Розробка математичної моделі тракту охолодження камери рідинного ракетного двигуна з урахуванням зміни густини охолоджувача
DOI:
https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.316236Ключові слова:
рідинний ракетний двигун, математична модель тракту охолодження, зміна густини паливаАнотація
Об’єктом цього дослідження є процеси, що відбуваються в каналах охолодження камери рідинного ракетного двигуна. Важливо розуміти, що з точки зору прогнозування ефективності на етапі проєктування, система охолодження є найвідповідальнішою частиною камери двигуна, що пов’язано з неможливістю її перевірки без проведення дорогих і трудомістких вогневих випробувань. Тому математичні моделі теплопередачі та гідродинаміки повинні якомога детальніше описувати всі процеси, що відбуваються в камері двигуна.
У цій роботі увага зосереджена на врахуванні зміни густини компонента палива в тракті охолодження. Для підтвердження актуальності розглянутої задачі був проведений аналіз зміни параметрів компонентів палива в тракті охолодження двигуна. За результатами оцінки було виявлено, що навіть при використанні висококиплячих компонентів палива та помірних підігрівах в трактах охолодження зміна густини може перевищувати 25 %.
У роботі наведені результати розробки моделі течії компонента палива в охолоджувальному тракті камери рідинного ракетного двигуна з урахуванням зміни густини рідини на базі раніше розробленої авторами моделі охолоджувального тракту. Для цього, спираючись на відомі закони механіки рідини та газу, було виведено рівняння для врахування зміни густини.
З застосуванням розробленої математичної моделі проведені тестові розрахунки, після чого були зіставлені результати моделювання з урахуванням і без урахування зміни густини. Далі було проведено порівняння з наявними в літературі розрахунковими даними щодо теплопередачі в камері двигуна РД107 і визначено, що похибка не перевищує 1.5 %.
Таким чином, отримана математична модель може бути рекомендована до використання при проектуванні нових камер ракетних двигунів з проточним охолодженням
Посилання
- Arnold, S. (1999). Physical & Thermodynamic Properties of Hypergolic Propellants: A Review and Update. Conference: JANNAF Inter-agency Propulsion Committee PD&CS and S&EPS Joint Meeting.
- Nesterenko, V. (1982). Teplofizicheskie svoystva chetyrekhokisi azota. Minsk: Nauka i tekhnika, 197.
- Sliusariev, V., Bucharskyi, V. (2024). Development of a differential model for cooling an LPRE chamber by an incompressible fluid. Journal of Rocket-Space Technology, 33 (4 (28)), 49–58. https://doi.org/10.15421/452424
- Dubrovskiy, I., Bucharskyi, V. (2023). Devising a method to design supersonic nozzles of rocket engines by using numerical analysis methods. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (1 (126)), 61–67. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.290583
- Dubrovskiy, I., Bucharskyi, V. (2020). Development of a method of extended cells for the formulation of boundary conditions in numerical integration of gas dynamics equations in the domains of a curvilinear shape. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (7 (107)), 74–82. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.213795
- Bucharskyi, V., Zhang, L.-H., Wan, Y.-L. (2018). Improvement in Time Efficiency in Numerical Simulation for Solid Propellant Rocket Motors (SPRM). Journal of Propulsion Technology, 39 (1), 92–99. https://doi.org/10.13675/j.cnki.tjjs.2018.01.010
- Sichler, E., Montes, J. D., Chandler, F. O. (2018). One Dimensional Thermal Steady State Analysis and Procedure for a Low-Pressure Liquid Oxygen and Liquid Methane Rocket Engine. 2018 Joint Propulsion Conference. https://doi.org/10.2514/6.2018-4602
- Kose, Y. M., Celik, M. (2023). Regenerative Cooling Comparison of LOX/LCH4 and LOX/LC3H8 Rocket Engines Using the One-Dimensional Regenerative Cooling Modelling Tool ODREC. Applied Sciences, 14 (1), 71. https://doi.org/10.3390/app14010071
- Bergman, T., Lavine, A., Incropera, F., DeWitt, D. (2011). Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.
