Исследование методов управления системой активной тепловой защиты

1. САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ КАФЕДРА СИСТЕМ И ТЕХНО

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ
КАФЕДРА СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ
СИСТЕМОЙ АКТИВНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ
Студентка гр. 43503/12:
Вьюнкова Евгения Андреевна
Научный руководитель:
Саваровский Александр Александрович
Санкт-Петербург
2014

2.

1. Проблема и актуальность
-2-
Проблема
Интенсивный
аэродинамический
нагрев
элементов
конструкции, таких как передние кромки аэродинамических
поверхностей,
носовые
части,
входные
устройства
воздухозаборников и др.
Актуальность проблемы
Охлаждение горячих поверхностей при больших значениях
теплового потока является необходимым условием для
осуществления крейсерского гиперзвукового полета в плотных
слоях атмосферы.

3.

2. Цель и задачи
-3-
Цель
Исследовать методы управления системой активной
тепловой защиты и определить наиболее эффективный метод
управления.
Задачи
Рассмотреть способы обеспечения тепловой защиты и
непосредственно методы управления системой активной
тепловой защиты.
Выполнить математическое моделирование системы активной
тепловой защиты и определить основные показатели
эффективности ее работы.
Выполнить анализ полученных численных результатов и дать
оценку возможности управления системой активной тепловой
защиты на их основе.

4.

3. Описание математической модели
-4-
Метод расчета ТХР
Плоский ТХР представляет собой
параллелепипед, одна из стенок которого (для
определенности верхняя) нагревается снаружи,
изнутри она покрыта катализатором, нижняя
стенка теплоизолирована. На верхней стенке
ставились граничные условия
первого ( Т=Тст) или второго ( T
q) рода,
y
Рисунок 1 -Пример модели плоского
термохимического реактора
прямоугольного сечения, h << l
Рассматривались химические реакции:
СТ
где q - удельная плотность теплового потока.
На вход ТХР подается равномерно
перемешанная смесь паров углеводорода и воды
с известными параметрами Рвх, Твх и Gвх.
CH 4 H 2 O 3H 2 CO
При решении задачи использовались следующие условия:
CO H2O H2 CO2
1 - Приближение узкого канала (h<<l).
μэфф = μ+μт ) .
3 - Модель химически равновесного течения (τхим<<τгаз).
2 - Квазиламинарное приближение (

5.

3. Описание математической модели
-5-
Система уравнений Навье-Стокса
* Ю.В. Лапин, М.Х. Стрелец. Внутренние течения газовых смесей. М., «Наука», 1989

6.

4. Численное исследование методов управления
системой активной тепловой защиты
-6-
Сравнение результатов численного расчета с
экспериментальными данными
Распределение температуры нагреваемой стенки
по длине канала реактора
Распределение мольной концентрации водорода,
получаемого в результате реакции паровой
конверсии, по длине канала

7.

4. Численное исследование методов управления
системой активной тепловой защиты
-7-
Основные показатели эффективности
работы системы активной тепловой защиты
Снижение температуры теплонапряженной
увеличение теплосъема со стенки).
стенки
(либо
Увеличение мольной концентрации водорода в
углеводородной
смеси,
прошедшей
через
термохимического реактора.
пароканал

8.

4. Численное исследование методов управления
системой активной тепловой защиты
-8-
Была произведена серия расчетов с граничными условиями 2-го
рода и варьированием начальных параметров для улучшения основных
показателей эффективности работы системы активной тепловой защиты и
решения двух основных задач:
Обеспечение эффективного охлаждения теплонапряженной
поверхности термохимического реактора.
Получение высокоэффективного топлива с высокой мольной
концентрацией водорода.

9.

4. Численное исследование методов управления
системой активной тепловой защиты
-9-
4.1. Изменение расхода химически реагирующей смеси
Распределение температуры смеси T
по длине канала L

10.

4. Численное исследование методов управления
системой активной тепловой защиты
-10-
4.1. Изменение расхода химически реагирующей смеси
(продолжение)
Распределение мольной концентрации метана в
смеси по длине канала L
Распределение мольной концентрации водорода в
смеси по длине канала L

11.

4. Численное исследование методов управления
системой активной тепловой защиты
-11-
4.2. Изменение начальной температуры химически реагирующей смеси
Распределение температуры смеси T
по длине канала L
Графики зависимости выходных параметров для серии расчетов 2.1 – 2.3 при трех
различных значениях T_вх:
«2.1» при Tвх = 473 К, «2.2» при Tвх = 573 К, «2.3» при Tвх = 673 К.

12.

4. Численное исследование методов управления
системой активной тепловой защиты
-12-
4.2. Изменение начальной температуры химически реагирующей смеси
(продолжение)
Распределение мольной концентрации метана в
смеси по длине канала L
Распределение мольной концентрации водорода в
смеси по длине канала L
Графики зависимости выходных параметров для серии расчетов 2.1 – 2.3 при трех
различных значениях T_вх:
«2.1» при Tвх = 473 К, «2.2» при Tвх = 573 К, «2.3» при Tвх = 673 К (продолжение).

13.

4. Численное исследование методов управления
системой активной тепловой защиты
-13-
4.3. Изменение ширины канала реактора
Распределение температуры смеси T
по длине канала L
Графики зависимости выходных параметров для серии расчетов 3.1 – 3.3 при трех
различных значениях h:
«3.1» при h = 3 мм, «3.2» при h = 4 мм, «3.3» при h = 5 мм.

14.

4. Численное исследование методов управления
системой активной тепловой защиты
-14-
4.3. Изменение ширины канала реактора
(продолжение)
Распределение мольной концентрации метана в
смеси по длине канала L
Распределение мольной концентрации водорода в
смеси по длине канала L
Графики зависимости выходных параметров для серии расчетов 3.1 – 3.3 при трех
различных значениях h:
«3.1» при h = 3 мм, «3.2» при h = 4 мм, «3.3» при h = 5 мм (продолжение).

15.

4. Численное исследование методов управления
системой активной тепловой защиты
-15-
Анализ полученных результатов и оценка
возможности управления системой с их помощью
Варьирование большинства входных параметров ведет одновременно к
двум противоположным результатам: при улучшении одного из
показателей эффективности снижается второй.
Основная задача - подбор входных параметров системы и варьирование
в ходе полета с целью обеспечения оптимального баланса между
охлаждением теплонагруженных поверхностей и получением
высокоэффективного водород-содержащего топлива на каждом
режиме полета.
Наиболее эффективное управление работой системы активной
тепловой защиты может быть достигнуто применением комбинации из
нескольких управляющих воздействий.

16.

5. Результаты и выводы
-16-
Произведена серия расчетов с
граничными условиями 2-го рода
Обеспечение эффективного
охлаждения теплонапряженной
поверхности термохимического
реактора
Получение минимального
необходимого уровня водорода,
выделяемого в ходе реакции
паровой конверсии метана
Эффективное управление
Комбинация из нескольких управляющих воздействий

17.

5. Результаты и выводы
-17-
Рассмотрены основные принципы обеспечения тепловой защиты
для теплонапряженных поверхностей.
Обоснована математическая модель работы системы активной
тепловой защиты.
Проведены обширные расчетные исследования при решении
задачи с граничными условиями 2-го рода.
Выявлены и устранены недостатки математической модели.
Выполнен анализ полученных данных.
Определены наиболее эффективные методы
режимами работы системы активной тепловой защиты.
управления

18.

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ
СИСТЕМОЙ АКТИВНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ
Спасибо за внимание!