ТУРБУЛЕНТНОСТЬ В ЖРД

Юрий Михайлович Кочетков, д.т.н.

 

Турбулентность в ЖРД является наиболее сложным видом пространственного течения, известного из практики создания ракетной и авиационно-космической техники. Наиболее сложные узлы жидкостного ракетного двигателя с точки зрения турбулентного течения - форсуночная область камеры сгорания, сопряженная область регенерационного охлаждения сопла и каналы турбонасосного агрегата - в настоящее время являются самыми проблематичными как с научной, так и с практической точки зрения. Расчетные и экспериментальные методы исследования этих областей требуют динамичного развития с привлечением прогрессивных теорий, экспериментальных и расчетно-аналитических методов.

В жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) реализуются наиболее сложные виды турбулентности. Это связано со спецификой их конструкции, которая достаточно сильно отличается от других ракетных двигателей (РДТТ, ЯРД, ГРД, МПД и др.) в первую очередь из-за достаточно сложного геометрического исполнения и многообразной функциональной направленности.

С газодинамической точки зрения в ЖРД, помимо камеры сгорания, интересными и проблематичными являются еще два важнейших конструктивных узла. Это - охлаждаемое, как правило, регенерационным способом сопло и турбонасосный агрегат (ТНА). Гидравлические магистрали, снабженные последовательно и параллельно соединенными между собой и функционально строго "завязанными" элементами арматуры, также могут являться предметом пристального и подробного изучения особенностей турбулентного течения. Они специфически влияют на режим течения жидких и газообразных компонентов в силу своего индивидуального конструктивного исполнения, а значит - процессы в них являются случайными и должны исследоваться как локальные задачи.

Турбулентные процессы в трех выделенных областях могут считаться универсальными и рассматриваться как независимые течения в камерах сгорания непосредственно за форсунками, вблизи стенок дозвуковой и сверхзвуковой частей сопла с отводом тепла из основного потока в полость рубашки охлаждения, а также в насосах, рабочих колесах и сопловых аппаратах турбин. Все три указанные области течений отличаются от традиционных, условно элементарных зон турбулентного течения своеобразной сложностью и многопричинностью.

В настоящее время исследования в этих областях до конца не завершены. Они носят, в основном, полуэмпирический характер. Известные идеализированные программы расчетов базируются на уравнениях движения Рейнольдса в сочетании с эмпирическими моделями турбулентности, разработанными на основе результатов так называемых "плосковоздушных" опытов. Эти программы не полностью воспроизводят реальную картину течения в отмеченных зонах. Проводимые по этим программам расчеты носят, в основном, частный характер.

Турбулентность форсуночной области камеры сгорания ЖРД

Для общности обычно рассматривают течения продуктов сгорания в ЖРД, работающих по схеме газ - жидкость. При этом один из компонентов является жидким, проходящим, например, через центробежную форсунку, а второй газообразным, поступающим в камеру через струйную форсунку. Поскольку основной целью при создании камер ЖРД является организация процесса полного перемешивания компонентов топлива с последующим их полным сгоранием, вопросы турбулентности имеют первостепенное значение. При этом организация смесеобразования, сопровождающая процессы турбулизации потока, носит не естественный, а вынужденный характер. Создаются условия многопараметрического воздействия струй друг на друга в различных направлениях с различными величинами сдвигов по параметрам.

Вблизи форсуночной головки процесс турбулизации можно характеризовать как мультистратифицированное течение компонентов топлива друг относительно друга. При этом одновременно становятся соизмеримыми возникающие при соприкосновениях разнородных струйных течений сдвиговые параметры по скоростям, плотностям, температурам и концентрациям. Естественно, что в области активного смешения компонентов реализуются максимальные градиенты, а значит, появляются высокоорганизованные структуры турбулентности, взаимодействующие друг с другом. Наиболее сложным видом турбулентности в этих зонах являются ситуации, когда двигатель выходит на стационарный режим. Установившаяся картина течения существует практически мгновение. Этого времени не хватает для ее регистрации ни одним из известных приборов. На рис. 1 представлена фотография мгновенного турбулентного потока, полученная А.И. Федоровым на прозрачной камере в период воспламенения компонентов топлива. Аналогичная картина была получена им же в период работы модельного ЖРД на стационарном режиме (рис. 2). Здесь в отличие от первого случая поток в камере сгорания можно считать регулярным и установившимся. Последующая дефектация камеры сгорания подтвердила это предположение (см. "Двигатель" № 6 (36) - 2004). На поверхности камеры после препарирования стали видны четко обозначенные углубления по местам движения жидкости преимущественно из окислительных форсунок. Они кореллировали с количеством форсунок и их расположением в форсуночной головке. Результаты дефектации свидетельствуют, что уносимые поверхности в этих местах являются гладкими и протяженными, что говорит о ламинарной структуре потока в отдельных локальных зонах. Картина представляется весьма структурированной и неслучайной.

Течение продуктов горения в камере сопровождается рядом физических процессов, которые, в основном, сосредоточены вблизи форсуночной головки. Это - дробление жидкого компонента на мелкие капли при помощи центробежных форсунок (рис. 3) и последующее их испарение. Далее происходит смешение газокапельной взвеси с газообразными продуктами другого компонента и их сгорание с выделением результирующего продукта, формирующего состав продуктов горения.

