Перейти к:
Численное исследование газодинамических процессов в пиротехническом приводе механизма раскрытия аэродинамических поверхностей
https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-2-37-42
Аннотация
Для цитирования:
Правидло М.Н., Любимова Н.А., Быков Л.В. Численное исследование газодинамических процессов в пиротехническом приводе механизма раскрытия аэродинамических поверхностей. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(2):37-42. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-2-37-42
For citation:
Pravidlo M.N., Lyubimova N.A., Bykov L.V. Numerical investigation of gas dynamics in the pyro actuator found in the mechanism for unfolding aerodynamic surfaces. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(2):37-42. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-2-37-42
Введение
На этапах отработки новой авиационной техники математическое моделирование поведения конструкции во всех возможных диапазонах условий ее работы представляется целесообразным. Такое моделирование позволяет оценить эксплуатационные характеристики изделия, а также возможные направления корректировки его технического облика, что ведет к сокращению временных и финансовых затрат на отработку и испытания, выявление недочетов конструкции на ранних этапах проектирования.
В настоящей работе представлена задача численного моделирования процесса раскрытия управляющих аэродинамических поверхностей (рулей) беспилотного летательного аппарата (БПЛА) при его отделении от самолета-носителя. Численное моделирование процесса раскрытия рулей, приводимых в действие за счет срабатывания пиротехнического патрона, позволяет с достаточной вероятностью предсказать характер газодинамических процессов в механизме пиропривода, появляется возможность конструкторской проработки изделия с заданными тактико-техническими характеристиками. В связи со сложностью экспериментальных исследований динамики рабочего тела в камерах пироприводов, вызванных ограниченным временем их срабатывания, получить достоверные опытные данные о газодинамических процессах довольно проблематично.
Цель данной работы - создание математической модели, определяющей зависимость времени раскрытия рулей от параметров системы, влияющих на динамику пиропривода.
В результате анализа конструктивных особенностей пиропривода принято решение представить функционирование разрабатываемой модели в виде двух этапов, на которых рассматриваются последовательные физические процессы. На рис. 1 представлена принятая расчетная схема модели.
Рис. 1. Расчетная схема пиропривода рулей:
1 - коллекторная система; 2, 4 - поршни; 3 - рули; 5 - газогенератор; 6 - газовый блок
На первом этапе проводилось исследование нестационарной газовой динамики в подводящем трубопроводе с целью установить степень влияния проходного сечения и протяженности трубопровода на время срабатывания системы в целом.
Второй этап заключался в численном исследовании процесса газовой динамики продуктов сгорания внутри рабочей полости привода в условиях изменения ее объема и моделировании динамики движения штока. Все вышеописанные расчеты проводились с использованием программного комплекса ANSYS CFX.
Геометрическая 3D-модель расчетной области, включающая в себя газогенератор, соединительные трубопроводы, исполнительный механизм и аэродинамические поверхности рулей, представлена на рис. 2.
Рис. 2. Геометрическая 3D-модель расчетной области
Проведенное численное моделирование позволило обосновать возможность построения эффективной инженерной модели динамики пиропривода. При проектировании такая инженерная модель позволяет оперативно вносить изменения в основные конструктивные элементы системы, оказывающие влияние на его динамику.
Описание математической модели
Система уравнений Навье - Стокса, лежащая в основе математической модели, описывающей течение сжимаемого совершенного газа при больших скоростях [1], включает:
- уравнение неразрывности
- уравнение сохранения количества движения
- уравнение сохранения энергии
- уравнение состояния
Здесь ρ - плотность газа;
u - вектор скорости осредненного течения с компонентами u, v, w;
p - давление газа в объеме;
τm, τt - молекулярная и турбулентная составляющие тензора вязких напряжений;
E = CvT + 0,5(u2 + v2 + w2) - полная энергия газа;
- полная энтальпия газа;
qm, qt - молекулярный и турбулентный векторы плотности теплового потока;
m - молярная масса газа;
R = 8,31434 Дж/(мольК) - универсальная газовая постоянная;
T - температура;
Cv - удельная теплоемкость при постоянном объеме;
Cp - удельная теплоемкость при постоянном давлении.
Представленная выше система уравнений Навье - Стокса (1)-(4) является незамкнутой и должна быть замкнута с помощью дополнительных соотношений, описывающих модель турбулентности.
В приведенной задаче применена модель турбулентности SST Ментера [2], включающая следующие уравнения:
Здесь - вещественная производная по времени;
k - кинетическая энергия турбулентности;
μ t - турбулентная вязкость;
Pk - генерационный член; ω - удельная скорость ее диссипации;
σk, β, γ, σω - эмпирические константы;
F1 - первая весовая функция;
Dkω - член с перекрестной диффузией.
Для определения зависимости коэффициента динамической вязкости газа μ от температуры T использована формула Сазерленда [3]
где Tref = 273,15 K - температура, при которой задана контрольная вязкость μref
S - константа Сазерленда (в рассматриваемой задаче S = 110,56 K).
Поиск решения приведенной выше системы уравнений (6) осуществлялся методом контрольного объема. Уравнение динамики твердого тела реализовано в виде
где m - масса, присоединенная к штоку (может быть задана как переменная величина);
- вектор ускорения;
- сумма всех сил, действующих на шток.
