Математическое обеспечение гидрогазодинамического эксперимента тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат физико-математических наук Валов, Илья Игоревич

• Валов, Илья Игоревич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Валов, Илья Игоревич

Введение.

Глава 1. Описание эксперимента в гидробаллистическом бассейне

Обзор литературы.

Глава 2. Математическое моделирование старта с использованием парогазового генератора.

Введение.

2.1. Описание конструкции модельного твердотопливного газогенератора.

2.2. Построение математической модели работы модельного твердотопливного газогенератора.

2.3. Описание конструкции модельного парогазового генератора.

2.4. Построение математической модели процесса образования парогазовой смеси.

2.5. Описание метода решения задачи.

2.6. Исследование численной схемы.

2.7. Описание модельного комплекса.

2.8. Построение математической модели движения модели ракеты на шахтном участке

2.9. Результаты расчета и их анализ.

Глава 3. Исследование процессов, сопровождающих выход ракеты из шахты

Введение.

3.1. Исследование процесса затопления ракетной шахты.

3.2. Исследование процессов силового нагружения элементов конструкции стенда.

Глава 4. Описание программного комплекса.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое обеспечение гидрогазодинамического эксперимента»

Создание баллистических ракет подводных лодок представляет собой сложную научно-техническую задачу, для решения которой требуется большое количество людских, временных, материальных и производственных ресурсов. Разработка морских баллистических ракет включает в себя этапы теоретической разработки, наземной экспериментальной и технологической отработки узлов и конструкций, летных испытаний. При этом важным и необходимым этапом при создании каждого нового разрабатываемого агрегата является его наземная экспериментальная отработка. Она должна подтвердить его работоспособность и надежность, правильность сделанных теоретических выкладок, а в случае несовпадения расчетных данных и результатов эксперимента указать на наличие неучтенных факторов, требующих в дальнейшем выявления и, как следствие, уточнения математической модели изучаемого объекта.

Многие десятилетия ведущим российским конструкторским бюро по созданию морских баллистических ракет является ОАО «Государственный Ракетный Центр имени академика В. П. Макеева». Характерной особенностью разработок Виктора Петровича Макеева и как Генерального конструктора, и как учёного, было проведение широкого фронта научно-исследовательских работ, базирующихся на многочисленных и разноплановых экспериментальных исследованиях и обеспечивающих в условиях все ужесточающихся требований поиск новых, зачастую пионерских, решений проблем разработки ракетных комплексов. Закономерным следствием такого подхода явилось создание на предприятии собственной экспериментальной базы, внесшей существенный вклад в рождение и плодотворное развитие отечественной школы морского ракетостроения, что является одним из важнейших достижений В. П. Макеева и по праву является его детищем.

Важной составляющей этой базы является гидродинамический комплекс, имеющий в своем составе гидробаллистический бассейн (ГБ), предназначенный для отработки на моделях подводного старта морских баллистических ракет и исследования сопутствующих гидродинамических и газодинамических процессов.

Эксперимент с применением методов физического моделирования позволяет решать широкий круг гидрогазодинамических задач, возникающих при разработке нового ракетного комплекса. Результаты модельного эксперимента затем с достаточно высокой степенью точности могут быть перенесены уже на натурные условия.

Большой вклад в теоретическое и экспериментальное исследование вопросов подводного старта внесли сотрудники ГРЦ, филиала ЦАГИ, BMA и ЦНИИМаш В. Г. Дегтярь, А. Д. Жаботинский, В. И. Пегов, Ю. П. Кабанов, Г. В. Логвинович, М. Г. Щеглова, О. П. Шорыгин, Ю. Ф. Журавлев, Е. Н. Ка-панкин, JI. А. Эпштейн, Е. Н. Мнев, В. Т. Чемодуров, В. А. Хотулев, Ю. М. Липмицкий и многие другие.

При подготовке и проведении модельного эксперимента в гидробаллистическом бассейне возникает ряд специфических задач.

