Исследование динамики ракеты при ее выходе из пусковой шахты при работающем двигателе (стр. 7 из 12)
Сетка для схемы изображенной на рис.4.1 создавалась в специализированном сеточном генераторе ICEMCFD компании ANSYS. Для быстроты построения сетки были использованы тетраэдрические ячейки (рис.4.2). Но, несмотря на быстроту построения этот метод обладает плохой сходимостью при расчете и снижает скорость самого расчета.
Рисунок 4.2. Тетраэдрическая сетка
· Подготовка решателя расчетного комплекса и проведение расчета
Для экспортированной в AnsysCFX сеточной модели были определены граничные условия. Определение границ изображено на рис. 4.3.
Рисунок 4.3. Определение границ расчетной области
В качестве параметров расчета были использованы следующие:
1. Модель газа: модель газа, приближенного к параметрам реального воздуха при температуре 25 градусов - Airat 25C.
2. Модель турбулентности: SST с решением полного уравнения энергии.
3. Модель стенки: адиабатическая стенка (AdiabaticWall) с учетом поверхностных напряжений трения (без проскальзывания) – NoSlip.
4. Схема решения уравнений: Временной.
5. Параметры сходимости решения: максимальное число итераций – 30.
6. Временной шаг – 0,005 секунд
7. Граничные условия задавались следующим образом:
8. Граница входа Inlet: статическая температура (StaticTemperature) – 2500 К, массовый расход через вход – 5,36 кг/с
9. Свободный выход Open: статическое давление на выходе (StaticPressureforEntrainment) - 99600 Па, статическая температура (StaticTemperature) – 298 К.
10.Граница симметрии – Symmetry.
4.3 Анализ полученных результатов
В результате расчета были получены значения параметров газа в «подракетном» пространстве. Картины параметров газа для t=0.02 c представлены на рис.4.4. и рис.4.5.
Рисунок 4.4. Распределение давлений в «подракетном» пространстве
Рисунок 4.5. Линии тока газа в «подракетном» пространстве
Надо сказать, что результаты, полученные при проведении численного эксперимента близки по значениям результатам аналитического расчета на первых секундах (таблица 4.1). Далее, с увеличением времени, увеличивается разность значений параметров газа, полученных при различных расчетах.
Таблица 4.1. Результаты расчетов
| t, c | Давление в «подракетном» пространстве (p), Па | Δ, % | |
| Аналитический расчет | Численный эксперимент | ||
| 0 | 99600 | 99600 | 0 |
| 0.005 | 4,00Е+05 | 3,80Е+05 | 5 |
| 0.01 | 6,70E+05 | 5,13Е+05 | 23 |
| 0.015 | 7,10Е+05 | 4,70Е+05 | 33 |
| 0.02 | 7,38E+05 | 3,23Е+05 | 45 |
Такие неудовлетворительные результаты могли возникнуть из-за ряда причин, в том числе:
1. использовалась модель воздуха;
2. скорость истечения (340м/с) отличается от расчетной (2500м/с);
3. количество уточнений (30) на каждом промежутке времени недостаточно для используемой сеточной модели.
Так как давление в расчетной области не достигло давления требуемого для начала движения, то расчет с измененным «подракетным» пространством проведен не был.
Кроме предложенной схемы, была опробована схема с временной деформацией сетки. В результате чего, был сделан вывод о непригодности такой схемы, так как деформируемые ячейки расчетной области много меньше перемещений в описываемой задаче. Но надо заметить, что возможна реализация схемы с деформацией сеток, при использовании метода осуществляемого с помощью FORTRAN, то есть вводить новые блоки сеток в процессе расчета, а имеющимся блокам давать новые координаты.
Выводы
Разработана схема численного эксперимента газодинамической задачи выхода ракеты из пусковой шахты. В дальнейшем, после доработки расчетной модели, можно будет получить результаты которые можно сравнивать с ручным расчетом и с данными физических экспериментов.
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
Введение
В момент выхода ракеты из шахты помимо набегающего потока на ракету может воздействовать поперечная ветровая нагрузка, наличие ветра создает аэродинамическую нагрузку. Принято считать, что ветер состоит из стационарной и нестационарной части.
Характер стационарной части и значения скорости ветра приведены в таблице 5.1. Эта составляющая ветра может изменяться с течением времени и возрастать по мере удаления от поверхности земли, особенно в пределах 100 м.
