Пространственное моделирование режимов формирования экстремально расширяющихся струй криогенных жидкостей в условиях низких давлений и температур

Объектами исследования являются динамические процессы, сопровождающие истечение струи криогенного жидкого азота. Цель проекта – численное моделирование и исследование процесса формирования экстремально расширяющейся струи в вакуумном пространстве при ее распылении из тонкого цилиндрического канала, сопровождающегося взрывным вскипанием в реакционной камере за счет лавинного роста микропузырьков пара в перегретом жидком азоте. На основе двухфазной модели парожидкостной смеси в двухтемпературном, однодавленческом, двухскоростном приближениях с кинетикой испарения, учитывающей переходные режимы от пузырькового течения к парокапельному, исследованы неравновесные массообменные процессы испарения и конденсации, возникающие при вскипании струи жидкого азота, истекающей из тонкого сопла в вакуумную атмосферу. Численная реализация предложенной модели осуществлена с помощью созданного авторами решателя в среде OpenFOAM. Получены расчетные распределения скоростей для двух степеней перегрева, аналогичных эксперименту (Rees A., Salzmann H., Sender J., Oschwald M., 2019). В расчетах установлено, что увеличение степени перегрева приводит к увеличению угла распыления струи и возрастанию скоростей в основном струйном потоке. Проведен сравнительный анализ численных расчетов с экспериментальными точками по значениям массовых скоростей, углов раскрытия струи и фотографиями моделируемых экспериментов. Полученные численные расчеты имеют удовлетворительное согласование с экспериментальными данными. Проведенные в настоящей работе численные исследования по анализу зависимости угла распыления струи жидкого азота от степени перегрева показали, что наибольший угол распыления имеет место в ближней зоне сопла. Повышение степени перегрева приводит к увеличению угла раскрытия струи. По мере удаления от сопла угол распыления уменьшается, что согласуется с экспериментальными данными. Расчеты выявили особенности формирования направлений скоростей газокапельного потока при степени перегрева Rp3 = 52.3, обусловленные образованием возвратных течений, образующих угол распыления струи θ°≈180°, фиксируемый в экспериментах. Результаты моделирования для начальной степени перегрева ps(Tinj)/pc=60 на момент времени t = 120 мс имеют достаточно равномерное мелкодисперсное распределение капель в вакуумной камере по сравнению с результатами, полученными при анализе полей водосодержаний при более низких степенях перегрева. На основе ранее разработанного метода построения уравнения состояния (УС) для жидкости и пара получено термодинамически согласованное уточненное аналитическое УС для жидкого и газообразного азота молекулярной фазы. Полученное УС азота для жидкой и паровой молекулярных фаз, справедливо в области высоких давлений и температур, включая критическое состояние. Новое УС азота удовлетворительно согласуется с расчетными таблицами (В.В. Сычев и др., 1977) не только по давлению, но и адиабатической скорости звука в широком диапазоне давлений, плотностей и температур. Проведенные в Проекте исследования имеют особую важность при разработке ракетных двигателей, работающих в условиях криогенных температур и низких давлений, поскольку детальный анализ распределения в вакуумной камере фаз флюида, диаметра и концентрации капель нацелен на определение оптимальных режимов, приводящих в дальнейшем к интенсификации реактивной тяги ракетного двигателя.