Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Торможение макетов изделий в водной среде

Полный текст:

Аннотация

Предложено решение задачи многократного использования макетов изделий при выходе из трубы в водной среде с учетом влияния формы тормозного устройства, предохраняющего макет от разрушения в ходе проведения испытаний.

Для цитирования:


Суров А.В. Торможение макетов изделий в водной среде. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(4):81-87.

For citation:


Surov A.V. Decelerating device mock-ups in an aquatic environment. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(4):81-87. (In Russ.)

Введение

Отработка подводного выхода изделий из пусковых устройств - сложный и дорогосто­ящий процесс. В настоящее время проведе­нию натурных испытаний предшествует этап макетных испытаний, для которых требуют­ся макеты изделий и испытательные стенды (ИС). Зачастую для удовлетворения требова­ний технического задания необходимо прово­дить всесторонние параметрические расчеты, при которых важным моментом является воз­можность многоразового использования ма­кетов с целью удешевления испытаний.

Таким образом, актуальной является раз­работка системы торможения макета после выхода его из пускового устройства в преде­лах объема стенда. Отметим, что в настоящей статье рассмотрен стенд с замкнутым объемом.

Постановка задачи

Одной из возможных схем, позволяющих обе­спечить достаточно полную диаграмму изме­нения усилия торможения и остановку макета изделия, является схема с использованием со­противления жидкости. На рис. 1 изображена предлагаемая схема гидродинамического тор­можения макета изделия. При входе изделия в тормозное устройство (ТУ) увеличивается сопротивление его движению за счет увели­чения давления в ТУ Обязательным условием для смягчения роста давления в начальный момент входа макета в ТУ является наличие воздушного объема в верхней части устрой­ства, что значительно снижает риск возник­новения гидравлического удара, приводящего к недопустимо высоким нагрузкам на макет изделия.

 

Рис. 1. Схема гидродинамического торможения изделия:

Ph - рабочее давление в объеме ИС; Pв, Wв - давление и объем воздушной полости ТУ; Ум, Уж - скорости макета изделия и жидкости (воды); FΣ - суммарная сила, FΣ= Fx + Fт -Fa + Fn; α - угол наклона ИС

 

В предлагаемой схеме внутри ИС за­креплено ТУ. На его верхней торцевой части установлена заглушка, которую целесообраз­но изготовить в виде резинового уплотнения. В случае возникновения аварийной ситуации оно может защитить ИС и макет изделия от повреждений.

После заполнения стенда водой и по­вышения давления PH в резервуаре до рабо­чего значения в верхней части ТУ образуется воздушная полость с границей раздела вода - воздух.

Таким образом, при входе в ТУ на макет изделия в продольном направлении будут дей­ствовать следующие силы:

  • сила лобового сопротивления

где cx - коэффициент сопротивления макета изделия;

ρж - плотность жидкости (воды);

S - площадь поперечного сечения макета изделия;

  • сила тяжести

Fт = mMg cos (α),               (2)

где mм - масса макета изделия;

g - ускорение свободного падения;

  • сила Архимеда

Fa = ρж gWмcos(α),                          (3)

где Wм       -     объем макета изделия;

  • сила от перепада давления на головную и донную части изделия

Fn = Fгч - Fд = (Ргч - Pд)S,        (4)

где Frч    -  сила от давления на головную часть макета изделия;

Fr - сила от давления на дно макета из­делия;

Ргч - давление на головную часть макета изделия;

Pд - давление на дно макета изделия.

Тогда изменение скорости (замедление) макета изделия в ТУ можно определить по формуле

где t - время торможения макета изделия; mnp - присоединенная масса жидкости.

При движении макета изделия в ТУ опре­деляющими параметрами, влияющими в боль­шей степени на скорость торможения, являют­ся давления в жидкой среде, действующие на головную Ргч и донную Рд части макета изде­лия. Их значения изменяются по мере переме­щения макета изделия в устройстве. На рис. 2 представлены силы, действующие на макет изделия в процессе торможения.

