Центробежные форсунки ракетных двигателей

Центробежные форсунки широко используются в жидкостных ракетных двигателях.

Их конструкторы обходятся в основном теорией Абрамовича и экспериментальными данными. Для расчета расходных характеристик, угла распыла однокомпонентных форсунок этот подход достаточен, но для более сложных задач уже возникают затруднения. Расчет течения внутри форсунки – первый шаг к расчету параметров распыла на выходе форсунки, когда получаются начальные условия для расчета дальнейшего дробления образующейся жидкой пелены на капли.

Проведено численное моделирование течения жидкости внутри двухкомпонентной центробежно-центробежной форсунки ЖРД, работающей на компонентах керосин – жидкий кислород. Результаты проливок форсунки в холодных модельных условиях на воде в барокамере, средой в которой был воздух, использовались для тестирования результатов численного моделирования.

Специальный акцент уделяется внутреннему потоку в форсунке, поэтому расчетные объемы, моделирующие предфорсуночные полости, и объем, в который происходит истечение из форсунки, для уменьшения объема вычислений, выполнены как можно меньшими. Ячейки в основном – шестигранники, тангенциальные каналы выполнены из четырехгранников и переходная область между ними выполнена из пирамид. Характерный размер ячейки в области, в которой необходимо описать интерфейс внутри форсунки, – 100 мкм. Минимальное число ячеек, размер которых уже не влияет на решение, - порядка 50000 ячеек на расчетный объем.

В качестве граничных поверхностей заданы стенки форсунки – как стенка со скольжением. На границах объемов, соответствующих предфорсуночным полостям, и объема, в который происходит истечение из форсунки, для давления задается заданное значение, а для скорости и объемной доли задается inlet-outlet. На плоскостях, вырезающих из всего объема форсунки расчетный объем, задаются циклические граничные условия. В качестве начальных условий задается нулевая скорость во всем расчетном объеме, давление равное давлению в выходном сечении форсунки, значение объемной доли равно нулю везде, кроме объемов предфорсуночных полостей.

Плотность жидкости равна плотности воды, плотность газа – плотности воздуха при давлении на выходе из форсунки. Вязкость соответствует вязкости воды и воздуха, коэффициент поверхностного натяжения равен нулю. Расчеты показывают наличие газового вихря внутри форсунки, который и определяет ее коэффициент расхода. Параметры этого газового вихря соответствуют параметрам, рассчитанным по теории Абрамовича для центробежной форсунки. Рассмотрено раздельное и совместное течение компонентов внутри форсунки при модельной работе форсунки, когда оба компонента моделируются водой. Расходная характеристика форсунки (зависимость расхода жидкой фазы от перепада давления) при раздельной работе форсунок горючего и окислителя получена численным моделированием при различных значениях давления на входе. Результаты численного моделирования течения компонентов топлива в двухкомпонентной жидкостной центробежной форсунке ЖРД, в частности, расходные характеристики и угол факела распыла, показывают хорошее совпадение с экспериментальными данными, и с расчетами по теории Абрамовича. Параметры течения, рассчитанные на выходе форсунки, могут служить начальными условиями для расчета дальнейшего дробления образующейся жидкой пелены на капли.

Таким образом, методы численной гидродинамики могут служить надежным инструментом для разработки форсунок ЖРД.