Исследование газодинамических и гидродинамических процессов при импульсном режиме течения через вращающиеся и неподвижные каналы с сетчатой структурой при дозвуковых и сверхзвуковых скоростях в потоке (этап 2, промежуточный)

Цель этапа работы: формирование теоретической и экспериментальной базы в рамках исследования газодинамических и гидродинамических процессов при импульсном режиме течения многофазных потоков. Объект исследования - совокупность газодинамических и гидродинамических процессов при импульсном режиме течения через вращающиеся и неподвижные каналы с сетчатой структурой. Методология проведения работы: экспериментальные и теоретические методы изучения газодинамических и гидродинамических процессов с использованием методологий прототипирования и аддитивных технологий. Результаты работы и их новизна: в рамках выполнения поставленных задач, на втором этапе исследований впервые рассмотрены особенности рабочего процесса гибридной сетчатой турбины и эжектора при вращении камеры смешения с импульсным режимом течения жидкости и газа. В ходе физических и численных экспериментов рассмотрены экстремальные условия истечения жидкости и газа через сопло, оснащенное системой управления вектором скорости (вектором тяги), в диапазоне регулирования для угла отклонения вектора скорости (вектора тяги) от плюс 180 градусов до минус 180 градусов, в пределах геометрической сферы. Разработан и запатентован прототип новой сетчатой турбины, оснащенной поворотной цилиндрической диафрагмой для управления вектором скорости на выходе из сопла. На втором этапе исследований результатами компьютерного моделирования подтверждена возможность создания струйной системы, позволяющей регулировать угол отклонения вектора скорости (вектора тяги) в диапазоне от плюс девяносто градусов до минус девяносто градусов в пределах геометрической полусферы, для условий применения сопла с одним выходным каналом. Показано, что при использовании сопла с двумя выходными каналами существуют возможности для регулирования угла отклонения вектора скорости (вектора тяги) в пределах геометрической сферы. Новые расчетные данные представлены в дополнение к ранее опубликованным результатам физических экспериментов, проведенных в лабораторных условиях на первом этапе работ. На втором этапе исследований впервые исследованы особенности газовых и жидкостных потоков в каналах турбин, выполненных по аналогии с турбиной Эйлера, в ходе численных и физических экспериментов изучены газодинамические и гидродинамические процессы в гибридных турбомашинах, обладающих качествами лопаточных машин и эжекторов. Разработаны основные принципы для реализации эжекторного процесса в каналах турбомашины. Разработан прототип струйной системы, работающей при вращении нескольких камер смешения в сетчатом эжекторе. На втором этапе исследований рассмотрены варианты формирования проточных сетчатых каналов, выполненных в виде системы эжекторов, соединенных по параллельной схеме. При рассмотрении этих вариантов расчетным методом определяли донное давление в эжекторе и выявили некоторые условия для возникновения автоколебаний в проточной части эжектора. Сделано предположение, что автоколебания тесно связаны со скоростью звука и с длиной канала, в границах от выходного сечения диффузора до пробки (перекрывшей вторичный поток). Анализ полученных данных показывает: отмеченное предположение о взаимосвязи параметров может иметь место, и может потребоваться отдельное и более глубокое изучение отмеченных сложных газодинамических процессов в неподвижных каналах у сетчатых эжекторов, поскольку известно, что донное давление в ряде случаев существенно зависит от длины проточной части одиночного эжектора. В рамках проводимых фундаментальных исследований на обсуждение впервые вынесен вопрос о турбонасосных системах, в которых отдельные участки ротора попеременно циклически выполняют либо функции турбины, либо функции насоса (или компрессора, в зависимости от типа перекачиваемой среды). Обеспечивается преобразование кинетической энергии рабочего газа (или жидкости) в механическую энергию при вращении сетчатого ротора, и далее определенная часть энергии может передаваться дополнительному потоку газа (или жидкости). Проницаемая сетчатая стенка может иметь форму тела вращения (сфера, полусфера, цилиндр, конус, тор или другая геометрическая форма), также может иметь форму плоской фигуры или форму другой более сложной геометрической фигуры с криволинейными и плоскими поверхностями. Проточные каналы в проницаемой стенке могут иметь самую различную геометрическую форму, в зависимости от решаемой технологической задачи. В частности, если цикл Гемфри, а в перспективе и процесс детонационного горения топливовоздушной смеси, вписать в рабочей процесс струйного аппарата и лопаточной машины, то необходимо адаптировать новую лопаточную машину к высоким импульсным нагрузкам, меняющимся во времени с высокой частотой. Сетчатая структура проточных каналов в лопаточной машине для таких условий видится весьма перспективной. Новизна разработанных технических и технологических решений подкреплена патентами, по итогам первого этапа исследований получены: - патенты на полезные модели №203833 и №203924; - патент на изобретение №2750833. По итогам второго этапа исследований, в патентном ведомстве РФ в декабре 2021 года зарегистрированы две заявки на изобретения №2021136705 и №2021136707, и одна заявка на полезную модель №2021136706. В рамках выполнения поставленных задач, на втором этапе фундаментальных исследований выполнено формирование теоретической и экспериментальной базы для исследования газодинамических и гидродинамических процессов при импульсном режиме течения многофазных потоков. Определены основные направления работ по развитию научных исследований в рамках проекта на следующих этапах. В том числе подготовлен научный задел для развития методов проектирования компрессорной и насосной техники с использованием турбомашин с профилями лопаток нового поколения, позволяющими обеспечить снижение шума, виброактивности и повышение энергоэффективности. Выполнены предварительные расчеты и созданы прототипы базовых элементов для развития методов проектирования тепловых машин с использованием турбомашин с профилями лопаток нового поколения, позволяющими повысить энергоэффективность, в том числе в условиях детонационного горения различных смесей топлива и окислителя. Подготовлены первичные заявочные документы для патентования новых технических и технологических решений на следующих этапах исследований. Область применения результатов включает в себя энергетику, в том числе добычу и переработку нефти и газа. Результаты проводимых исследовательских работ могут быть использованы в области робототехники и в области авиационных и морских транспортных систем различного назначения, с возможной разработкой беспилотных аппаратов гражданского или двойного назначения. Рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов НИР: результаты проводимых фундаментальных исследований рекомендуется внедрять при создании перспективных турбомашин, имеющих сетчатую структуру проточных каналов, в том числе при создании перспективных технологий для сжатия и перекачки различных газов (метан, попутный нефтяной газ, азот, углекислый газ, воздух, водород или смеси газов). Также рекомендовано рассмотреть перспективу применения результатов исследований при создании двигателей, в которых горение топливовоздушной смеси осуществляется при постоянном объеме, по подобию с детонационными двигателями. Отдельные результаты проводимых исследовательских работ рекомендуется использовать при создании перспективных беспилотных аппаратов воздушного и морского базирования, которые могут быть использованы в ходе исследовательских, спасательных или поисковых работ. Экономическая эффективность или значимость работы: опубликованные научные статьи и патенты на изобретения свидетельствуют о том, что научно-технический уровень проводимой исследовательской работы позиционируется выше сложившегося мирового уровня. Выполняемые фундаментальные исследования позволят создать широкую базу знаний, обеспечивающую решение актуальных проблем в отечественной промышленности, с повышением эффективности машин и технологий. При этом на мировом уровне отечественная наука и производство смогут занять лидирующую позицию в этом научном и технологическом направлении.