В первую очередь необходимо сделать оценку принципиальной возможности выполнения требований теории моделирования и выбрать линейный масштаб моделирования, т. е. соотношение геометрических размеров натурной ракеты и ее модели. Конструктивные особенности гидробассейна и входящих в него систем накладывают определенные ограничения на массу модели, ее геометрические размеры, параметры используемых модельных двигателей и газогенераторов (энергоузлов), моделирующих работу соответствующих натурных энергетических средств старта. В последнее время в связи с поиском новых технических решений возник интерес к реализации старта с применением низкотемпературного парогазового генератора. При этом способе старта создается значительно более благоприятный температурный режим в шахте при выходе из нее ракеты и снижаются тепловые нагрузки на днище самой ракеты. Представляет большой практический интерес его исследование путем постановки модельных экспериментов в гидробаллистическом бассейне и математическое моделирование сопутствующих ему явлений (таких, как образование парогазовой смеси и выход под ее действием ракеты из шахты подводной лодки).

На следующем этапе необходимо сформулировать требования:

- к конструкции модельного комплекса, многократно выдерживающего нагрузки, действующие на его узлы и агрегаты (силы, давления, перегрузки, с учетом тепловых режимов и условий эксплуатации и т. д.)

- к системе измерения и регистрации, обеспечивающей с необходимой точностью получение параметров изучаемых физических процессов, с предварительной оценкой их диапазона и скорости нарастания измеряемых параметров;

- к системе управления - циклограмме подачи команд на исполнительные механизмы;

- к параметрам снаряжения и конструкции энергоузлов, моделирующих работу натурных энергетических средств старта.

Особенности модельного эксперимента накладывают на процесс создания и использования модельного энергоузла жесткие ограничения, обусловленные:

- обеспечением требований безопасности, надежности и многоразо-вости применения;

- необходимостью выполнения неоднозначных требований методик моделирования и корректировки этих требований в процессе проведения модельных испытаний, откуда следует многовариантность параметров снаряжения модельного энергоузла;

- необходимостью выполнения жестких требований к вилке "максимум-минимум" расходных характеристик энергоузлов, что также ведет к увеличению многовариантности параметров снаряжения;

Далее требуются исследования параметров процесса выхода модели ракеты из пусковой установки и сопутствующих ему процессов, таких как затопление модельной пусковой установки и развитие надшахтной газовой полости. Необходимость этих оценок вызвана следующим:

- исследование процесса выхода ракеты из пусковой установки является одной из основных задач, требующих подробного экспериментального исследования. Заказчик испытаний должен получить данные о скорости ракеты, ее ускорении на всем подводном участке траектории, что позволит сделать вывод о принципиальной возможности преодоления подводного участка при выбранном режиме энергетического средства старта, оценить, не повлияют ли действующие перегрузки отрицательно на бортовую аппаратуру и назначить время запуска маршевого двигателя;

- в процессе затопления пусковой шахты подводной лодки происходит ее силовое нагружение. Эти нагрузки достигают значительных величин, создавая вертикальное перемещение подводной лодки и в отдельных случаях выводя ее из коридора глубин стрельбы, что крайне неудобно в условиях залповой стрельбы. Эти силы также должны быть определены, а решение задачи об их снижении представляет отдельный практический интерес;

- указанные явления могут быть исследованы в условиях гидробассейна при постановке модельных экспериментов. При этом требуется дополнительно дать ответ о принципиальной возможности проведения эксперимента с точки зрения его безопасности. Формирование газовой надшахтной полости после выхода модели ракеты из шахты сопровождается увеличением давления в этой полости на значительную величину за сравнительно короткий период времени, что приводит к импульсному нагружению всей конструкции гидробассейна. Требуется заранее дать оценку величине нагружения, так как превышение ей некоторой величины, определяемой прочностными характеристиками гидробаллистического бассейна, является недопустимым. Кроме того, выходящая из-под воды модель ракеты имеет значительную скорость и массу, и нужно сделать вывод о возможности улавливания ее входящей в конструкцию гидробассейна специальной системой.

