Научная электронная библиотека ULRICH'S Periodicals Directory

Сибирский государственный университет
науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева

Сибирский аэрокосмический журнал
ISSN 2712-8970 (Print) ISSN 2782-5760 (on-line)

Сведения об образовательной организации

UDK 621.454.2 Doi: 10.31772/2587-6066-2020-21-3-417-422
МЕТОДЫ CFD МОДЕЛИРОВАНИЯ КАВИТАЦИИ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ И ОСЕВЫХ НАСОСАХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
А. C. Торгашин, Д. А. Жуйков, В. П. Назаров, А. М. Бегишев, А. В. Власенко
Сибирский государственный университет науки и технологии имени академика М. Ф. Решетнева; Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
В настоящее время к проектированию и производству жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) предъявляются все большие требования по обеспечению надежности. В соответствии с этим повышаются требования по проектированию и изготовлению агрегатов ЖРД. Одним из таких агрегатов является турбонасосный агрегат (ТНА), обеспечивающий непрерывную подачу жидких компонентов реакции горения в камеру сгорания ракетного двигателя для создания тяги или в другие агрегаты двигателя. Также ТНА является основным источником повышения давления данных жидких компонентов перед камерой сгорания ЖРД. К ТНА предъявляются важные требования по обеспечению работоспособности основных параметров при заданном ресурсе с необходимыми возможными паузами установленной продолжительности; подачи компонентов топлива требуемого расхода и давления на всех режимах работы двигателя; высокой степени надежности с приемлемым КПД всего агрегата; высоким антикавитационным характеристикам насоса на всех режимах. В данной статье авторы обобщают последние результаты исследования кавитации в турбонасосных агрегатах ЖРД, а также применимые к ним исследования в области гидравлики. Рассмотрены проблемы кавитации в криогенных жидкостях, моделирование срывной характеристики, применение различных моделей к моделированию кавитационного потока. Решение данных проблем моделирования течения рассматривалось относительно применяемости к следующим элементам конструкции агрегатов ЖРД: межлопаточного пространства шнекоцентробежного основного и бустерных насосов, осевого преднасоса. Особое внимание уделено реализации различных численных методов, основанных на использовании различных моделей кавитации, вычислительной гидрогазодинамики в различных CFD пакетах, а также сравнении результатов с модельными. Авторы делают выводы о возможности применения данных методов к решению вопросов исследования явления кавитации в ЖРД.
Ключевые слова: кавитация, ТНА, ЖРД, CFD моделирование.
References

1. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей / Г. Г. Гахун, В. И. Баулин, В. А. Володин и др. ; под общ. ред. Г. Г. Гахуна. М. : Машиностроение, 1989. 424 с.
2. Lord R. On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity // Phil. Mag. 1917. No. 34 (200). P. 94–98.
3. ANSYS CFX Tutorial Guide. Chapter 28: Drop Curve for Cavitating flow in a Pump. ANSYS Inc. Release 15.0.
4. Kudryashov N. A., Sinelshchikov D. I. Analytical solutions of the Rayleigh equation for empty and gasfilled bubble // J. Phys. A: Math. Theor. 2014. No. 47. P. 405202.
5. Mancas Stefan C., Rosu Haret C. Cavitation of spherical bubbles: closed-form, parametric, and numerical solutions. Physics of Fluids. 2016.
6. Афанасьев А. А., Демьяненко Ю. В., Попков А. Н. Применение кавитационной модели Релея – Плессета для исследования течения криогенной жидкости в трактах шнекоцентробежного насоса // Вестник воронежского гос. техн. ун-та. 2017. Т. 12, № 2. С. 44–49.
7. Моделирование срывной кавитационной характеристики бустерного турбонасосного агрегата и сравнение экспериментальных и численных результатов / И. С. Казённов, Ю. И. Каналин, Н. П. Полетаев, И. А. Чернышева // Вестник самарского гос. аэрокосмич. ун-та им. ак. С. П. Королёва (Нац. исслед. ун-та). 2014. № 5-1 (47). С. 188–198.
8. Numerical and Experimental Investigations of the Cavitating Behavior of an Inducer / F. Bakir, R. Rey, A. G. Gerber, T. Belamri, B. Hutchinson // International Journal of Rotating Machinery. 2004. No. 10. P. 15–25.
9. Dupont P., Okamura T. Cavitating Flow Calculations in Industry // International Journal of Rotating Machinery. 2003. No. 9 (3). P. 163–170.
10. On the Leading Edge Cavitation In a Helicocentifugal Pump: Experimental and Numerical Investigations / D. Pierrat, L. Gros, A. Couzinet, G. Pintrand // 3rd IAHR International Meeting of the Workgroup on Cavitation and Dynamic Problems in Hydraulic Machinery and Systems, October 14–16, 2009, Brno, Czech Republic.
11. Application of modified k-ω model to predicting cavitating flow in centrifugal pump / Hou-lin Liu*, Dongxi Liu, Yong Wang, Xian-fang WU, Jian Wang // Water Science and Engineering. 2013. No. 6(3). P. 331–339.
12. Rafael Campos-Amezcua, Sofiane Khelladi, Zdzislaw Mazur-Czerwiec, Farid Bakir, Alfonso Campos-Amezcua and Robert Rey (2011). Numerical and Experimental Study of Mass Transfer Through Cavitation in Turbomachinery, Mass Transfer – Advanced Aspects, Dr. Hironori Nakajima (Ed.), InTech.
13. Cavitation modeling for steady-state CFD simulations / L. Hanimann, L. Mangani, E. Casartelli, M. Widmer // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. 2016.
14. Unsteady Flow and Structural Behaviors of Centrifugal Pump under Cavitation Conditions. Chinese / Denghao Wu, Yun Ren, Jiegang Mou, Yunqing Gu, Lanfang Jiang // Journal of Mechanical Engineering. 2019.
15. Cavitation Optimization for a Centrifugal Pump Impeller by Using Orthogonal Design of Experiment / Pei Ji1, Yin Tingyun1, Yuan Shouqi1, Wang Wenjie1, Wang Jiabin // Chinese Journal of Mechanical Engineering. a2017. Vol. 30,aNo. 1. P. 103.


Бегишев Алексей Михайлович – аспирант; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева. E-mail: alex-beg95@mail.ru.
Жуйков Дмитрий Александрович – кандидат технических наук, доцент кафедры двигателей летательных аппаратов; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева. E-mail: d_zhuikov@sibsau.ru.
Назаров Владимир Павлович – кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой двигателей летательных аппаратов; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева. E-mail: nazarov@sibsau.ru.
Торгашин Анатолий Сергеевич – аспирант; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева. E-mail: ttarg23@gmail.com.
Власенко Алесксей Владимирович – аспирант; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева. E-mail: lesha.vlasenko.94@mail.ru.


  МЕТОДЫ CFD МОДЕЛИРОВАНИЯ КАВИТАЦИИ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ И ОСЕВЫХ НАСОСАХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