. Betelin V. B., Kushnirenko A. G., Smirnov N. N., Nikitin V. F., Tyurenkova V.V., Stamov L. I. Numerical investigations of hybrid rocket engines // Acta Astronaut. 2018. V. 144, P. 363–370.
13. Kushnirenko A. G., Stamov L. I., Tyurenkova V. V., Smirnova M. N., Mikhalchenko E.V. Three-dimensional numerical modeling of a rocket engine with solid fuel // Acta Astronaut. 2021. V. 181, P. 544–551.
14. Рашковский С.А., Якуш С. Е., Баранов А.А. Моделирование твердотопливного прямо-точного воздушно-реактивного двигателя со стабилизатором горения // Горение и взрыв. 2017. Т. 10, №2, С. 79–84.
15. Rashkovskiy S. A., Yakush S. E. Numerical simulation of low-melting temperature solid fuel regression in hybrid rocket engines // Acta Astronaut. 2020. V. 176, P. 710–716.
16. Yakush S. E., Rashkovskiy S. A. Modeling of liquefying material interaction with hot gas flow in application to hybrid rocket engines // AIP Conference Proceedings. 2021. V. 2351, No. 1, P. 030069.
17. Migliorino M. T., Fabiani M., Paravan C., Bianchi D., Nasuti F., Galfetti L., Pellegrini R. C., Cavallini E. Numerical and experimental analysis of fuel regression rate in a lab-scale hybrid rocket engine with swirl injection // Aerosp. Sci. Technol. 2023. V. 140, P. 108467.
18. Carmicino C., Gallo G., Savino R. Self-consistent surface-temperature boundary condition for liquefying-fuel-based hybrid rockets internal-ballistics simulation // Int. J. Heat Mass Transf. 2021. V. 169, P. 120928.
19. Hirt C.W., Nichols B.D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries // J. Comput. Phys. 1981. V. 39, P. 201–225.
20. Tryggvason G., Scardovelli R., Zaleski S. Direct Numerical Simulations of Gas-Liquid Multi-phase Flow. – Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2011.
21. Xiao F., Ii S., Chen C. Revisit to the THINC scheme: A simple algebraic VOF algorithm // J. Comput. Phys. 2011. V. 230, P. 7086–7092.