 

Рис. 2. Силы, действующие на макет изделия в процессе торможения: x - текущее расстояние, пройденное макетом в ТУ; h - высота столба жидкости в ТУ над головной частью макета изделия; H - высота столба жидкости внутри ИС (от зеркала воды) над донным срезом макета изделия; H0 - высота заглубления ТУ от зеркала воды; lм - длина макета изделия

 

В начальный момент входа в ТУ на изде­лие действуют следующие давления:

Ргч = Рв + ρж gh;                                                                                                       (6)

Pr = Рн + ρж gH.                                                   (7)

Давление в воздушной полости ТУ определя­ется из уравнения состояния для идеального газа

Высота столба жидкости внутри ИС (от зерка­ла воды) над донным срезом макета изделия определяется как

H = H+ lм cos(a);                                              (9)

где mв - масса воздуха в воздушной поло­сти ТУ;

Rв - газовая постоянная воздуха в воздуш­ной полости ТУ;

Tв - абсолютная температура газа в воз­душной полости ТУ

Массу воздуха в полости можно опреде­лить из объема ТУ:

mв = ρвWТУ                                                            (10)

где ρв - плотность воздуха в воздушной по­лости ТУ;

Wту - объем ТУ.

Для определения влияния конструкции ТУ на усилие торможения и путь движения макета изделия в нем при расчете были рас­смотрены три варианта ТУ: цилиндрическое; с конической входной частью и с расширенной цилиндрической входной частью (рис. 3).

 

Рис. 3. Варианты конструкций ТУ: а - цилиндрическое (вариант 1); б - с конической входной частью (вариант 2); в - с расширенной цилиндрической входной частью (вариант 3); ri ТУ, li ТУ - радиусы и длины участков ТУ соответственно

 

Объем ТУ рассчитывается, исходя из его конструкции:

Объем воздушной полости определяется по формуле

Общая длина ТУ определяется как

Для определения начальной высоты столба жидкости над макетом изделия в ТУ (h) воспользуемся уравнениями (6), (8), (12) и до­полнительным соотношением, характеризующим равенство давлений на уровне заглубле­ния ТУ:

Замкнутая система уравнений (14) может быть представлена в виде

Пренебрегая малыми величинами в силу физических особенностей рассматриваемого процесса, присоединенную массу жидкости можно определить в основном следующим соотношением

mпр = λ11жWM К11                                            (16)

где λ11 - коэффициент присоединенной мас­сы от поступательного движения;

K11 - коэффициент присоединенной массы (таблица) [1].

Таким образом, уравнения (1)-(16) с со­ответствующими начальными условиями пол­ностью определяют параметры рассматри­ваемой системы в момент начала процесса торможения.

Алгоритм определения параметров торможения

За начало расчета t = 0 принимается момент времени, когда головная часть макета изделия находится в нижнем сечении ТУ В соответ­ствии с выбранным шагом Δt определяется приращение времени t1 = t + Δt. За промежу­ток времени Δt макет изделия проходит в ТУ отрезок пути, численно равный Δx = VMΔt.

С одной стороны, движение изделия вы­зывает перемещение столба жидкости вверх, в результате газовый объем Wв1 = Wв -ΔWв сжимается, что приводит к увеличению в нем давления Pв1 = mBRBTB / Wв1 и уменьшению высоты столба жидкости над макетом изде­лия

Необходимо отметить, что значение ΔWΒ бу­дет зависеть от геометрических характери­стик макета, например, для цилиндра без про­филированной головной части оно составит  (где rм - радиус макета).

С другой стороны, увеличение давления в газовом объеме приводит к увеличению ско­рости оттока жидкости через зазор между из­делием и ТУ [2]

Объемный секундный расход жидкости, вытесняемый газовой полостью из ТУ под действием избыточного давления, определя­ется как

где lзаз - размер зазора между изделием и ТУ

 

Зависимость коэффициента присоединенной массы от габаритов макета изделия

lм /dм

1,000

1,500

2,000

2,510

2,990

3,990

Ku

0,500

0,305

0,209

0,156

0,122

0,082

lм /dм

4,990

6,010

6,970

8,010

9,020

9,970

K11

0,059

0,045

0,036

0,029

0,024

0,021

Примечание. Здесь dM - диаметр макета.

