Метод расчета прогрева жидкого топлива в баке двигательной установки ракеты-носителя

Анотація

Процесс изменения температуры компонентов топлива в баках двигательной установки оказывает существенное влияние на её работу, параметры системы подачи, а также на энергетику ракеты-носителя. Настоящая работа посвящена созданию простого и эффективного метода расчёта температурных полей жидкого топлива в баках двигательной установки, с целью его применения при проектировании систем наддува топливных баков. Показана необходимость математического моделирования прогрева топлива в баках и влияния самого процесса нагрева на параметры системы наддува. При этом важно изменение температуры свободной поверхности топлива, которая формирует интенсивность теплопередачи, характер изменения давления в баке по времени и температуру топлива на входе в насосы двигательной установки. Использование уравнений Навье-Стокса с этой целью усложняет проведение расчётов, что вынуждает к созданию более простых в использовании методов. Помимо определения параметров создаваемых систем наддува топливных баков, учёт прогрева топлива выполняют при обработке её экспериментальных данных. С целью получения фактических коэффициентов теплоотдачи между газом наддува и жидким топливом, необходимо знать, какая доля тепла внесена от газа в жидкость, а какая – результат воздействия аэродинамического теплового потока. Предложенная модель основана на уравнениях передачи тепла внутри твёрдого тела, с использованием эмпирических коэффициентов. В качестве независимых задач рассмотрен расчёт прогрева топлива как от газа наддува, так и от аэродинамического теплового потока. Для определения последнего использованы уравнения турбулентного пограничного слоя, с учётом допущений, основанных на элементарных процессах естественной конвекции. Показана удовлетворительная сходимость расчётных и экспериментальных данных. С помощью описанного метода сделана обработка лётных данных систем наддува, с учётом динамики процессов теплопередачи при различных способах ввода газа наддува в бак, при различных его скоростях и теплофизических свойствах. Применение разработанного метода в составе методик расчёта параметров систем наддува позволяет существенно повысить точность расчётов и в целом снизить трудозатраты на разработку систем подачи топлива двигательной установки