ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2023-23-4-836-842ntv-230Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONЧисленное моделирование газодинамики при работе широкодиапазонного ракетного сопла с пористой вставкойNumerical simulation of gas dynamics during operation of a wide-range rocket nozzle with a porous inserthttps://orcid.org/0009-0003-3840-203XМихайловМ. В.MikhailovM. V.

Михайлов Михаил Владимирович — младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 190005

Mikhail V. Mikhailov — Junior Researcher

Saint Petersburg, 190005

mixailovmish@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6383-039XПроданН. В.ProdanN. V.

Продан Николай Васильевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник

sc 56177927100

Санкт-Петербург, 190005

Nikolai V. Prodan — PhD, Senior Researcher

sc 56177927100

Saint Petersburg, 190005

kolinti@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0583-0607РеневМ. Е.RenevM. E.

Ренев Максим Евгеньевич — младший научный сотрудник

sc 57211271545

Санкт-Петербург, 190005

Maxim E. Renev — Junior Researcher

sc 57211271545

Saint Petersburg, 190005

renevme@mail.ruБалтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. УстиноваРоссияBaltic State Technical University “VOENMEH” named after D.F. UstinovRussian Federation202315122024234836842Copyright © Михайлов М.В., Продан Н.В., Ренев М.Е., 20242024Михайлов М.В., Продан Н.В., Ренев М.Е.Mikhailov M.V., Prodan N.V., Renev M.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/230

Введение. При движении ракеты в плотных слоях атмосферы Земли классические сопла работают в режиме перерасширения реактивной струи. В этом режиме происходит частичное снижение величины удельного импульса. Вследствие этого увеличивается количество расходуемого ракетным двигателем топлива. Повышение эффективности работы сопел можно достигнуть использованием конструкций широкодиапазонных сопел. В этом случае замена сплошной стенки сопла на перфорированную позволяет компенсировать потери удельного импульса. В работе представлено исследование влияния пористой вставки на режимы работы сопла. Метод. Выполнено численное моделирование в пакете программ Ansys Fluent. На первом этапе исследования создана геометрическая модель расчетной зоны: двумерная модель сопла ракетного двигателя РД-107 и окружающая сопло область, в которой задана внешняя среда (воздушная атмосфера). Произведен расчет истечения продуктов сгорания через построенное сопло при различном давлении атмосферного воздуха. Классическое сопло заменено на сопло с пористой вставкой и проведен расчет при аналогичных значениях атмосферного давления. Выполнено сравнение значений удельного импульса, полученных при расчетах с классическим и пористым соплом. Определено количество топлива, сэкономленного при замене классического сопла на пористое с помощью определения разницы площадей, ограниченных кривыми на графике зависимости удельного импульса от рассматриваемой высоты над уровнем моря. Основные результаты. Результаты сравнения величин удельного импульса сопел с непроницаемой стенкой и пористой вставкой позволили сделать вывод, что до высоты 5,4 км удельный импульс сопла с перфорированной стенкой превышает значения удельного импульса классического сопла. Оценка эффективности применения газопроницаемой вставки в конструкции сопла при его работе в плотных слоях атмосферы Земли показала, что с началом работы на высоте 0 км над уровнем моря и до высоты, на которой сопло работает в расчетном режиме, величина компенсируемого удельного импульса составляет 2,2 %. Обсуждение. Результаты исследования могут быть применены при конструировании сопловых устройств современных ракетных двигателей, работающих в плотных слоях атмосферы.

