ВОЗМОЖНОСТИ CFD ПРОГРАММЫ С ОТКРЫТЫМ КОДОМ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЗАПРАВКИ СТЕНДОВОГО БАКА ЖИДКИМ ВОДОРОДОМ

В статье анализировались функционирование и запуск криогенных двигательных установок разгонных блоков и ступеней ракетно-космических систем, которые во многом определяются тепломассообменными процессами в элементах систем питания. Это вызвано тем, что в наземных условиях отсутствуют возможности имитации условий полета при проведении операций захолаживания магистралей и запуска двигателя. Поэтому моделирование процессов течения криогенных компонентов с учетом тепломассообменных процессов в системах питания блоков и испытательного стенда является актуальной. Приведены данные о том, что бустерные насосные агрегаты окислителя и горючего, как правило, располагают в соответствующих топливных баках. Это позволяет существенно уменьшить затраты компонента на проведение операций захолаживания и заправки топливных магистралей и бака, а также оптимизировать процесс запуска двигателя при многократных включениях. Отмечено, что при комплексных наземных испытаниях разгонных блоков часто отсутствуют возможности имитации условий полета при проведении операций запуска ДУ, поэтому использование физических и математических моделей расчета нестационарных многофазных процессов с интенсивными фазовыми превращениями позволяют определить характеристики и провести прогноз параметров систем питания. В работе выполнены задачи: по разработке открытого кода на основе CFD программы OpenFoam для рассмотрения криогенных течений совместно с процессами теплообмена со стенкой бака; по проверке открытого кода на простейшей двумерной модели бака для определения основных механизмов, возникающих в процессе захолаживания и заправки стендового бака; по реализации использования открытого кода для выполнения начального этапа моделирования процессов заправки стендового топливного бака с учетом испарения крио- генной жидкости и теплообмена со стенками. Показано, что процессы течения и испарения могут быть смоделированы в рамках модели течения со свободной поверхностью. Приведены результаты расчетов основных параметров двухфазных потоков в процессе заправки топливного бака жидким водородом. Результаты исследования предполагается применять в методике оценки параметров двухфазных потоков при испытаниях перспективных блоков ракетно-космических систем.

1. Галеев, А.Г. Об опыте стендовой отработки двигательных установок верхних ступеней ракет- носителей на водородном топливе / А.Г. Галеев, В.Н. Кучкин, Г.Г. Сайдов // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы РКТ», г. Самара, СамНЦ РАН, 2009. – С. 53–54.

2. Галеев, А.Г. К вопросу исследования процессов теплообмена при предстартовом захолаживании расходных магистралей ДУ разгонных блоков РКС [Текст] / А.Г. Галеев [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – № 21.– С. 156–166.

3. Бершадский, В.А. Интенсивность тепло- массообмена в баке системы питания энергоустановки с криогенным компонентом топлива / В.А. Бершадский, А.Г. Галеев, К.П. Денисов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2008. – № 11.– С. 56–63.

4. Галеев, А.Г. Испытательные комплексы и экспериментальная отработка жидкостных ракетных двигателей / А.Г. Галеев [и др.]. – М.: Машиностроение / Машиностроение-Полет, 2012. – 368 с.

5. OpenFOAM® – Official home of The Open Source Computational Fluid… [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://openfoam.com – (Дата обращения: 30.06.17).

6. Weller, H.G. A tensorial approach to computational continuum mechanics using object-oriented techniques / H.G. Weller [et al.] // Computers in Physics. – 1998. – Vol. 12. – P. 620–631.

7. Nima Sam. EvaPhaseChangeFoamU. A VOF method to phase change modeling [E-resource]. – Режим доступа: http://www.cfd-online.com – (Дата об- ращения: 30.06.17).

8. Welch, S.W.J. A Volume of Fluid Based Method for Fluid Flows with Phase Change / S.W.J. Welch, J. Wilson // Journal of Computational Physics. – 2000. – Vol. 169. – P. 662–682.

9. Welch, S.W.J. Numerical computation of film boiling including conjugate heat transfer / S.W.J. Welch, T. Radichi // Numerical Heat Transfer. – 2002. – Part B. – No 42. – P. 35–53.

10. Wiesche S. aus der. Bubble growth and departure during nucleate boiling: The occurrence of heat flux reversal / S. aus der. Wiesche // In Proceedings of the 4th International Conference on Computational Heat and Mass Transfer, 2005.

11. Hardt, S. Evaporation model for interfacial flows based on a continuum-field representation of the source terms / S. Hardt, F. Wondra // Journal of Computational Physics. – 2008. – Vol. 227. – P. 5871–5895.

12. Shu, B. Phase change model for two phase fluid flow based on the volume of fluid method ICHMT / B. Shu [et al.] // International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer, Marrakech, Morocco, 2008.

13. Shu, B. Numerische Simulation des Blasensiedens mit Volume-Of-Fluid- und Level-SetMethode / B. Shu. – Ph.D. thesis, Technische Universität Darmstadt, 2009.

14. Kunkelmann, C. Numerical Modeling and Investigation of Boiling Phenomena / C. Kunkelmann. – Genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Darmstadt, 2011.

15. Hirt, C.W. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries / C.W. Hirt, B.D. Nichols // Journal of Computational Physics. – 1981. – Vol. 39. – P. 201–225.

16. Rusche, H. Computational fluid dynamics of dispersed two-phase flows at high phase fraction / H. Rusche. – Ph.D. thesis, Imperial College of Science, Technology and Medicine, London, 2002.

17. Brackbill, J.U. A Continuum Method for Modeling Surface Tension / J.U. Brackbill [et al.] // Journal of Computational Physics. – 1992. – Vol. 100. – P. 335–354.

18. Ubbink, O.Numerical prediction of two fluid systems with sharp interfaces / O. Ubbink. – Ph.D. thesis, Imperial College of Science, Technology and Medicine, London, 1997.

19. Schrage, R.W. A theoretical study of interphase mass transfer / R.W. Schrage. – Columbia University Press, New York, 1953.

20. Marek, R. Analysis of the evaporation coefficient and the condensation coefficient of water / R. Marek, J. Straub // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2001. – 44. – P. 39–53.

21. Son, G. Dynamics and heat transfer associated with a single bubble during nucleate boiling on a horizontal surface / G. Son, V.K. Dhir, N. Ramanujapu // Journal of Heat Transfer. – 1999. – 121. – P. 623–631.

22. Kunkelmann, C. CFD simulation of boiling flows using the volume-of-fluid method within OpenFOAM / C. Kunkelmann, P. Stephan // Numerical Heat Transfer. – 2009. – Part A. – No 56. – P. 631–646.