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

В проекте предполагаются исследования, связанные с теоретическим изучением процессов формирования экстремально расширяющихся струй криогенных жидкостей при распылении из тонкого цилиндрического канала в вакуумную камеру, обусловленных взрывным вскипанием и повышением давления за счет лавинного роста микропузырьков пара. Актуальность таких исследований следует из важности проблемы обеспечения безопасности освоения космического пространства, защиты окружающей среды и направлены на достижение надежности функционирования, эффективности и снижения стоимости двигателей космических аппаратов, использующих безопасные топливные элементы такие, как комбинация жидкого кислорода и водорода или метана. Распыление в вакуумную атмосферу космоса подобных криогенных жидкостей сопровождается спонтанным вскипанием, за счет которого достигаются высокие скорости истечения струи с формированием мелкодисперсных капель с большим углом раскрытия струи. Важность анализа распределения в вакуумной камере фаз флюида, диаметра, концентрации и температуры микрокапель состоит в определении оптимальных режимов, приводящих в дальнейшем к успешному воспламенению, с целью интенсификации реактивной тяги ракетного двигателя. Научная новизна проекта заключается в предлагаемых новых подходах при теоретическом и численном исследовании обозначенной проблемы на основе планируемой разработки новой пространственной модели многофазной газо- парожидкостной среды, основанной на законах сохранения массы, импульса и энергии каждой фазы в соответствии с одно- или двухскоростным, двухтемпературным приближениями в трехмерной постановке с учетом межфазного сопротивления, контактного теплообмена и энерго- и массообменных процессов испарения и конденсации. Для описания термодинамических свойств изучаемой криогенной жидкости будет построено новое широкодиапазонное уравнение состояния жидкости и пара в аналитической форме Ми-Грюнайзена с использованием методики, ранее разработанной участниками проекта. Компьютерное моделирование исследуемой проблемы будет реализовано методами численного моделирования высокой точности и скорости сходимости, основанными на современных средствах таких, как пакет вычислительной гидродинамики OpenFOAM, программное обеспечение Lazarus и графические редакторы GIMP и ParaView, визуализирующие полученные решения. Будут созданы новые решатели на базе программного комплекса OpenFOAM в соответствии с построенными математическими моделями для сформулированных в проекте задач. Тестирование и исследование полученных решений будет проводиться путем сравнения с аналитическими подходами и новыми экспериментальными данными (Rees et al.,2019), (Rees et al.,2020) по взрывному вскипанию перегретого криогенного жидкого азота с формированием кавитирующей струи в камере, поддерживающей давление, близкое к вакууму. Планируется проведение численных исследований с привлечением параметрического анализа по влиянию начальных условий на эволюцию во времени формы и структуры формирующейся парожидкостной вскипающей криогенной струи азота и пространственное распределение капель и их размера. Предлагаемые новые решения для выдвинутой научной проблемы и подходы особенно важны и актуальны, так как позволяют получить рекомендации при разработке малых ракетных двигателей и устройств, работающих на реактивной тяге в условиях вакуумной атмосферы и криогенных температур.