Таблица 5.1. Характер и значения скорости ветра
| Сила ветра по шкале Бофорта | Визуальная оценка действия ветра | ||
| Баллы | Скорость, м/с | Характерис-тика ветра | |
| 0 | 0 – 0,2 | Штиль | Дым из труб поднимается отвесно |
| 1 | 0,3 – 1,5 | Тихий | Дым слегка отклоняется |
| 2 | 1,6 – 3,3 | Легкий | Движение воздуха ощущается лицом – шелестят листья; начинают шевелиться флаги, флюгер |
| 3 | 3,4 – 5,4 | Слабый | Колеблются тонкие ветки; развеваются флаги; начинается легкий перенос снега по поверхности покрова |
| 4 | 5,5 – 7,9 | Умеренный | Поднимается пыль и бумажки; колеблются небольшие сучья; снегопад переходит в метель |
| 5 | 8 – 10,7 | Свежий | Качаются тонкие стволы деревьев; на воде появляются белые «барашки» |
| 6 | 10,8 – 13,8 | Сильный | Качаются толстые сучья; гудят провода; шум ветра слышен в домах |
| 7 | 13,9 – 17,1 | Крепкий | Качаются стволы деревьев; затрудняется движение |
| 8 | 17,2 – 20,7 | Очень крепкий | Ломаются сучья деревьев; колеблются средние деревья; очень трудно идти против ветра |
| 9 | 20,8 – 24,4 | Шторм | Ломаются толстые сучья и небольшие деревья; разрушаются дымовые трубы; сбрасывается черепица; на море высокие волны |
| 10 | 24,5 – 28,4 | Сильный шторм | Разрушаются строения; деревья вырывает с корнем; ломаются телеграфные столбы |
| 11 | 28,5 – 32,6 | Жесткий шторм | Большие разрушения |
| 12 | 32,7 – 36,9 | Ураган | Опустошительные разрушения |
| 17 | 58,6 | – | – |
Нестационарная часть ветра характеризует степень его равномерности по времени и называется порывистостью. Она обусловлена атмосферной турбулентностью, вызванной воздействием поверхности земли при обтекании ее стационарной частью ветра.
Сопротивляясь стационарной части ветра, ракета, деформируясь отклоняется в направление ветра. Одновременно с этим на боковых сторонах ракеты возникают нестационарные срывы потока стационарной части ветра. Эти срывы, возникающие то с одной, то с другой стороны ракеты, вызывают ее колебания в поперечном к ветру направлении. В итоге под действием ветра и его порывов на ракету действует система нагрузок, приводящая к очень сложным ее деформациям. Сложность обтекания реальным ветром конкретной системы не дает возможности создать удовлетворительные аналитические методы расчета деформации ракеты. Поэтому, единственным способом оценить действие этих нагрузок оказывается испытание моделей в аэродинамической трубе, либо проведение расчетов в специализированных программных аэродинамических пакетах.
Обычно транспортные космические системы имеют цилиндрические формы составляющих ее блоков. Поэтому для оценки сил, действующих на ее элементы вблизи земли, следует иметь ввиду явления, присущие поперечному (или близкому к нему) обтеканию цилиндра при дозвуковых скоростях. Дело в том, что благодаря проявлению вязкости воздуха при дозвуковых скоростях могут реализовываться различные режимы обтекания с большим или меньшим сопротивлением в зависимости от скорости ветра и диаметров отдельных частей ракеты. [17], [18]
5.1 Постановка задачи
Определить методику расчета аэродинамических нагрузок, действующих на ракету при ее выходе из шахтной пусковой установки. Определить характер влияния ветровой нагрузки на ракету.
В связи с тем, что данная задача мало освещена в литературе и зачастую не поддается аналитическому решению, провести расчет с помощью современного расчетного средства, применяемого для решения задач газовой динамики.
Провести расчет для ракеты выходящей из ШПУ, используя параметры выхода, описанные в первом разделе и ветровой нагрузки.
По результатам расчета, требуется построить эпюры моментов и перерезывающих сил.
5.2 Подготовка и проведение численного эксперимента
· Построение твердотельной модели
Расчетная модель была построена в пакете SolidWorks. В данном случае, для исключения влияния стенок на результат, необходимо учитывать площадь заполнения телом расчетной области, требуется, чтоб это параметр был примерно равен 1/8 площади расчетной области.
· Построение блочной сетки
Блочная сетка, для схемы изображенной на рис.5.1, создавалась в специализированном сеточном генераторе ICEMCFD компании ANSYS.
Рисунок 5.1. Схема моделирования
В результате построения сетки с применением блока «O-grid», т.е. грани ячеек внутреннего блока расположены перпендикулярно к касательным генерируемого тела, была создана расчетная модель (рис.5.2)
