Xây dựng phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu trong các quá trình làm việc không ổn định của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn tt

Vì vậy, nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định chính xác hơn quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu có tính đến các quá trình nhiệt trong pha rắn và các quá trình làm việc không ổn định c

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã số: 62 52 01 01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2017

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS Mai Khánh

2 TS Nguyễn Khải Hoàn

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thái Dũng

Học viện kỹ thuật quân sự

Phản biện 2: PGS.TS Trịnh Hồng Anh

Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

Phản biện 3: PGS.TS Lê Anh Tuấn

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận án được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án tiến sĩ và họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi .giờ, ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Hiện nay, chúng ta thường sử dụng quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu rắn (NLR) được mô tả dưới dạng:

Trong đó: u - tốc độ cháy của NLR; u 1 - hệ số tốc độ cháy của NLR; p - áp

suất sản phẩm cháy (SPC) trong buồng đốt động cơ; v - số mũ tốc độ cháy; b - hằng số; T 0 - nhiệt độ ban đầu của NLR; w - tốc độ chảy của SPC

các hằng số u 1 ,  , b còn phụ thuộc vào hình dạng nhiên liệu và điều kiện thí

nghiệm nên cần phải thử nghiệm khá nhiều để xác định các hằng số này

Vì vậy, nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định chính xác hơn quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu có tính đến các quá trình nhiệt trong pha rắn và các quá trình làm việc không ổn định của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn (ĐTR) là việc làm cần thiết, có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

2 Mục tiêu của đề tài luận án

Xây dựng được phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu trong ĐTR

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là tốc độ cháy của NLR trong động

cơ tên lửa

Phạm vi nghiên cứu:

Về lý thuyết: xây dựng phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu trong ĐTR trong trường hợp có sự thay đổi nhanh của áp suất trong buồng đốt, bỏ qua hiện tượng cháy xói mòn;

Về thực nghiệm: nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ tên lửa nhiên liệu rắn mẫu

4 Nội dung nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu mô hình vật lý, xây dựng mô hình toán học mô tả các quá trình cháy của nhiên liệu trong ĐTR;

- Xây dựng phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của NLR trong động cơ tên lửa thông qua các số liệu thực nghiệm của nhiên liệu trong điều kiện cháy ổn định;

- Nghiên cứu tính toán và thử nghiệm kiểm chứng trên động cơ mẫu

5 Bố cục của luận án

Nội dung luận án gồm: mở đầu, bốn chương và kết luận

Chương 1- Tổng quan về quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu rắn trong động cơ tên lửa

Chương 2- Mô hình vật lý và mô hình toán học quá trình cháy của nhiên liệu rắn

Chương 3- Xây dựng phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu trong các quá trình làm việc không ổn định của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn

Chương 4- Một số nghiên cứu tính toán và thực nghiệm trên động cơ mẫu

6 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu mô hình vật lý, xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình cháy của NLR trong động cơ tên lửa; xây dựng phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của NLR trong động cơ tên lửa; xây dựng quy luật tốc

độ cháy của nhiên liệu và tính toán các đặc trưng nhiệt động học của một số loại động cơ tên lửa nhiên liệu rắn

Xác định các số liệu thực nghiệm trong điều kiện cháy ổn định của nhiên liệu rắn; nghiên cứu thực nghiệm đo đồ thị áp suất-thời gian của một

số động cơ mẫu

7 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

Xây dựng được phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu trong các quá trình làm việc của ĐTR; kết quả nghiên cứu của luận án

là cơ sở khoa học để phân tích, lý giải một số bất thường trong các quá trình làm việc của ĐTR

Chính xác hóa lời giải bài toán thuật phóng trong để xác định các tham số đặc trưng nhiệt động học của ĐTR; cung cấp thêm cơ sở khoa học phục vụ tính toán thiết kế ĐTR

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ QUY LUẬT TỐC ĐỘ CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU

RẮN TRONG ĐỘNG CƠ TÊN LỬA 1.1 Tổng quan các quá trình cháy của nhiên liệu rắn

Sơ đồ nhiệt quá trình cháy của NLR (hình 1.1) được chia ra thành 4 vùng cháy như sau:

1.2 Các mô hình cháy cơ

bản của nhiên liệu rắn

- Mô hình cháy với nhiệt độ

trên bề mặt cháy không đổi Hình 1.1 Sơ đồ nhiệt quá trình cháy của nhiên liệu rắn.

