Численный анализ эрозии углеродсодержащего сопла с учетом нестационарного нагрева и изменения формы

Видеопрезентация: https://doi.org/10.2514/6.2022-3949.vid Для получения надежных прогнозов характеристик необходимо точно предсказывать эрозию сопла при работе твердотопливных ракетных двигателей и гибридных ракетных двигателей. Кроме того, принципиально важно правильно определять размеры абляционной теплозащитной системы (TPS), обеспечивая малую массу конструкции (то есть минимальную толщину) и предотвращая чрезмерный нагрев. В связи с этим необходимы надежные численные модели для точного прогнозирования термохимического и теплофизического поведения абляционной теплозащитной системы. Цель данной работы заключается в численном исследовании сопряженного влияния абляции сопла и теплофизического отклика его материала. Для этого выполнены осесимметричные расчеты вычислительной гидродинамики (CFD) с граничными условиями абляции с учетом конечных скоростей химических реакций, а также расчеты с использованием недавно разработанного инструментария анализа пористых материалов на базе OpenFOAM (PATO). Сначала были сформированы таблицы термохимической абляции с учетом конечных скоростей реакций для применения к соплам двигательных установок, после чего они были переданы в PATO. Основные преимущества использования этих таблиц продемонстрированы путем сравнения с классическим подходом химического равновесия. Результаты, полученные при слабом сопряжении расчетов CFD и моделирования отклика материала с использованием как таблиц абляции с конечными скоростями реакций, так и равновесных таблиц, подтверждены сравнением с данными огневых испытаний малогабаритного твердотопливного ускорителя Space Shuttle с углерод-фенольным соплом.