- Lemmon, E., Huber, M., McLinden, M. (2013). NIST Standard Reference Database 23: Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties-REFPROP, Version 9.1. Available at: https://www.nist.gov/publications/nist-standard-reference-database-23-reference-fluid-thermodynamic-and-transport
- Song, J., Liang, T., Li, Q., Cheng, P., Zhang, D., Cui, P., Sun, J. (2021). Study on the heat transfer characteristics of regenerative cooling for LOX/LCH4 variable thrust rocket engine. Case Studies in Thermal Engineering, 28, 101664. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.101664
- Lv, J., Du, G., Jin, P., Li, R. (2023). Heat Transfer Analysis and Structural Optimization for Spiral Channel Regenerative Cooling Thrust Chamber. International Journal of Aerospace Engineering, 2023, 1–17. https://doi.org/10.1155/2023/8628107
- Atefi, E., Naraghi, M. H. (2019). Optimization of Regeneratively Cooled Rocket Engines Cooling Channel Dimensions. AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum. https://doi.org/10.2514/6.2019-3938
- NIST Standard Reference Database 4. NIST. Available at: https://www.nist.gov/srd/nist-standard-reference-database-4
- Li, X., Wu, S., Zhang, Q., Li, X., Chen, S. (2024). A novel method based on the calculus of variations to optimize the cooling passage configuration in thermal protection structure. Journal of Physics: Conference Series, 2764 (1), 012038. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2764/1/012038
- Fagherazzi, M., Santi, M., Barato, F., Pizzarelli, M. (2023). A Simplified Thermal Analysis Model for Regeneratively Cooled Rocket Engine Thrust Chambers and Its Calibration with Experimental Data. Aerospace, 10 (5), 403. https://doi.org/10.3390/aerospace10050403
- Romano, A., Ricci, D., Battista, F. (2024). 1D numerical simulations aimed to reproduce the operative conditions of a LOX/LCH4 engine demonstrator. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-3866302/v1
- Kim, S.-K., Joh, M., Choi, H. S., Park, T. S. (2014). Effective Modeling of Conjugate Heat Transfer and Hydraulics for the Regenerative Cooling Design of Kerosene Rocket Engines. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 66 (8), 863–883. https://doi.org/10.1080/10407782.2014.892396
- Jeong, W., Jang, S., Kim, H.-J. (2023). Characteristics of a Heat Exchanger in a Liquid Rocket Engine Using Conjugate Heat Transfer Coupling with Open-Source Tools. Aerospace, 10 (12), 983. https://doi.org/10.3390/aerospace10120983
- Xu, B., Chen, B., Peng, J., Zhou, W., Xu, X. (2023). A Coupled Heat Transfer Calculation Strategy for Composite Cooling Liquid Rocket Engine. Aerospace, 10 (5), 473. https://doi.org/10.3390/aerospace10050473
- Jin, X., Shen, C., Wu, X. (2020). Numerical Study on Regenerative Cooling Characteristics of Kerosene Scramjets. International Journal of Aerospace Engineering, 2020, 1–12. https://doi.org/10.1155/2020/8813929
- Belyaev, E. (1987). Termodinamika. Kyiv: «Vischa shkola», 344.
- ZHRD RD-107 i RD-108 i ih modifikatsii. Liquid Propellant Rocket Engines. Available at: http://www.lpre.de/energomash/RD-107/index.htm
- Colebrook, C. F. (1939). Turbulent flow in pipes, with particular reference to the transition region between the smooth and rough pipe laws. Journal of the Institution of Civil Engineers, 11 (4), 133–156. https://doi.org/10.1680/ijoti.1939.13150
- Stimpson, C. K., Snyder, J. C., Thole, K. A., Mongillo, D. (2016). Scaling Roughness Effects on Pressure Loss and Heat Transfer of Additively Manufactured Channels. Journal of Turbomachinery, 139 (2). https://doi.org/10.1115/1.4034555
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Volodymyr Sliusariev, Valeriy Bucharskyi
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.
