Направления деятельности
Первое направление исследований — совершенствование известных и разработка новых физических моделей турбулентного горения в высокоскоростных камерах сгорания, ориентированных на расчеты в рамках подходов RANS и LES, и их высокоэффективная (по быстродействию и затратам оперативной памяти) реализация в компьютерных программах.
Важным направлением развития авиационной техники является создание высокоскоростных ВРД, которые смогли бы обеспечить длительный полет в атмосфере. Ключевым элементом транспортных систем, предназначенных для полета в атмосфере с большими скоростями, является высокоскоростной ПВРД — двигатель, в котором поток на входе в камеру сгорания после торможения в воздухозаборном устройстве остается сверхзвуковым. Из-за высокой скорости потока в высокоскоростном ПВРД, сравнительно низкой температуры потока на входе в камеру сгорания и низкой эффективности турбулентного смешения топлива с воздухом на больших скоростях такие двигатели должны иметь большую длину. Это создает проблемы с охлаждением конструкции, с весом двигателя и пр. Как правило, рассматриваются интегральные компоновки, где в качестве элементов высокоскоростного ПВРД используется вся нижняя поверхность ЛА.
Сейчас наибольшее внимание в качестве ближайшей перспективы привлекает концепция двухрежимного ПВРД (ДПВРД, dual-mode ramjet), который должен работать в диапазоне скоростей полета M=4...10, причем на более низких скоростях полета (M<6..7) горение осуществляется в дозвуковом режиме (с запиранием канала и образованием псевдоскачка), а дальше — в сверхзвуковом. Смена режима может достигаться за счет изменения геометрии проточного тракта, а также впрыском топлива в разных местах. На всех режимах такой двигатель остается высокоскоростным ПВРД, т.к. поток на входе в изолятор, отделяющий собственно камеру сгорания от воздухозаборника, является сверхзвуковым.
Течение в тракте высокоскоростного ПВРД имеет очень сложную структуру, обусловленную взаимодействием многочисленных физических факторов. Важнейшие задачи при разработке таких двигателей — организация устойчивого и высокоэффективного горения в камере сгорания, обеспечение термостойкости конструкции двигателя.
Одна из целей исследований, проводимых в Лаборатории, — модификация и верификация имеющихся компьютерных программ для описания течений смеси идеальных сжимаемых газов с переменными теплоемкостями и неравновесными химическими реакциями. Эта задача включает в себя: выбор модели турбулентности для расчетов высокоскоростных камер сгорания; реализацию в программе различных методов описания турбулентного горения и выбранной модели турбулентности; разработку, внедрение в программу и настройку модели для учета взаимодействия турбулентности и горения (Turbulence-Combustion Interaction — TCI). Для валидации моделей также необходим анализ экспериментальных данных и подготовка тестов. Для сопоставления расчетов тестовых задач в рамках подхода RANS используются открытые базы данных по турбулентному горению.
Для высокоскоростных камер сгорания характерно наличие широкого спектра режимов турбулентного горения — от пламени в хорошо перемешанной горючей смеси до диффузионного горения, обусловленного молекулярным смешением топлива и окислителя на уровне мельчайших турбулентных вихрей. Между этими двумя пределами есть ряд важных промежуточных режимов, характеризующихся одновременным протеканием процессов смешения и горения. Для многих режимов необходимо учитывать конечную скорость химических реакций и нестационарные эффекты. Большинство моделей турбулентного горения ориентировано на дозвуковые течения. В этом случае характерное время химической реакции обычно существенно меньше характерного времени течения. Именно при выполнении этих условий являются хорошо обоснованными и дают неплохие результаты такие методы учета TCI, как модели микроламинарных пламен (flamelets), в развитие которых внес существенный вклад В.А.Сабельников, модель разрушения вихрей (Eddy Break-Up Model) и модель вихревой диссипации (Eddy Dissipation Concept). Учет особенностей высокоскоростных течений сопряжен с большими трудностями, связанными прежде всего с тем, что характерное время химической реакции становится сопоставимым с характерным временем течения. Многие существенные идеи для описания горения в этих условиях были сформулированы в работах российских ученых — Е.С.Щетинкова и Л.А.Вулиса.
Эти идеи фактически были реализованы в моделях частично перемешанного реактора (Partially Stirred Reactor). В последние годы этот подход был развит В.А.Сабельниковым, и именно это направление моделирования турбулентного горения выбрано в качестве основного на ближайшие годы деятельности Лаборатории. При этом будут приняты во внимание новейшие теоретические разработки, в которых принимает участие В.А.Сабельников. Эти подходы реализуются в компьютерной программе zFlare, которая разработана коллективом Лаборатории в 2017 г. и предназначена для моделирования трехмерных турбулентных течений с неравновесным горением на многопроцессорных компьютерах в рамках подходов RANS и LES. В дальнейшем предполагается настройка используемых моделей турбулентности и горения на течения в высокоскоростных камерах сгорания. При этом будет использован богатый опыт исследования газовой динамики турбулентных течений вязкого газа, накопленный в ЦАГИ.
