Investigation of a two-phase flow in the nozzles of solid-propellant rockets
This study presents numerical results for a steady quasi-one-dimensional two-phase flow in a Laval nozzle, accounting for the coagulation, breakup, and rotation of droplets in the condensed phase. The mathematical model is based on a multicomponent continuum approach combined with a quasi-steady solution method; second-order numerical schemes are used for spatial integration. Several inlet droplet-size distributions obtained from an intrachamber combustion simulation are examined to assess their impact on the two-phase losses and flow structure. Comparisons with the lognormal and truncated logarithmic laws show that, for some flow regimes, deviations from the classical lognormal distribution have little effect on thrust characteristics, whereas in other cases the influence is significant. The results show that both the mass fraction of the condensed phase and the choice of inlet distribution shape can noticeably affect the reduction of the specific impulse. The study illustrates the evolution of droplet sizes along the nozzle and identifies the conditions under which the impact of the distribution shape becomes important. Future work will extend the proposed approach to the entire internal flow path of a solid-propellant rocket motor.
Keywords
Laval nozzle,
two-phase quasi-one-dimensional flow,
distribution function,
two-phase losses,
mathematical modelingAuthors
| Larkin Dmitriy O. | Tomsk State University | d.m.i.t.r.y.l.a.r.k.i.n@mail.ru |
| Eremin Ivan V. | Tomsk State University | iveremin@niipmm.tsu.ru |
Всего: 2
References
Стернин Л.Е. Основы газодинамики двухфазных течений в соплах. М.: Машиностроение, 1974. 212 с.
Attili A., Favini B., Di Giacinto M. Numerical Simulation of Multiphase Flows in Solid Rocket Motors // 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit 2-5 August 2009, Denver, Colorado, AIAA Paper. 2009. P. 1-19.
Dupays J., Fabignon Y., Villedieu P., Lavergne G., Estivalezes J.L. Some Aspects of Two-Phase Flows in Solid-Propellant Rocket Motors // Progress in Astronautics and Aeronauti cs. AIAA Reston, VA. 2000. V. 185. P. 859-883.
Де Лука Л.Т., Галфетти Л., Северный Ф., Меда Л., Марра Ж., Ворожцов А.Б., Седой B.C., Бабук В.А. Горение смесевых твердых топлив с наноразмерным алюминием // Физика горения и взрыва. 2005. Т. 41, № 6. С. 80-94. doi: 10.1007/s10573-005-0080-5.
Hunter S.C., Cherry J.P., Kligel J.P., Waldman C.H. Gas-particle nozzle flows with reaction and particle size change. Lecture notes in physics. // AIAA Paper. 1981. № 37. P. 1-14. doi: 10.2514/6.1981-37.
Глотов О.Г Конденсированные продукты горения алюминизированных топлив. II. Эво люция частиц при удалении от поверхности горения // Физика горения и взрыва. 2000. Т. 36, № 4. С. 66-78. doi: 10.1007/BF02699478.
Глотов О.Г., Ягодников Д.А., Воробьев В.С., Зарко В.Е., Симоненко В.Н. Воспламенение, горение и агломерация капсулированных частиц алюминия в составе смесевого твердого топлива. II. Экспериментальные исследования агломерации // Физика горения и взрыва. 2007. Т. 43, № 3. С. 83-97. doi: 10.1007/s10573-007-0045-y.
Jackson T.L., Najjar F.M., Buckmaster J. New Aluminum Agglomeration Models and Their Use in Solid-Propellant-Rocket Simulations // J. Propul. Power. 2005. V 21 (5). P. 925-936. doi: 10.2514/1.11888.
Najjar F.M., Ferry J.P., Haselbacher A., Balachandar S. Simulations of Solid-Propellant Rockets: Effects of Aluminum Droplet Size Distribution // Journal of Spacecraft and Rockets. 2006. V. 43 (6). P. 1258-1270. doi: 10.2514/1.17326.
Jeenu R., Pinumalla K., Deepak D. Size distribution of particles in combustion products of aluminized composite propellant // J. Propul Powe. 2010. V 26 (4). P. 715-723. doi: 10.2514/1.43482.
Рашковский С.А. Модель нестационарного горения твердых топлив с накоплением конденсированных продуктов на поверхности горения // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2023. № 86. С. 104-119. doi: 10.17223/ 19988621/86/8.
Бабук В.А., Будный Н.Л., Куклин Д.И., Низяев А.А. Модель эволюции многофазного потока продуктов сгорания в камере двигательной установки и результаты ее численного анализа // Известия российской академии ракетных и артиллерийских наук. 2020. № 1 (111). C. 53-60.
Крайко А.Н., Нигматулин Р.И., Старков В.К., Стернин Л.Е. Механика многофазных сред // Итоги науки и техники. Гидромеханика. М.: ВИНИТИ, 1972. № 6. С. 93-174.
Васенин И.М., Архипов В.А., Бутов В.Г., Глазунов А.А., Трофимов В.Ф. Газовая динамика двухфазных течений в соплах. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1986. 264 с.
Рычков А.Д. Математическое моделирование газодинамических процессов в каналах и соплах. Новосибирск: Наука, 1988. 222 с.
Пирумов У.Г. Обратная задача теории сопла. М.: Машиностроение, 1988. 240 с.
Ворожцов А.Б., Глазунов А.А., Де Лука Л.Т., Кувшинов Н.Е., Еремин И.В., Тырышкин И.М., Фассина М. Влияние применения наноалюминия на газодинамику высокоэнергетических установок // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2014. № 2 (28). С. 45-57.