When the rocket moves in the dense layers of the Earth’s atmosphere, classical nozzles operate in the jet overexpansion mode. In this mode, there is a partial decrease in the magnitude of the specifc impulse. As a result, the amount of fuel consumed by the rocket engine increases. An increase in the effciency of nozzle operation can be achieved by using designs of wide-range nozzles, in which case the replacement of a solid nozzle wall with a perforated one makes it possible to compensate for the loss of specifc impulse. The paper presents a study of the effect of a porous insert on the operating modes of the nozzle. Numerical simulation was performed in the Ansys Fluent software package. At the frst stage of the study, a geometric model of the computational zone is created which includes a two-dimensional model of the RD-107 rocket engine nozzle and a computational domain that simulates the external environment (air atmosphere). The calculation of the outfow of combustion products through the constructed nozzle at different pressures of atmospheric air is carried out. In the future, the classical nozzle is replaced by a nozzle with a porous insert, and the calculation is carried out at the same values of atmospheric pressure. The values of the specifc impulse obtained in calculations with a classical and porous nozzle are compared. The amount of fuel saved when replacing a classic nozzle with a porous one is determined by the difference in the areas bounded by the curves on the plot of specifc impulse versus the considered height above the Earth’s surface. Comparison of the values of the specifc impulse of nozzles with an impenetrable wall and a porous insert made it possible to conclude that up to a height of 5.4 km the specifc impulse of the nozzle with a perforated wall exceeds the values of the specifc impulse of the classical nozzle. Evaluation of the effectiveness of the use of a gas-permeable insert in the nozzle design when the nozzle operates in dense layers of the Earth’s atmosphere showed that with the start of operation at a height of 0 km above sea level and up to the height at which the nozzle operates in the design mode – the value of the compensated specifc impulse is 2.2 %. The results of the study can be applied in the design of nozzle devices of modern rocket engines operating in dense layers of the atmosphere.

