Моделирование рассеивания облака продуктов сгорания, образующегося при испытаниях РДТТ на открытом стенде

В.Н. Иванов, В.М. Суслонов, В.А. Шимановский (Пермь)

В настоящее время испытания и отжиг ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) осуществляются на специально оборудованном открытом стенде (с горизонтальным расположением двигателя и наклонной отбойной стенкой), что обусловливает выброс продуктов сгорания в атмосферу на большую высоту и их осаждение на значительную территорию. Процесс сгорания топлива - быстропротекающий (десятки секунд). При этом образуются высокотемпературные продукты сгорания (1500-3500°К) со сверхзвуковыми скоростями истечения из сопла и большими, как следствие, массовыми расходами загрязняющих веществ (100-700 кг/с). В продуктах сгорания содержатся твердые, газообразные и жидкие токсичные соединения: окись алюминия, хлористый водород, окислы азота, диоксид углерода и др.

Наиболее эффективным способом определения распределения загрязняющих веществ в результате испытаний, учитывающим конкретную конструкцию стенда, является разбивка всего процесса на характерные этапы и построение для каждого из них упрощенной, но достаточно адекватной (с практической точки зрения) модели, учитывающей теоретические и эмпирические данные. К таким этапам традиционно относят: истечение горячей сверхзвуковой струи из сопла сначала в горизонтальном направлении до отбойной стенки стенда, а затем под заданным углом в атмосферу и формирование облака (или клубов) продуктов сгорания; подъем и перенос ветром клубов продуктов сгорания до достижения ими высоты стабилизации; рассеивание облака, фазовые переходы и выпадение твердых и жидких примесей продуктов сгорания.

В докладе описываются подход к моделированию и численные алгоритмы, предназначенные для проведения оценочных расчетов по определению уровня загрязнения атмосферного воздуха продуктами сгорания, образующимися при огневых стендовых испытаниях РДТТ; расчетные схемы последнего этапа движения и рассеивания облака продуктов сгорания в атмосфере с учетом реальных моделей приземного и пограничного слоя атмосферы и достаточно больших размеров пространственно-временной области. Методика ориентирована на использование минимального набора исходных данных и параметров, которые известны или могут быть определены экспериментально.

Новизна подхода заключается в записи исходных трехмерных уравнений турбулентной диффузии в подвижной, расширяющейся системе координат с логарифмическим временем и построении трехмерных сеток с переменным шагом.