Nghiên cứu mô phỏng luồng phụt dòng sản phẩm cháy sau động cơ tên lửa nhiên liệu rắn

Bài báo trình bày một phương pháp xây dựng mô hình tính toán và mô phỏng luồng phụt dòng sản phẩm cháy sau động cơ tên lửa nhiên liệu rắn bằng phần mềm Ansys CFX. Phương pháp mô phỏng đơn giản, xác định được sự phân bố nhiệt độ, vận tốc dòng khí và kích thước luồng phụt. Kết quả nghiên cứu được sử dụng làm cơ sở tính toán thiết kế giá, bệ phóng và đặt ra các chỉ tiêu cho động cơ.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu mô phỏng luồng phụt dòng sản phẩm cháy sau động cơ tên lửa nhiên liệu rắnNghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG LUỒNG PHỤT DÒNG SẢN PHẨM CHÁY SAU ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN Doãn Quý Hiếu*, Lê Song Tùng, Hoàng Thế Dũng, Trần Mạnh Tuân Tóm tắt: Bài báo trình bày một phương pháp xây dựng mô hình tính toán và mô phỏng luồng phụt dòng sản phẩm cháy sau động cơ tên lửa nhiên liệu rắn bằng phần mềm Ansys CFX. Phương pháp mô phỏng đơn giản, xác định được sự phân bố nhiệt độ, vận tốc dòng khí và kích thước luồng phụt. Kết quả nghiên cứu được sử dụng làm cơ sở tính toán thiết kế giá, bệ phóng và đặt ra các chỉ tiêu cho động cơ.Từ khóa: Mô phỏng, Luồng phụt, Động cơ, Tên lửa, Nhiên liệu rắn. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Việc nghiên cứu các thông số luồng phụt dòng chảy sản phẩm cháy (SPC) sau động cơtên lửa nhiên liệu rắn (ĐTR) đang được quan tâm những năm gần đây. Tính toán các chế độphụt khí từ loa phụt, kích thước, nhiệt độ tại nhân dòng của luồng phụt, giúp hoàn thiện tốthơn thiết kế động cơ, bệ phóng của hệ thống vũ khí. Tuy nhiên, hiện nay chưa có nhiềunghiên cứu, tài liệu trong nước về vấn đề này. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết trước đâythường sử dụng các công thức có nhiều hệ số thực nghiệm và phương pháp tính phức tạp.Việc đo các thông số nhiệt độ, vận tốc tại nhân dòng luồng phụt dòng SPC khó khăn. Hìnhảnh, kích thước của luồng phụt có thể đo được bằng camera chuyên dụng đắt tiền, tốn kémvề kinh tế và kết quả không chính xác. Từ đó, đặt ra yêu cầu phải tìm kiếm phương phápriêng để mô phỏng, tính toán các thông số luồng phụt dòng SPC. Bài báo trình bày mộtphương pháp mô phỏng luồng phụt dòng SPC bằng phần mềm Ansys CFX, qua đó xác địnhđược các thông số dòng chảy, hình ảnh, kích thước luồng phụt. Phương pháp mô phỏng, tínhtoán đơn giản, nhanh, giúp tiết kiệm thời gian, kinh tế. Kết quả thu được, có thể kiểm chứngbởi thực nghiệm, làm cơ sở để nghiên cứu thiết kế giá, bệ phóng trong hệ thống vũ khí. 2. CHUYỂN ĐỘNG CỦA DÒNG SPC TRONG VÀ SAU LOA PHỤT2.1. Các chế độ làm việc của loa phụt Loa phụt rất quan trọng trong động cơ tên lửa nhiên liệu rắn. Nó có vai trò tạo ra lựcđẩy thông qua quá trình dãn nở, tăng tốc dòng sản phẩm cháy và là nơi diễn ra quá trìnhbiến đổi nhiệt năng cháy nhiên liệu thành động năng dòng. Dòng SPC được phụt từ buồngđốt vào loa phụt và ra môi trường xung quanh với vận tốc và nhiệt độ cao, tạo nên lực đẩycho động cơ. Giá trị lực đẩy của động cơ được tính bởi công thức [1]: P  m a  ( pa  pn ) Fa , (1)trong đó, m là lưu lượng phụt khí; a , Fa là vận tốc dòng khí, diện tích tiết diện tại cửa raloa phụt; pn , pa là áp suất môi trường và áp suất tại tiết diện cửa ra của loa phụt. Dòng chảy SPC được tăng tốc tới giá trị vượt âm chảy qua loa phụt môi trường ngoàicó 3 chế độ làm việc [2]: - Chế độ giãn nở không hoàn toàn: áp suất tại cửa ra loa phụt lớn hơn áp suất môitrường pa > pn , trường hợp này, loa phụt ngắn hơn so với loa phụt làm việc ở chế độ tínhtoán (hình 1.a). Vận tốc tại cửa ra loa phụt bé hơn, do đó giá trị lực đẩy nhỏ hơn so với chếđộ tính toán. - Chế độ tính toán: áp suất tại cửa ra loa phụt bằng áp suất môi trường pa = pn , vềmặt lý thuyết, lực đẩy P trong trường hợp này đạt giá trị lớn nhất (hình 1.b). - Chế độ giãn nở hoàn toàn: áp suất tại cửa ra loa phụt nhỏ hơn áp suất môi trườngpa < pn, trường hợp này làm giảm giá trị lực đẩy động cơ. Khi hiệu pn - pa lớn, sẽ gây rahiện tượng tách các lớp khí của dòng ở lớp biên xung quanh thành loa phụt và sóng va đậpTạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 177 Tên lửa & Thiết bị baysẽ xuất hiện sâu trong phần vượt âm loa phụt gây nên tổn thất năng lượng của dòng, làmgiảm tốc độ chuyển động dòng khí tại tiết diện cửa ra (hình 1.c). a) a) b) b) c) c) d) Hình 1. Sơ đồ phân tích các chế độ làm Hình 2. Hình ảnh luồng phụt khí theo việc của loa phụt. các chế độ làm việc của loa phụt. Các chế độ phụt khí của loa phụt được xác định bởi giá trị độ lệch áp suất: p n a, (2) pnTùy theo các chế độ phụt khí, luồng phụt sẽ có các hình dạng khác nhau [2]: - Trong chế độ giãn nở không hoàn toàn, luồng phụt khí loe rộng, hiệu quả lực đẩykhông cao (hình 2.a). - Ở chế độ tính toán: luồng phụt khí bám sát thành loa phụt, giá trị lực đẩy lớn nhấttheo lý thuyết (h ...