Анализ результатов численного моделирования
Было проведено моделирование нестационарной газовой динамики в подводящем коллекторе пиропривода для определения степени его влияния на время срабатывания системы целом.
Рассматриваемая задача решалась с помощью расчетного комплекса ANSYSFluent [4] в двухмерной постановке, что позволяет значительно сэкономить вычислительные ресуры. При этом использовалась формулировка уравнений Навье - Стокса в параболической форме, применяемая для решения задач высокоскоростных течений. В результате проведенного исследования получены поля основных параметров течения в подводящем коллекторе от активации заряда до полного выравнивания поля давления в коллекторе.
На рис. 3 представлены поля распределения статического давления и чисел Маха для момента, когда происходит выравнивание давления в выходной части трубопровода (условно можно считать давление в полостях пиропривода равным этому давлению) с давлением на входе в трубопровод.
Рис. 3. Распределение статического давления (а) и числа Маха в трубопроводе (б)
Опираясь на полученные результаты численного моделирования, можно сделать вывод, что временным фактором, вносимым подводящим коллектором в полученное решение, можно пренебречь. Следовательно, поставленная задача исследования газодинамических процессов в пиротехническом приводе механизма раскрытия рулей сводится к моделированию работы их исполнительного механизма и представляет собой решение нестационарной сопряженной задачи газодинамики и динамики твердого тела. Для решения нестационарной сопряженной задачи газодинамики и динамики твердого тела конструкции пиропривода были сделаны следующие допущения:
- при расчете теплообмена в продуктах сгорания перенос тепла за счет переизлучения в потоке не учитывается;
- моделирование динамики штока пиропривода проводится на основе уравнения динамики для материальной точки без учета распределения массы по объему штока;
- движение хода штока пиропривода происходит только по одной координате;
- силы жесткости и демпфирования при движении штока не учитываются;
- влияние массовых сил на работу пиропривода не учитывается.
Решение сопряженной задачи газовой динамики и динамики твердого тела показало, что поле давления в рабочей полости привода достаточно быстро становится практически равномерным, отличия давления в разных областях рабочей полости составляют порядка 0,1 атм, как это показано на рис. 4 (момент времени t = 0,014 с). Это можно объяснить сравнительно небольшими размерами рабочей камеры пиропривода и отсутствием явных утечек.
Рис. 4. График изменения среднего статического давления в конечных точках трубопровода
Распределение полей давления и скоростей в полости пиропривода в момент времени t = 0,014 с показано на рис. 5. Значения рассчитанной скорости течения свидетельствуют об отсутствии высокоскоростных потоков на момент начала движения.
Рис. 5. Распределение поля давления (а) и поля скоростей (б) в полости пиропривода в момент времени t = 0,014 с
Полученные параметры динамики хода штока и изменения среднего статического давления в камере пиропривода показаны на рис. 6.
Рис. 6. Динамика хода штока (а) и изменения среднего статического давления (б) в рабочей камере пиропривода
Следует отметить, что результаты, полученные в процессе численного моделирования, хорошо совпадают с данными экспериментальных исследований, в которых определялось время срабатывания (при погрешности порядка 4-5 %) и статическое давление (велся поиск его максимальной величины, погрешность, вызванная различиями в процентном содержании компонентов топлива, достигала 12 %, что принципиально не влияло на работоспособность устройства).
Заключение
По результатам численного моделирования определены основные закономерности работы пиропривода. Анализ закономерностей работы модели с распределенными парамерами, рассмотренной в данной статье, позволяет сделать заключение о принципиальной возможности построить на ее базе инженерную модель с сосредоточенными параметрами, которая более проста и наглядна в реализации. В таких моделях отдельные области описываемой системы могут группироваться в подсистемы, состояние которых характеризуется единым для всей подсистемы набором параметров, не зависящих от пространственных координат. Однако при этом необходимо учитывать, что существенное влияние на газодинамику в пироприводе оказывают статическое давление в его рабочей камере и положение штока.
Список литературы
1. Быков Л.В., Молчанов А.М., Щербаков М.А., Янышев Д.С. Вычислительная механика сплошных сред в задачах авиационной и космической техники. М.: ООО «Ленанд», 2015. 668 с.
2. Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений. СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2001. 108 с.
3. Янышев Д.С. Применение функции Ламберта в теории турбулентного трения // Труды МАИ. 2012. № 50.
4. ANSYS FLUENT The Contents of the Other Manuals. URL: http://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/ug/node4.htm (дата обращения 25.10.2017).
Об авторах
М. Н. ПравидлоРоссия
Н. А. Любимова
Россия
Л. В. Быков
Россия
Рецензия
Для цитирования:
Правидло М.Н., Любимова Н.А., Быков Л.В. Численное исследование газодинамических процессов в пиротехническом приводе механизма раскрытия аэродинамических поверхностей. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(2):37-42. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-2-37-42
For citation:
Pravidlo M.N., Lyubimova N.A., Bykov L.V. Numerical investigation of gas dynamics in the pyro actuator found in the mechanism for unfolding aerodynamic surfaces. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(2):37-42. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-2-37-42