- Mô hình cháy với nhiệt độ trên bề mặt cháy thay đổi

1.3 Tổng quan quá trình làm việc của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn 1.3.1 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn

- Cấu tạo của một ĐTR gồm các bộ phận chính: buồng đốt, nhiên liệu rắn, thiết bị mồi, loa phụt

- Hoạt động: sau khi thuốc mồi được mồi cháy, nhiệt lượng từ sản phẩm cháy do thuốc mồi tạo ra mồi cháy NLR, hỗn hợp sản phẩm cháy trong buồng đốt có nhiệt độ và áp suất cao, giãn nở, chuyển động qua loa phụt với vận tốc lớn hơn vận tốc âm thanh tạo ra lực đẩy của động cơ

1.3.2 Các thời kỳ làm việc đặc trưng của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn

Các thời kỳ làm việc của ĐTR gồm: thời kỳ mồi cháy; thời kỳ khởi động động cơ; thời kỳ làm việc của động cơ; thời kỳ phụt khí tự do

1.3.3 Quá trình cháy của nhiên liệu rắn trong động cơ tên lửa

Quá trình cháy của NLR trong ĐTR thường là quá trình cháy không ổn định Một số quá trình cháy không ổn định của NLR trong động cơ tên lửa là: cháy không hoàn toàn ở áp suất thấp, cháy dao động, cháy xói mòn - đây là các quá trình cháy không có lợi cần phải loại bỏ trong thiết kế ĐTR

1.4 Tổng quan các phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu rắn trong động cơ tên lửa

1.4.1 Tổng quan các phương pháp thực nghiệm xác định quy luật tốc

độ cháy của nhiên liệu rắn

Một số phương pháp thực nghiệm xác định tốc độ cháy của NLR đang được sử dụng hiện nay trên thế giới là: Phương pháp dập tắt nhiên liệu; Phương pháp dùng thiết bị thể tích không đổi; Phương pháp dùng thiết bị

áp suất không đổi; Phương pháp dùng động cơ mẫu; Phương pháp sử dụng

vi cặp nhiệt; Phương pháp dùng trường điện từ; Phương pháp dùng thiết bị siêu âm; Phương pháp dùng thiết bị vi sóng; Phương pháp chụp X-quang thời gian thực; Phương pháp sử dụng máy đo điện dung Plasma; Phương pháp quang học; Phương pháp Laser; Phương pháp lượng từ

1.4.2 Tổng quan về phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu rắn trong động cơ tên lửa

Ở nước ngoài: Quy luật tốc độ cháy của NLR trong ĐTR đã được

nhiều nước nghiên cứu và hoàn thiện, tuy nhiên, do bí mật quân sự nên các nước không công bố cũng như không chuyển giao kết quả nghiên cứu ra nước ngoài Đến nay, trong các tài liệu và công trình khoa học đã được công bố chỉ trình bày hướng tiếp cận phương pháp xác định tốc độ cháy không ổn định của nhiên liệu rắn thông qua phương trình truyền nhiệt trong pha rắn nhiên liệu

Ở Việt Nam: Đến nay, trong một số tài liệu chuyên nghành và công

trình nghiên cứu về ĐTR chỉ giới thiệu các thông tin được cập nhật từ các tài liệu ở nước ngoài về hướng tiếp cận phương pháp xác định quy luật tốc

độ cháy không ổn định của NLR thông qua bài toán truyền nhiệt trong pha rắn nhiên liệu Chưa có tài liệu hay công trình nghiên cứu nào hệ thống hóa

và xây dựng được phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu trong ĐTR theo hướng tiếp cận này

1.5 Một số công trình nghiên cứu ở Việt Nam có liên quan đến tốc độ cháy của nhiên liệu rắn trong động cơ tên lửa

Đến nay, trong các công trình nghiên cứu về ĐTR tại Việt Nam, các tác giả đều sử dụng quy luật tốc độ cháy của NLR được xác định bằng thực nghiệm dưới dạng công thức (1) để tính toán động cơ

1.6 Hướng nghiên cứu phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu rắn trong động cơ tên lửa

Từ các kết quả nghiên cứu tổng quan, luận án lựa chọn hướng nghiên cứu xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu trong các quá trình làm việc không ổn định của ĐTR trên cơ sở các phương trình truyền nhiệt và phân hủy nhiên liệu trong pha rắn Theo hướng nghiên cứu này, luận án xác định một số nội dung khoa học cần giải quyết để đạt được mục tiêu đề ra là:

1- Xây dựng mô hình toán học (hệ phương trình cháy) các quá trình cháy của NLR trong động cơ tên lửa;

2- Xây dựng phương pháp xác định các tham số đầu vào, các tham số điều kiện ban đầu, xây dựng các hàm điều kiện biên, xây dựng hàm điều kiện cháy của NLR và xây dựng phương pháp giải hệ phương trình cháy để xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu trong ĐTR;

3- Nghiên cứu thực nghiệm xác định các số liệu phục vụ tính toán và kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết

1.7 Kết luận chương 1

Quá trình làm việc của ĐTR gồm các quá trình nhiệt-lý-hóa phức tạp xảy ra bên trong buồng đốt động cơ Nhìn chung, các quá trình cháy của nhiên liệu trong ĐTR là quá trình cháy không ổn định Trong tính toán ĐTR chúng ta thường sử dụng quy luật tốc độ cháy được xác định thông qua thực nghiệm, quy luật tốc độ cháy thực nghiệm chưa phản ánh được các quá trình cháy không ổn định của nhiên liệu rắn nên kết quả tính toán các tham số nhiệt động học của ĐTR có độ chính xác chưa cao

Xây dựng và hoàn thiện phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của NLR có tính đến các quá trình cháy không ổn định của nhiên liệu nhằm chính xác hóa lời giải bài toán thuật phóng trong, cung cấp thêm cơ sở khoa học phục vụ tính toán thiết kế ĐTR là một nhiệm vụ khoa học cần được nghiên cứu chuyên sâu

Chương 2

MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC QUÁ TRÌNH CHÁY

CỦA NHIÊN LIỆU RẮN 2.1 Đặt vấn đề

Nghiên cứu mô hình vật lý, xây dựng mô hình toán học quá trình cháy của NLR là cơ sở khoa học để xây dựng phương pháp xác định quy luật tốc

độ cháy của nhiên liệu trong ĐTR

2.2 Một số giả thiết

- Nhiên liệu rắn đồng nhất về thành phần hóa học và tính chất vật lý;

- Chỉ tính đến dòng nhiệt truyền vào từ pha khí và nhiệt lượng sinh ra

do các phản ứng tỏa nhiệt trong pha rắn nhiên liệu là nguyên nhân làm thay đổi trường nhiệt độ trong pha rắn nhiên liệu; không tính đến quán tính nhiệt trong pha khí; không tính đến tác động của lực áp suất SPC làm phá vỡ các liên kết cơ học giữa các thành phần trong NLR

2.3 Mô hình vật lý quá trình cháy của nhiên liệu rắn

Mô hình vật lý quá trình cháy của NLR được mô tả trên hình 2.1

T(x) - Trường nhiệt độ

trong pha rắn và trong

vùng SPC;

β(x) - Trường khối

lượng tương đối nhiên

liệu bị phân hủy trong

hủy nhiên liệu trong

T S , β S - Nhiệt độ và khối lượng tương đối NLR phân hủy trên bề mặt cháy;

2.4 Mô hình toán học quá trình cháy của nhiên liệu rắn

Các phương trình toán học mô tả quá trình cháy của NLR được thiết

lập trong hệ tọa độ liên kết động xOT như sau: hướng của trục Ox từ bề mặt cháy vào trong pha rắn nhiên liệu, trục OT nằm trên bề mặt cháy nhiên liệu

và chuyển động với tốc độ cháy u theo hướng ngược trục Ox Gọi c, ,  là nhiệt dung riêng, khối lượng riêng, hệ số dẫn nhiệt của NLR; Q là hiệu

suất nhiệt phản ứng xảy ra trong pha rắn.Ta có:

Phương trình dẫn nhiệt trong pha rắn nhiên liệu:

E

R T

p p

   

   0

2 2

Hệ phương trình đạo hàm riêng (2.9) gồm 3 hàm ẩm T(x,t), β(x,t), u(t)

- Điều kiện ban đầu cho các phương trình của hệ (2.9):

 

0 0 0 0

( , ) ( , )

t t

Đối với các giá trị x mà T 0 (x) < T P ta có β(x) =0

nhiệt từ SPC đến bề mặt cháy; T G , p - nhiệt độ và áp suất SPC; φ(p) - dòng

nhiệt từ SPC truyền vào pha rắn nhiên liệu

- Điều kiện biên thứ hai: khi bề dày cháy của nhiên liệu rắn e 1 là đủ lớn ta có:

Trong đó: θ(p)- hàm phụ thuộc vào áp suất p của sản phẩm cháy;

h - bề dày lớp mỏng nhiên liệu nằm sát bề mặt cháy

Giải hệ phương trình (2.9) ta nhận được các hàm T(x,t), β(x,t) và u(t)

Hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng (2.9) có thể giải được bằng phương pháp sai phân hữu hạn trên máy tính điện tử Để giải được hệ này ta phải

   

0

2 2

.