В этих условиях актуально применение вычислительной техники со специально разработанным программным обеспечением, позволяющим оперативно, с достаточной степенью точности проводить расчет параметров старта в модельных условиях с возможностью варьирования исходных данных (например, по параметрам снаряжения энергоузла) в широком диапазоне. Наличие надежной математической модели поможет экспериментатору также:

- сократить число дорогостоящих запусков энергоузла при его отработке;

- сократить число модельных бросковых испытаний;

- по ходу проведения испытаний обоснованно корректировать их условия;

- достоверно сформулировать требования к системе измерения, в части к выбору датчиков и регистрирующей аппаратуры.

В настоящее время среди проектантов ракетной техники получают распространение программные комплексы, созданные сторонними организациями и предназначенные для решения самых разнообразных задач газовой динамики с применением методов численного моделирования. Такие комплексы могут быть успешно применены в том числе и при разработке баллистических ракет подводных лодок. Например, в Государственном Ракетном Центре используются программный комплекс Р1о\уЛ/1зюп разработки московской компании «Тесис» и расширение пакета ЫАЗТКАМ. Эти программы показали свою высокую эффективность, расчет по ним проводится с высокой степенью точности.

Однако применение этих программных комплексов не исключает необходимости проведения экспериментальных исследований. Результаты расчета всегда требуют своего экспериментального подтверждения, поскольку всегда присутствует вероятность наличия неучтенных факторов, способных исказить ожидаемую картину явления. Кроме того, при подготовке модельного эксперимента важна оперативность его подготовки и проведения. Всегда проводится не один эксперимент, а их серия (что еще более ужесточает условие оперативности), и экспериментатор, используя доступное ему математическое обеспечение, должен иметь возможность в короткий срок просчитать несколько возможных вариантов снаряжения материальной части и внося коррективы в условия задачи, выбрать из них наиболее подходящий к конкретным условиям вариант.

Именно универсальность программ типа Р1о"\уУ{зюп имеет своим побочным эффектом то, что их код не является оптимизированным под конкретную задачу, а высокая точность требует значительного времени расчета (до нескольких суток). Следует отметить также, что математическое обеспечение, применяемое при подготовке модельного эксперимента, должно помочь оценить ожидаемые величины. То есть вполне допускается меньшая точность решения, полученного с его помощью, и возможно применение инженерных математических моделей изучаемого явления, требующих значительно меньше времени для своей программной реализации. Поэтому при подготовке модельного эксперимента актуальным является применение математического и программного обеспечения, специально разработанного для нужд экспериментатора.

Целью данной работы является создание математического обеспечения, ориентированного на использование при подготовке гидродинамического эксперимента в гидробаллистическом бассейне и включающего в себя:

- математическую модель работы экспериментальных двигателей и газогенераторов, в том числе парогазогенераторов;

- математическую модель движения ракеты на шахтном участке траектории;

- математические модели процесса затопления экспериментальной пусковой установки и процесса импульсного силового нагружения конструкции гидробассейна в результате развития надшахтной газовой полости;

- программный комплекс, позволяющий производить численный расчет по построенным математическим моделям.

При этом к разрабатываемому программному комплексу предъявляются все те же требования, что и к его коммерческим аналогам. То есть он должен:

- правильно представлять математическую модель и реализовывать численный метод ее расчета;

- не завершать работу аварийно в случае правильных действий пользователя; при этом должны отслеживаться наиболее распространенные пользовательские ошибки, и в этом случае программа должна выводить уведомление об ошибке и не запускаться на исполнение;

- допускать возможность оперативной корректировки входных данных;

- иметь удобные средства управления и легко осваиваться неподготовленным пользователем;

- представлять результаты расчета в привычном виде (графическом и табличном).

Кроме того, комплекс не должен предъявлять высоких требований к аппаратному обеспечению компьютера и существенно превосходить свои аналоги в плане быстродействия.