численное моделированиеракетный двигательширокодиапазонные соплапористая вставкарежим перерасширенияnumerical simulationrocket enginewide-range nozzlesporous insertoverexpansion modeРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в ходе реализации проекта «Создание опережающего научно-технического задела в области разработки передовых технологий малых газотурбинных, ракетных и комбинированных двигателей сверхлегких ракет-носителей, малых космических аппаратов и беспилотных воздушных судов, обеспечивающих приоритетные позиции российских компаний на формируемых глобальных рынках будущего», № FZWF-2020-0015.The work was carried out with the fnancial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation during the implementation of the project “Creation of advanced scientifc and technical groundwork in the development of advanced technologies of small gas turbine, rocket and combined engines of ultralight launch vehicles, small spacecraft and unmanned aircraft, ensuring the priority positions of Russian companies in the emerging global markets of the future”, no. FZWF-2020-0015.ReferencesСеменов В.В., Иванов И.Э., Крюков И.А., Федоров В.В. Повышение эффективности ракетного двигателя второй ступени // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2015. № 43. С. 5–17. https://doi.org/10.15593/2224-9982/2015.43.01Semenov V.V., Ivanov I.E., Kryukov I.A., Fedorov V.V. Improvement in the effciency of a second stage rocket engine. PNRPU Aerospace Engineering Bulletin, 2015, no. 43, pp. 5–17. (in Russian). https://doi.org/10.15593/2224-9982/2015.43.01Васильев А.П., Кудрявцев В.М., Кузнецов В.А. и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. В 2 кн. Кн. 1: учебник для авиац. спец. вузов / 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1993. 382 с.Vasilev A.P., Kudriavtcev V.M., Kuznetcov V.A. et al. Fundamentals of the Theory and Calculation Of Liquid Rocket Engines. Vol. 2. Moscow, Vysshaja Shkola Publ., 1993, 382 p. (in Russian)Семенов В.В., Иванов И.Э., Крюков И.А. Регулирование высотности сопла с большой степенью расширения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2015. № 40. С. 5–21. https://doi.org/10.15593/2224-9982/2015.40.01Semenov V.V., Ivanov I.E., Kryukov I.A. Control of nozzle design altitude with high expansion ratio. PNRPU Aerospace Engineering Bulletin, 2015, no. 40, pp. 5–21. (in Russian). https://doi.org/10.15593/2224-9982/2015.40.01Семенов В.В., Иванов И.Э., Крюков И.А. Двухконтурное щелевое сопло ракетного двигателя // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмиче ская техника. 2016. № 46. С. 56–71. https://doi.org/10.15593/2224-9982/2016.46.03Semenov V.V., Ivanov I.E., Kryukov I.A. Dual bell slot nozzle of a rocket engine. PNRPU Aerospace Engineering Bulletin, 2016, no. 46, pp. 56–71. (in Russian). https://doi.org/10.15593/2224-9982/2016.46.03Кириловский С.В., Маслов А.А., Миронов С.Г., Поплавская Т.В. Применение скелетной модели высокопористого ячеистого материала для моделирования сверхзвукового обтекания цилиндра с передней газопроницаемой вставкой // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2018. № 3. С. 78–86. https://doi.org/10.7868/S0568528118030088Kirilovskiy S.V., Maslov A.A., Mironov S.G., Poplavskaya T.V. Application of the skeleton model of a highly porous cellular material in modeling supersonic fow past a cylinder with a forward gaspermeable insert. Fluid Dynamics, 2018, vol. 53, no. 3, pp. 409–416. https://doi.org/10.1134/s0015462818030102Maslov A.A., Mironov S.G., Poplavskaya T.V., Kirilovskiy S.V. Supersonic fow around a cylinder with a permeable high-porosity insert: experiment and numerical simulation // Journal of Fluid Mechanics. 2019. V. 867. P. 611–632. https://doi.org/10.1017/jfm.2019.165Maslov A.A., Mironov S.G., Poplavskaya T.V., Kirilovskiy S.V. Supersonic fow around a cylinder with a permeable high-porosity insert: experiment and numerical simulation. Journal of Fluid Mechanics, 2019, vol. 867, pp. 611–632. https://doi.org/10.1017/jfm.2019.165Mironov S.G., Kirilovskiy S.V., Militsina T.S., Poplavskaya T.V., Tsyryulnikov I.S., Valiullin I.R. Effect of the structure of skeleton models of cellular materials on the drag of a cylinder with a frontal gas-permeable insert in a supersonic fow // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1404. N 1. P. 012032. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1404/1/012032Mironov S.G., Kirilovskiy S.V., Militsina T.S., Poplavskaya T.V., Tsyryulnikov I.S., Valiullin I.R. Effect of the structure of skeleton models of cellular materials on the drag of a cylinder with a frontal gas-permeable insert in a supersonic fow. Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1404, no. 1, pp. 012032. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1404/1/012032Гуняев Г.М., Гофин М.Я. Углерод-углеродные композиционные материалы // Авиационные материалы и технологии. 2013. № 1S. С. 62–90.Gunyaev G.M., Gofn M.Ya. Carbon-carbon composite materials. Aviation Materials and Technologies, 2013, no. 1S, pp. 62–90. (in Russian)Каун Ю.В., Чернышов М.В. Влияние газопроницаемых конструкционных материалов на тягу сопла внешнего расширения широкодиапазонного ракетного двигателя // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. 2022. № 4(124). С. 117–123. https://doi.org/10.53816/20753608_2022_4_117Kaun Yu.V., Chernyshov M.V. Infuence of gas permeable structural materials on the thrust of the external expansion nozzle of wide - range rocket engine. Izvestija Rossijskoj akademii raketnyh i artillerijskih nauk, 2022, no. 4(124), pp. 117–123. (in Russian). https://doi.org/10.53816/20753608_2022_4_117Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. 840 с.Loitcianskii L.G. Mechanics of Liquid and Gas. Moscow, Drofa Publ., 2003, 840 p. (in Russian)Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. 1994. V. 32. N 8. P. 1598– 1605. https://doi.org/10.2514/3.12149Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 1994, vol. 32, no. 8, pp. 1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149Запрягаев В.И., Кавун И.Н., Солотчин А.В. Структура течения при взаимодействии сверхзвуковой струи с пористой преградой // Прикладная механика и техническая физика. 2015. Т. 56. № 3. С. 73–81. https://doi.org/10.15372/PMTF20150309Zapryagaev V.I., Kavun I.N., Solotchin A.V. Flow structure formed due to interaction of a supersonic jet with a porous obstacle. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2015, vol. 56, no. 3, pp. 406–413. https://doi.org/10.1134/s0021894415030098

The authors declare that there are no conflicts of interest present.