K T d

Điều kiện đầu của (2.22): khi T= T P ta có β=0

Phương pháp xác định giá trị các tham số vùng cháy của NLR trong

điều kiện cháy ổn định: Giả sử với nhiệt độ ban đầu của nhiên liệu T 0, ta

xác định được m bộ số liệu thực nghiệm (p j , u j , T Sj , T Gj ) j =1 m trong điều

kiện cháy ổn định Với mỗi bộ số liệu (p j , u j , T Sj ),lấy tích phân (2.22) bằng

phương pháp Runge-Kutta với điều kiện đầu khi T= T P ta có β=0 và với

khoảng xác định nhiệt độ T  [T P , T Sj ] ta được các giá trị β Sj =β(T Sj ), từ đó

xác định được các giá trị dòng nhiệt φ j= φ(p j ) theo công thức (2.19) Thay

các giá trị φ j , T Gj , T Sj tương ứng vào (2.11) ta xác định được α j =α(p j )

Sau đó giải hệ (2.15) bằng phương pháp Runge-Kutta cho các hàm

chưa biết T j (x) và β j (x) với các điều kiện đầu:

ta được các phân bố T j (x) và  j (x) trong pha rắn nhiên liệu Qua đó ta xác

định được các giá trị T Sj và  Sj của lớp NLR trên bề mặt cháy

Từ các số liệu thực nghiệm và kết quả giải hệ phương trình cháy ổn

định của NLR ta xác định được giá trị các tham số vùng cháy u, T S , T G , β S,

φ, α của NLR trong điều kiện cháy ổn định

2.6 Phương pháp giải hệ phương trình cháy của nhiên liệu rắn trong điều kiện cháy không ổn định

Hệ phương trình truyền nhiệt và phân hủy (mô tả quá trình cháy không ổn định) của NLR trong ĐTR có dạng:

0 0

2

0 2

0

( , )

Lưu đồ thuật toán tổng quát xác định tốc độ cháy của NLR trong điều

kiện cháy không ổn định trên hình 2.4 Trong đó: DN_fi(p) là tên thủ tục

u=0

Đ n≤0

θ ≥ a

xác định quy luật truyền nhiệt từ sản phẩm cháy vào pha rắn nhiên liệu;

TND_TB(x,t) là thủ tục xác định trường nhiệt độ T(x,t) và trường khối

lượng tương đối nhiên liệu phân hủy β(x,t) trong pha rắn;

DKC[T(i,j), β(i,j)] là thủ tục xác định điều kiện cháy của NLR

2.8 Kết luận chương 2

Quá trình cháy của NLR là các quá trình phản ứng hóa học xảy ra trên

một lớp bề mặt của nhiên liệu khi thỏa mãn điều kiện cháy xác định và phụ

thuộc chính vào nhiệt độ của nhiên liệu Trường nhiệt độ trong NLR quyết

định đến thời gian thực hiện điều kiện cháy - tức là quyết định đến tốc độ

cháy của nhiên liệu Từ hệ phương trình toán học quá trình cháy của NLR,

chúng ta có thể xác định được quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu trong

điều kiện cháy không ổn định khi có đủ các số liệu đầu vào, điều kiện ban

đầu, điều kiện biên và điều kiện cháy của nhiên liệu

Chương 3 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH QUY LUẬT TỐC ĐỘ

CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU TRONG CÁC QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC

KHÔNG ỔN ĐỊNH CỦA ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN

3.1 Đặt vấn đề

Chương 2 luận án đã thiết lập và đưa ra phương pháp giải hệ phương

trình cháy không ổn định để xác định tốc độ cháy của NLR Sau đây luận

án sẽ trình bày phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu

trong các quá trình làm việc không ổn định của ĐTR Kết quả nghiên cứu

lý thuyết được áp dụng để xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu rắn

RSI-12M trong động cơ tên lửa

3.2 Thành phần và các đặc trưng hóa-lý của nhiên liệu rắn

Bảng 3.2 Một số đặc trưng vật lý của nhiên liệu rắn RSI-12M

TT Tên tham số, ký hiệu Đơn vị Giá trị

11

-3

+ 3,3.10-6.(T-273)

3.3 Xác định các tham số vùng cháy của nhiên liệu rắn trong điều kiện cháy ổn định

3.3.1 Các số liệu thực nghiệm đo tốc độ cháy và nhiệt độ trên bề mặt cháy của nhiên liệu rắn trong điều kiện cháy ổn định

Bảng 3.3 Một số giá trị thực nghiệm tốc độ cháy của nhiên liệu rắn RSI-12M và nhiệt độ trên bề mặt cháy của nhiên liệu rắn H trong điều kiện cháy ổn định với nhiệt độ ban đầu T 0=293 K

u 293 =9,631.10 -6 p 0,5160 (3.3) Tương tự, ta xác định được quy luật thay đổi nhiệt độ trên bề mặt cháy của nhiên liệu rắn RSI-12M trong điều kiện cháy ổn định là:

- Giải các phương trình cháy ổn định của NLR theo mục 2.5 của

chương 2 luận án ta xác định được các số tham số β S , φ, α,T(x), β(x)

Tính toán đối với nhiên liệu rắn RSI-12M theo các số liệu trong cột (2), (3), (4), (5) của bảng 3.4 ta xác định được giá trị các tham số vùng cháy

của nhiên liệu RSI-12M trong các cột (6), (7), (8) của bảng 3.4 Các đồ thị