Научная новизна работы определяется:

- разработкой инженерной математической модели, предназначенной для оценки ожидаемых величин давлений, температур, скоростей потоков на основе анализа и упрощения системы уравнений газовой динамики в одномерной постановке, с учетом нестационарности процесса и наличия межфазовых переходов;

- разработкой инженерной математической модели движения ракеты на шахтном участке ее траектории под действием подаваемой в под-ракетный объем парогазовой смеси на основе анализа и дополнения системы уравнений, описывающей движение ракеты в шахте под действием продуктов сгорания твердого топлива;

- построением инженерной математической модели процесса затопления пусковой шахты после выхода из нее ракеты на основе анализа уравнений теории потенциала;

- построением инженерной математической модели процесса силового нагружения элементов конструкции гидробаллистического бассейна вследствие развития надшахтной газовой полости после выхода модели ракеты из шахты на основе анализа уравнений теории потенциала;

- построением алгоритма численного метода, предназначенного для расчета режимов работы парогазового энергетического средства старта на основе анализа схемы существующего численного метода и ее модификации, введением в рассмотрение дополнительной динамической структуры данных при реализации метода на ЭВМ и реализацией вспомогательного стохастического алгоритма;

- разработкой и обоснованием методики снижения нагрузок, действующих на пусковую установку при ее затоплении, путем анализа результатов физических экспериментов и численных расчетов;

Практическая значимость настоящей работы состоит в том, что ее результаты нашли применение при-подготовке, проведении и анализе результатов модельного эксперимента в гидробаллистическом бассейне Государственного Ракетного Центра, сокращая время на отработку режимов энергетического средства старта и подготовку модельных запусков, а также сокращая требуемое число самих запусков. Разработанное математическое обеспечение может быть успешно использовано при подготовке модельного эксперимента с применением парогазового энергетического средства старта.

Результаты работы докладывались на научных конференциях Челябинского Государственного Университета и Южно-Уральского Государственного Университета, научной конференции молодых специалистов Государственного Ракетного Центра, областной научной конференции «Будущее образования и науки — в руках молодых», всероссийской научной школе «Наука и технологии». По результатам работы выпущены 4 научно-технических отчета ГРЦ, опубликованы 7 работ, из них 2 в изданиях из списка ВАК. Получен один патент РФ на изобретение и 3 патента на полезную модель.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 137 страницах. Список литературы содержит 81 наименование. В первой главе дается описание технологии проведения эксперимента в гидробаллистическом бассейне и рассматриваются научные работы, посвященные процессам образования двухфазных смесей и численным методам их расчета. Вторая глава посвящена построению математической модели процесса образования низкотемпературной парогазовой смеси, разработке алгоритма численного метода, позволяющего рассчитать этот процесс, и подтверждению его практической применимости. В третьей главе исследуются процессы, сопровождающие выход модели ракеты из шахты в ходе эксперимента в гидробассейне. Четвертая глава рассказывает о разработанном программном комплексе, позволяющем проводить расчет по построенным математическим моделям. В заключении подводятся итоги работы.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Валов, Илья Игоревич

Заключение

В представленной работе построены инженерные математические модели основных процессов, происходящих при проведении модельного эксперимента в гидробаллистическом бассейне и включающие в себя:

- математическую модель работы твердотопливного газогенератора;

- математическую модель работы парогазового энергетического средства старта;

- математическую модель движения ракеты на шахтном участке ее траектории под действием подаваемой в подракетный объем парогазовой смеси;

- математическую модель процесса затопления ракетной шахты;

- математическую модель-процесса силового нагружения элементов конструкции гидробаллистического бассейна вследствие развития надшахтной газовой полости.

Разработан алгоритм численного метода, позволяющего рассчитать процесс образования парогазовой смеси при работе парогазового энергетического средства старта. Проведенное исследование подтвердило сходимость схемы предложенного численного метода.

Проведены практические расчеты по построенным математическим моделям с использованием созданного программного комплекса, сравнение их результатов и данных, полученных в ходе эксперимента, говорит о том, что разработанные математические модели описывают происходящие газодинамические процессы с достаточной для их практического применения степенью точности, а программное обеспечение правильно реализует эти математические модели.