В процессе дробления капель формируется местная двухфазная турбулентность, усугубляющаяся гидродинамическими эффектами со стороны газовой составляющей топлива вблизи головки: трением, внезапным расширением, местным сопротивлением. Испаряющиеся капли после дробления формируют вокруг себя парогазовую подушку, приводящую к ламинаризации основного потока и упорядочению течения в целом. При этом линии тока газообразных продуктов окислителя и горючего переплетаются, образуя практически все возможные конфигурации турбулентного течения: поступательную, вращательную, колебательную и торсионную (см. "Двигатель" № 6 (66) - 2009). Как известно из газовой динамики, невозможным является факт пересечения линий тока, так же как и в данном случае невозможно их пересечение внутри отмеченных переплетений. Но оно возможно в ситуации, когда две составляющие топлива - линия тока горючего и линия тока окислителя - встречаются и их составы химически реагируют между собой, образуя новый химический компонент: продукты горения. С этого момента наработанная ранее турбулентность разрушается. Радиальные и аксиальные скорости пропадают, а градиент осевой скорости становится равным нулю. Поток превращается в ламинарный. Зона начала ламинарного течения может считаться началом зарождения новой турбулентности - турбулентности продуктов сгорания. Дальнейшее ее развитие происходит по известным законам газовой динамики.

Пристенная турбулентность в сопле с регенерационным охлаждением

При течении продуктов сгорания в ЖРД вблизи стенок сопел, охлаждаемых с помощью одного холодного компонента, поступающего через полость рубашки охлаждения в форсуночную головку, возникает сложный теплообмен, сопровождающийся падением равновесной температуры продуктов сгорания у стенки (Т_е) и одновременным повышением температуры охладителя (Т_охл). В результате этого кривая отвода тепла в массу охладителя со стороны продуктов сгорания q0 = a·(T_e - T_охл), становится немонотонной и имеет область максимальных значений (здесь a - эффективный коэффициент теплообмена). Эта область, как правило, находится непосредственно перед критическим сечением сопла. В зависимости от темпа охлаждения она может быть расположена и в сверхзвуковой части сопла. С газодинамической точки зрения перед этой областью поток продуктов сгорания подтормаживается, что эквивалентно появлению положительного градиента давления dp/dx > 0. Возникают дополнительные условия для перехода к более сложным видам турбулентности, например к появлению вихрей Тейлора-Гертлера. Косвенным доказательством этого факта может служить результат эксперимента, закончившийся появлением аномальных образований темного цвета (рис. 4) на поверхности дозвуковой части одного из натурных сопел, что свидетельствовало о резком изменении градиентов температур поперек стенки сопла, разделяющего основной поток и межрубашечное пространство. При этом на границе отмеченной области видны линии растекания, где зарождаются продольные вихри. При дефектоанализе было также отмечено, что вниз по потоку, непосредственно в области перехода через звук, поверхность после эксперимента достаточно развитая, ячеистая. В этой области градиенты давления практически равны нулю (dp/dx ~ 0), что означает переход к турбулентности с кручением (см. "Двигатель" № 3 (57), 2008). Ячеистая структура, напоминающая шахматную доску и представляющая собой следы турбулентного потока, свидетельствует о присутствии у стенки торсионных течений.

Турбулентность в ТНА

Особенности турбулентности в турбонасосном агрегате характеризуются дополнительным вращением и возникновением центробежной силы, действующей на поток. Помимо этой силы, которая влияет на формирование турбулентного течения, определяющее воздействие оказывает сложная конфигурация межлопаточных каналов внутри насосов и турбин. Их сложная пространственная геометрия предопределяет возникновение всех видов турбулентности вне зависимости от развивающихся в процессе работы режимов течения. В данном случае турбулентность представляет собой интерференцию всех видов движения жидкости и газа: поступательного, вращательного, волнового и торсионного. Такой вид турбулентности хуже всего поддается расчетному исследованию. Наиболее подходящим методом по-прежнему остается экспериментальное изучение процесса, но и здесь на пути исследователей часто стоят непреодолимые трудности, такие как практическая невозможность проведения визуализации течения в каналах ТНА, проблематичность использования датчиков первичной информации о потоках (давления, температуры, скорости), трудности при идентификации результатов, полученных косвенным способом (высокоскоростная видеосъемка, оптическая, магнитная диагностика, вибродиагностика, резонансные методы и др.).

Иногда в статическом положении элементов конструкции удается зафиксировать картину течения. Например, на рис. 5 представлены результаты оптической съемки обтекания диффузорной решетки, полученной при значении числа М = 0,65. На фотографии можно заметить, что первоначально дозвуковой поток непосредственно за носиком лопатки становится сверхзвуковым из-за ускорения, приобретенного при обтекании спинки. Далее, постепенно сжимаясь в веере волн Прандтля-Майера, образовавшегося на корытце, поток вновь переходит в дозвуковой. Порой такой качественный анализ не всегда можно сделать даже для простейших статических случаев. Например, для шнекоцентробежного насоса удается зафиксировать лишь момент наступления кавитации непосредственно в шнеке, помещенном в прозрачную камеру. На рис. 6 (фото В.В. Червакова) этот момент представлен в виде области ламинарного течения, переходящей в область смешанного течения жидкости и пара.

В виду сложности изучения турбулентного течения в ЖРД элементы конструкции двигателя испытываются автономно и параллельно с применением инженерных методов, которые дополняются различного рода математическими моделями. В процессе испытаний приходится учитывать случайные факторы, связанные с отклонениями от номинальных значений как параметров конструкции, так и характеристик топливных составов, которые приводят к ребалансировке двигательной установки в целом, делая ее сугубо нестационарной. В процессе такой ребалансировки возникают различного вида неустойчивости течения, горения и режима работы ТНА. При этом турбулентность в системах двигательной установки также носит нестационарный характер и в зависимости от кратковременно установившихся условий течения может скачкообразно менять конфигурацию.