Сравнительный анализ верифицированного численного моделирования кавитации на основе модели Рэлея – Плессета к насосам ТНА жидкостного ракетного двигателя
- Авторы: Торгашин А.С.1, Жуйков Д.А.1, Назаров В.П.1, Бегишев А.М.1, Власенко А.В.1
-
Учреждения:
- Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
- Выпуск: Том 22, № 4 (2021)
- Страницы: 660-671
- Раздел: Раздел 2. Авиационная и ракетно-космическая техника
- URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/562946
- DOI: https://doi.org/10.31772/2712-8970-2021-22-4-660-671
- ID: 562946
Цитировать
Аннотация
Турбонасосный агрегат (ТНА) – один из основных агрегатов жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Обеспечение работоспособности и возможности непрерывной подачи компонентов горючего и окислителя с заданным расходом и давлением на протяжении всего цикла работы ЖРД – одна из основных задач при проектировании ТНА. Негативным эффектом, проявляющимся в случае местного понижения давления до давления насыщенного пара, является кавитация.
В настоящее время в связи с ростом вычислительных мощностей современных компьютерных систем все чаще применяются методы вычислительной гидродинамики (Сomputational Fluid Dynamics, CFD) для отработки антикавитационных параметров насоса в различных областях общего машиностроения. Применительно к ракетно-космической отрасли, отличающейся особыми требованиями к надежности, необходимо большее количество статистических данных. На данный момент нет модели кавитации, способной полностью смоделировать весь процесс зарождения, роста и схлопывания кавитационного пузыря. Однако существует ряд упрощённых моделей данного процесса, среди которых можно выделить численную модель Zwart – Gerber – Belamri, предназначенную для моделирования кавитационного потока в насосах. Упомянутая модель является наиболее подходящей и применяется во всех рассмотренных далее работах.
В данной работе проведён анализ экспериментальных данных и результатов численного моделирования насосов с различными параметрами расхода, давления и геометрии. В ходе работ с моделью расчёты произведены в среде ANSYS. В заключительной части сделан вывод о взаимосвязи характеристик и применяемости модели Zwart – Gerber – Belamri к проектированию кавитационного потока в ТНА ЖРД с учетом особенности работы насоса.
Ключевые слова
Об авторах
Анатолий Сергеевич Торгашин
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Автор, ответственный за переписку.
Email: ttarg23@gmail.com
аспирант
Россия, 660037, г. Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий», 31Дмитрий Александрович Жуйков
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Email: d_zhuikov@sibsau.ru
кандидат технических наук, доцент кафедры двигателей летательных аппаратов
Россия, 660037, г. Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий», 31Владимир Павлович Назаров
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Email: nazarov@sibsau.ru
кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой двигателей летательных аппаратов
Россия, 660037, г. Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий», 31Алексей Михайлович Бегишев
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Email: alex-beg95@mail.ru
аспирант
Россия, 660037, г. Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий», 31Алесксей Владимирович Власенко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Email: lesha.vlasenko.94@mail.ru
аспирант
Россия, 660037, г. Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий», 31Список литературы
- Краев М. В., Рыбакова В. Е. Срывные кавитационные режимы работы высокооборотных насосов // Решетневские чтения : материалы XVI Междунар. науч.-практ. конф. / СибГУ имени М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2012. Ч. 1. С. 109–110.
- ANSYS FLUENT Theory Guide / Chapter 16.7.4: Cavitation Models. ANSYS Inc. Release 12.0.
- Rayleigh, Lord. On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity // Phil. Mag. 1917. No. 34 (200). P. 94–98.
- Plesset M. S. The dynamics of cavitation bubbles // J. Appl. Mech. 1949. No. 16. P. 228–231
- Zwart Philip, Gerber A. G., Belamri Thabet. A two-phase flow model for predicting cavitation dynamics // Fifth International Conference on Multiphase Flow, 2004.
- Бредшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. М. : Мир, 1974.
- Краткое резюме доклада на Общем собрании Отделения физ.-мат. наук Академии наук ССР 26–28 января 1942. Казань // Изв. АН ССР. Сер. физ; 1942. Т. 3, № 1-2. С. 56–58.
- Launder B. E., Spalding D. B. The numerical computation of turbulent flows // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 1974. No. 3 (2). P. 269–289.
- Yan X., Meng G. Pressure fluctuation characteristics of centrifugal pump at low flow rate // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018. No. 163. P. 012023. doi: 10.1088/17551315/163/1/012023.
- Experimental investigation and numerical analysis of unsteady attached sheetcavitating flows in a centrifugal pump / Liu Hou-lin, Liu Dong-xi, Wang Yong et al. // Journal of Hydrodynamics. 2013. No. 25(3). P. 370–378.
- Wang W., Lu H., Meng G. Pressure fluctuation characteristics induced by cavitation in a centrifugal pump // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018. No. 163. P. 012040. doi: 10.1088/1755-1315/163/1/012040.
- Zhao G., ZhaoWeiguo. Investigation of cavitation instabilities in a centrifugal pump based on one-element theory // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018. No. 163. P. 012042. doi: 10.1088/1755-1315/163/1/012042.
- Cheng X., Zhang S. Study on the influence of cavitation development on the performance of nuclear main pump // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. No. 240. P. 062031. doi: 10.1088/1755-1315/240/6/062031.
- Cui Baoling, Zhu Kaicheng, Zhang Yuliang, Lin Peifeng. Experimental and numerical study of the performance and cavitation flow of centrifugal pump with jetting device // Journal of Mechanical Science and Technology. 2019. No. 33. P. 10.1007/s12206-019-0925-6.
- Song Pengfei, Zhang Yongxue, Xu Coolsun, Zhou X., Zhang Jinya. Numerical studies in a centrifugal pump with the improved blade considering cavitation // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015. No. 72. P. 032021. doi: 10.1088/1757-899X/72/3/032021.
- Li Xiaojun, Yuan ShouQi, Pan Zhongyong, Yuan JianPing, Fu Yanxia. Numerical simulation of leading edge cavitation within the whole flow passage of a centrifugal pump // Science China Technological Sciences. 2013. No. 56. P. 10.1007/s11431-013-5311-5.
- Effects of the near-wall mesh quality on the accuracy of numerical analysis in centrifugal pumps (in Chinese) / Li X. J., Yuan S. Q., Pan Z. Y. et al. // Trans CSAE. 2012. No. 28(16). P. 67−72.
- Numerical simulation and analysis of cavitation flows in a double suction centrifugal pump / Meng Guixuan, Tan L., Cao S. et al. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015. No. 72. P. 032020. doi: 10.1088/1757-899X/72/3/032020.