Созданный программный ■ комплекс отвечает всем предъявленным к нему практическим требованиям, является работоспособным и может быть использован при подготовке и проведении модельных экспериментов в гидробаллистическом бассейне.

Использование данного комплекса в практической работе позволяет сделать вывод о принципиальной возможности осуществления осуществимости эксперимента в гидробассейне при установленных требованиях к масштабу моделирования, энергетическим средствам старта, динамике модели. Дает теоретическую основу для выбора параметров снаряжения модельного энергетического средства старта, приемлемого масштаба моделирования, снаряжения пусковой установки, средств измерения и регистрации. Сокращает число экспериментальных работ, требуемых для создания и отработки модельного энергоузла и позволяет более эффективно использовать имеющуюся материальную часть.

Созданный программный ■ комплекс внедрен в практическую работу ОАО «ГРЦ Макеева» и используется при отработке подводного старта в гидробаллистическом бассейне.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Валов, Илья Игоревич, 2011 год

1. Литература, посвященная вопросам моделирования и экспериментальной отработке подводного старта

2. Алексеев П. А., Макеев В. П., Соснин Б. А., Тамбулов Н. Ф. Решение задач динамики старта при разработке БРПЛ. // В сб. Баллистические ракеты подводных лодок России. Миасс, ГРЦ, 1997 г.

3. Белоцерковский С. М., Табачников В. Г. Экспериментальное исследование стационарных и нестационарных характеристик тел вращения. М., Труды ЦАГИ, вып. 896.

4. Григорьев Ю. П. Ракетно-стартовые системы. // В сб. Баллистические ракеты подводных лодок России. Миасс, ГРЦ, 1994 г.

5. Гульнев С. И., Капанкин Е. Н. Об особенностях кавитационного обтекания тел кавитационным потоком жидкости // Ученые записки ЦАГИ. 1975.-Т. VI.-№2.

6. Дегтярь В. Г. Методология проектирования стартовых систем баллистических ракет подводных лодок. М., Космонавтика и ракетостроение, вып. 3 (28), 2002 г.

7. Дегтярь В. Г. Методы расчета и практика применения энергетических средств старта баллистических ракет подводных лодок. М., Космонавтика и ракетостроение, вып. 4, 2003 г.

8. Дегтярь В. Г. Методы решения задач динамики и стабилизации баллистических ракет подводных лодок. М., Космонавтика и ракетостроение, вып. 4, 2003 г.

9. Дегтярь В. Г., Пегов В. И. Математические модели гидродинамики ракет. // Математическое моделирование: сборник научно-методических трудов. Челябинск, ЮУрГУ, 2003 г.

10. Дегтярь В. Г., Пегов В. И. Методы математического моделирования гидродинамики ракет. // Известия PAP АН, М., 2003 г. — вып. 1.

11. Дегтярь В. Г., Пегов В. И. Теоретическое исследование гидродинамики тела вращения при выходе его из цилиндрической полости. // В сб. Проблемы проектирования неоднородных конструкций. Миасс, 1999 г.

12. Дегтярь В. Г., Пегов В. И. Теоретическое исследование гидродинамики морских баллистических ракет. М., Космонавтика и ракетостроение, 2001 г.-вып. 22

13. Дегтярь В. Г., Пегов В. И. Гидродинамика баллистических ракет подводных лодок. Монография. Миасс, ГРЦ «КБ им. академика В. П. Макеева», 2004.

14. Дегтярь В. Г., Шальнев А. Г. Некоторые особенности стартовых систем БРПЛ. В сб. трудов научно-технической конференции ВОКОР 2000, СПб: 1 ЦНИИ МО - 2000.

15. Дегтярь В. Г., Мнёв Е. Н., Чемодуров В. Т. Подводный старт баллистических ракет морского базирования. Монография. ГРЦ «КБ им. академика В. П. Макеева» при участии ГУЛ «ВИМИ», 2001.