Значение lзаз в зависимости от конструк­ции ТУ (см. рис. 3) можно определить по сле­дующим соотношениям:

  • для варианта 1

lзаз = r1ТУ — rм;

  • для варианта 2

  • для варианта 3

Выход жидкости из ТУ приводит к уве­личению объема газовой полости Wв нов = Wв1 + + Gw∆t, а также к снижению в ней давления  и, соответственно, к уменьше­нию высоты столба жидкости над головной частью макета изделия 

Высота столба жидкости внутри ИС над донным срезом макета изделия, определяется на каждом временном шаге из соотношения

Давления, действующие на головную и донную части макета изделия на новом вре­менном шаге определяются по уравнениям (6), (7) с использованием новых значений па­раметров Рвнов, hвнов, Hнов.

Определяем суммарную силу, действу­ющую на макет изделия, подставив полу­ченные значения в уравнения (1)-(4). Запи­сав уравнение движения в разностном виде Vмнов = Vм - FΣ∆t / (mм + mпp), получим числен­ное решение движения макета изделия в ТУ до полной остановки.

Результаты расчета

Результаты моделирования представлены в виде зависимостей динамических параме­тров (скорость макета, давление в воздушной полости ТУ соответственно) от перемещения до полной остановки некоторого гипотетиче­ского макета изделия на рис. 4 и 5. Они каче­ственно отражают физический характер рас­сматриваемого процесса.

 

Рис. 4. Зависимость скорости макета от перемещения: 1, 2, 3 - варианты 1-3 конструкции ТУ соответственно

 

 

Рис. 5. Зависимость давления в воздушной полости ТУ от перемещения: 1, 2, 3 - варианты 1-3 конструкции ТУ соответственно

На основании анализа математической модели можно сделать следующие выводы о характере физических процессов, сопровожда­ющих движение макета изделия в ТУ

Применение ступенчатой конструкции ТУ на начальном этапе торможения (по срав­нению с вариантом 1 конструкции) приводит к увеличению расхода жидкости через зазор из-за увеличения площади проходного сече­ния, а также к увеличению объема воздушной полости за счет увеличения общего объема ТУ Как следствие, усилие торможения уменьша­ется, путь движения макета изделия в ТУ уве­личивается.

Повышение давления наддува стенда приводит к увеличению начального значения давления в воздушной полости и тем самым усиливает процесс торможения, уменьшая путь, проходимый макетом изделия, и время, необходимое для его остановки. В то же время, увеличение начальной скорости входа макета изделия в ТУ приводит к повышению лобо­вого сопротивления и давления в воздушной полости.

Заключение

На основании разработанной математической модели может быть выдвинут ряд требований к массогабаритным характеристикам макета изделия и конструктивным особенностям ТУ которые позволят обеспечить многократное использование макетов изделий.

Список литературы

1. Дегтярь В. Г., Пегов В. И. Гидродинамика баллистических ракет подводных лодок. Миасс: ФГУП «ГРЦ «КБ им. акад. В. П. Макеева», 2004. 256 с.

2. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / под ред. М. О. Штейнберга. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.


Об авторе

А. В. Суров
АО «Конструкторское бюро специального машиностроения»; БГТУ «ВОЕНМЕХ»
Россия

Суров Антон Викторович – инженер-конструктор второй категории АО «Конструкторское бюро специального машиностроения», аспирант кафедры «Плазмогазодинамика и теплотехника» БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова

Область научных интересов: гидрогазодинамика, физика плазмы, тепломассоперенос, струйные течения, течения в каналах.

г. Санкт-Петербург



Для цитирования:


Суров А.В. Торможение макетов изделий в водной среде. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(4):81-87.

For citation:


Surov A.V. Decelerating device mock-ups in an aquatic environment. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(4):81-87. (In Russ.)

Просмотров: 41


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


ISSN 2542-0542 (Print)