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: 10.31772/2712-8970-2021-22-4-660-671
Сравнительный анализ верифицированного численного моделирования кавитации на основе модели Рэлея – Плессета к насосам ТНА жидкостного ракетного двигателя
Торгашин А. C., Жуйков Д. А., Назаров В. П., Бегишев А. М., Власенко А. В.
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева; Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
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 особы-ми 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: кавитация, ТНА, ЖРД, CFD моделирование.
References

1.   Краев М. В., Рыбакова В. Е. Срывные кавитационные режимы работы высокооборотных насосов // Решетневские чтения : материалы XVI Междунар. науч.-практ. конф. / СибГУ им.
М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2012. Ч. 1. С. 109–110.

2.   ANSYS FLUENT Theory Guide / Chapter 16.7.4: Cavitation Models. ANSYS Inc. Release 12.0. 

3.   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.

4.   Plesset M. S. The dynamics of cavitation bubbles // J. Appl. Mech. 1949. No. 16. P. 228–231

5.   Zwart Philip, Gerber A. G., Belamri Thabet. A two-phase flow model for predicting cavitation dynamics // Fifth International Conference on Multiphase Flow, 2004.

6.   Бредшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. М. : Мир, 1974.

7.   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.

8.   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. 

9.   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: 10.1088/1755-1315/163/1/012023.

10.  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.

11.  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.

12.  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.

13.  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.

14.  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.

15.  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.

16.  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.

17.  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.

18.  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.


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.


  Сравнительный анализ верифицированного численного моделирования кавитации на основе модели Рэлея – Плессета к насосам ТНА жидкостного ракетного двигателя