16. Жаботинский А. Д., Кабанов Ю. П. Модельные комплексы для исследований подводного старта, В сб., Доклады Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 50- летию Аэрокосмическогб факультета ЮУрГУ, 2007. .

17. Жаботинский А. Д., Кабанов Ю. П. Научно исследовательская база гидродинамики подводного старта морских ракет. Научно-техн. сборник РК Техника. Сер.Х1У, вып.1 (50), ч.1. Миасс, ГРЦ «КБ им. академика В.П. Макеева», 2004.

18. Жаботинский А. Д., Кабанов Ю. П. Особенность проектирования и разработки модельных комплексов для исследований подводного старта. -М.: Космонавтика и ракетостроение, 2007.№ 2(47).-С. 155-163.

19. Каргин В. Е., Косой Л. М., Прохоров А. А. О развитии лабораторно-экспериментальной базы КБ им. академика В. П. Макеева // В сб. Баллистические ракеты подводных лодок России. Миасс, ГРЦ, 1994 г.

20. Куприянов Э. В., Соколянский В. П., Шорыгин О. П. Дела подводные // Техника и вооружение, № 3 — 2006. С. 6-11.

21. Логвинович Г. В. Гидродинамика течений со свободными границами. // Труды ЦАГИ 1965. - № 935.

22. Маслов Л. А. Методы расчета обтекания тела вращения любой формы при произвольном движении в идеальной жидкости. // Ученые записки ЦАГИ. 1970. - Т. I. - № 2.

23. Пегов В. И., Тихонов Н. Н. Гидродинамика морских ракет. //В сб. Баллистические ракеты подводных лодок России — Миасс, 1994 г.

24. Полетаев Б. И. Математические модели динамики движения ракеты на подводном участке кавитационного старта с подвижного носителя. // В кн. Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сборник, СПб, 2001 г. вып. 24.

25. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике. М, ГИТТЛ, 1954 г.

26. Седов Л. И. О неустановившемся движении внутри жидкости тела вращения. // Труды ЦАГИ. 1940. - Вып. 515.

27. Соколянский В. П. Гидродинамические исследования в ЦАГИ // Наука и жизнь, № 11 -2008.

28. Сунцов Н. Н. Методы аналогии в аэрогидродинамике. М., Физматгиз, 1958 г.

29. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М., Мир, 1972 г. 381 с.

30. Щеглова М. Г., Махортых Г. В. Гидродинамические характеристики и распределение нагрузки на удлиненных телах вращения при произвольном движении. // Труды ЦАГИ. 1970. - Вып. 1237.

31. Щеглова М. Г., Огнев В. И. Результаты экспериментального исследования по формированию силы, действующей на цилиндр, при импульсивном и ускоренном движении. // Труды ЦАГИ. 1970. - Вып. 1379.

32. Эпштейн Л. А. Экспериментальное исследование кавитационных осе-симметричных течений в опытовом бассейне. // Труды ЦАГИ — 1958 — Вып. 710.

33. Эпштейн Л. А. Методы теории размерностей и подобия в задачах гидромеханики судов. Л., Судостроение, 1970 г. 208 с.

34. Литература по газовой динамике и динамике многофазных сред

35. Алемасов В. Е., Дрегалин А. Ф., Тишин А. П. Теория ракетных двигателей. М., Машиностроение, 1989 г. 464 с.

36. Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости. М., Мир, 1973 г.

37. Галиев Ш. У. Нелинейные волны в ограниченных сплошных средах. Киев, Наукова думка, 1988 г. 264 с.

38. Губайдуллин Д. А. Динамика двухфазных парогазокапельных сред (Монография). Казань. Издательство Казанского математического общества. 1998 г, 156 с.

39. Коул Р. Подводные взрывы. М., Иностранная литература, 1950 г. 496 с.

40. Крель Э. Руководство по лабораторной перегонке. М., Химия, 1980. 520 с.46,47,48,49,50