Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Численное исследование газодинамических процессов в пиротехническом приводе механизма раскрытия аэродинамических поверхностей

Полный текст:

Аннотация

Представлена математическая модель пиропривода механизма раскрытия аэродинамических поверхностей летательного аппарата, включающая коллекторную систему. Предложенная математическая модель учитывает сопряженные процессы газовой динамики во внутренних полостях пиропривода и динамику его подвижной части. Приведены результаты численного исследования основных параметров потока рабочего тела в программном комплексе ANSYS

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.

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 Defence Corporation. 2017;(2):37-42. (In Russ.)

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;

D - 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. Правидло
АО «Гос МКБ «Вымпел» им. И.И. Торопова»
Россия


Н. А. Любимова
АО «Гос МКБ «Вымпел» им. И.И. Торопова»
Россия


Л. В. Быков
Московский авиационный институт
Россия


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.

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 Defence Corporation. 2017;(2):37-42. (In Russ.)

Просмотров: 38


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)