Второе направление исследований — создание на основе «огневого» аэродинамического эксперимента, специально проведенного в аэродинамической трубе АДТ Т-131 ЦАГИ, отечественной базы экспериментальных данных по течениям в камере сгорания двухрежимного прямоточного ВРД (ДПВРД), предназначенной для валидации физических моделей и программного обеспечения.
Для исследований двигателей высокоскоростных ЛА в ЦАГИ имеется уникальная аэродинамическая труба (АДТ) Т-131. Это комплекс, который на данный момент состоит из двух стендов. Стенд Т-131Б позволяет проводить испытания модулей высокоскоростных ПВРД при свободном обдуве потоком с числом Маха до М = 7. Стенд Т-131В позволяет испытывать модели камер сгорания высокоскоростных ПВРД и их элементов на присоединенном воздуховоде с числом Маха на входе в камеру до М = 3.5. Поток воздуха нагревается огневым подогревателем и обогащается кислородом до состава, близкого к составу воздуха. Это позволяет создавать поток с давлением торможения до 11 МПа и температурой торможения до 2350 К. Благодаря этому обеспечивается максимальное приближение эксперимента к реальным условиям высокоскоростного полета. В настоящий момент ведется строительство и оборудование третьего крупногабаритного стенда с диаметром рабочего сопла 1.2 м.
До сих пор на АДТ Т-131 ЦАГИ проводились преимущественно промышленные эксперименты, ограниченные измерениями распределений статического давления по стенкам камер сгорания, высокоскоростной видеорегистрацией реактивной струи, истекающей из экспериментальных модулей, тепловизионными исследованиями экспериментальных моделей. Этого недостаточно для валидации физических моделей и программного обеспечения. Поэтому в течение 2017 г. была спроектирована новая экспериментальная модель двухрежимной камеры сгорания (камеры со сверхзвуковым течением на входе, в которой в зависимости от параметров втекающего потока реализуется дозвуковой или сверхзвуковой режим горения). Новая модельная камера не предназначена для создания высокой тяги, она специально ориентирована на валидацию расчетно-теоретических исследований. Для чистоты эксперимента, для устранения взаимодействия многих посторонних эффектов, а также для удобства измерений выбраны предельно простая геометрия (симметричный канал постоянной боковой ширины с расширяющимся участком) и вдув топлива со стенок камеры, без дополнительных стабилизирующих устройств, усложняющих структуру течения. В качестве топлива предполагается использовать пропан с добавлением водорода. В камере будут сделаны оптические окна, которые обеспечат возможность шлирен-видеосъемки картины течения, а также других оптических измерений (планируются измерения хемилюминесценции возбужденных радикалов OH для визуализации зоны тепловыделения). Предусмотрена возможность широкого спектра измерений (датчики давления, термопары и пр.). Будут сопоставлены эксперименты с использованием термохимической конверсии топлива и без нее. В 2017 г. были выполнены предварительные расчетные исследования, которые показали возможность стабилизации горения как в дозвуковом, так и в сверхзвуковом режиме. Произведены закупки комплектующих и материалов для проведения экспериментальных исследований. Изготовление камеры запланировано на 1‑ю половину 2018 г., а эксперименты — на период со
Третье направление исследований - разработка и детальное расчетно-теоретическое исследование модели двигательного устройства с резонаторной полостью, в котором сгорание топлива происходит во вращающейся волне детонации.
Важной проблемой, на решение которой сосредоточены усилия специалистов многих стран, является использование детонации для высокоскоростного сжигания топлива в энергоустановках различного назначения, в частности, в двигателях перспективных летательных аппаратов и ракет. Для ее решения предлагаются различные схемы, которые позволяют инициировать детонацию и локализировать ее в ограниченном объеме камеры сгорания. Этими вопросами в теоретическом и прикладном плане более сорока лет занимаются академик В.А.Левин и его ученики. В.А.Левин и В.В.Марков за исследования детонации удостоены Государственной премии РФ в области науки и техники за 2002 год. В.А.Левин является одним из авторов концепции импульсного детонационного двигателя с кольцевым соплом и внутренним резонатором —т.н двигателя Левина-Тарасова (ДЛТ).
В последние годы наиболее перспективной с точки зрения практики представляется вращающаяся детонация. В этой связи она привлекает особое внимание как экспериментаторов, так и теоретиков. В настоящем проекте предполагается разработать трехмерную модель реактивного двигателя с резонаторной полостью, в которой сгорание горючей смеси происходит в непрерывной вращающейся волне детонации (ДРВД — двигатель с резонатором и вращающейся детонацией), провести ее детальное численное исследование на суперкомпьютере МГУ «Ломоносов» и запатентовать изобретение двигательного устройства. В 2017 г. были сделаны первые успешные шаги в этом направлении. В частности, была разработана «виртуальная экспериментальная установка» для моделирования ДРВД и с ее помощью была показана возможность реализации вращающейся детонации в кольцевом зазоре.
