CC BY
10
VI. Выводы и заключение
Таким образом, применение вихревой трубы для исследования работы термопатрона ГТД позволяет избежать установку двигателя в термокамеру и во много раз снизить затраты на проведение испытаний, так как расход воздуха через вихревую трубу составляет около 1% расхода воздуха через двигатель (Ge.Bt<0.01 GE.ri^).
Список литературы
1. Бакулев В. И. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: учеб. М.: МАИ, 2003. 288 с.
2. Кузнецов В. И., Макаров В. В. Вихревая труба: эксперимент и теория. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2016. 239 с.
УДК 629.76.001.57
МЕТОДИКА ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ
К. А. Рожаева
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-46-50
Аннотация - Цель исследования - обеспечение качества процесса проектирования на этапе научно-исследовательских работ по разработке активной бортовой системы спуска отработанных ступеней ракет-носителей с жидкостными ракетными двигателями путем моделирования процесса газификации невыработанных остатков топлива в баках.
Предложены расчетная методика процесса газификации жидких остатков компонентов ракетного топлива в баке, позволяющая за счет поиска и устранения ошибок в алгоритме вычислений повысить достоверность результатов расчета, а также экспериментальная методика моделирования процесса испарения модельной жидкости в ограниченной емкости экспериментальной установки, позволяющая вследствие отбраковки недостоверных измерений на основе приведенных критериев и вовремя обнаруженных неисправностей повысить достоверность результатов экспериментальных исследований, снизить затраты на проведение экспериментов.
Ключевые слова: качество, достоверность, проектирование, газификация, допущения, модель.
1.Введение
В рассматриваемом исследовании на этапе научно-исследовательских работ в качестве основной характеристики объекта, входящей в его качество, применяется критерий достоверности научных результатов.
Оценить достоверность получаемых результатов исследований - значит, установить степень близости результатов численных и экспериментальных исследований. При этом, учитывая такие влияющие на конечный результат факторы, как: различные преобразования, допущения и упрощения в математической и физической моделях, использование неправильных размерностей, человеческий фактор, внешние условия проведениях эксперимента, которые ведут к появлению погрешностей и различного рода ошибок, требующие их минимизации.
На этапе научно-исследовательских работ традиционно использовались методы обеспечения достоверности теоретических результатов путем использования известных решений для исследуемого процесса и лицензионные программные продукты, подтверждаемые экспериментами и удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментальных данных.
Проведенный анализ современного уровня теоретических и практических достижений в области обеспечения качества на ранних этапах проектирования сложных технических систем российских ученых: В.А. Васильев, А.Л. Ахтулов, А.В. Альбрехт, Д.Л. Головин и др., а также зарубежных ученых: B.H. Anderson, V. Roshan Joseph, Harriet Black Nembhard показал, что существует необходимость в совершенствовании подходов, концепций и методик обеспечения качества теоретико-экспериментальных исследований, то есть создание обобщенной характеристики результатов исследования, оценивающей их объективность, глубину, новизну и полезность [1-5].
При создании элементов ракетно-космической техники, не имеющей прототипов, основные требования к создаваемой системе находятся в стадии формирования, и соответствующие методы исследования требуют дополнительной доработки. Соответственно, база для сравнений, как правило, отсутствует, и, соответственно, вероятность ошибочных проектных решений достаточно велика [6].
Таким образом, возникает необходимость в проведении экспериментальных исследований для обоснования объективности, достоверности разрабатываемых методик научно-исследовательских разработок, на основании которых формируется техническое задание на следующий этап проектирования, в частности, на аванпроект.
Практическая реализация связана со значительными финансовыми и временными затратами, поэтому минимизация ошибок (методических, механических и других) является крайне актуальной.
II. Теория
При проведении теоретико-экспериментальных исследований процесса функционирования активной бортовой системы спуска предлагается систематизировать и адаптировать существующие методы поиска ошибок для рассматриваемой задачи; использовать систему критериев достоверности получаемых результатов (теоретических и экспериментальных) на каждом этапе исследований на основе фундаментальных законов, обеспечивающих выявления методических, технических нарушений при составлении математических и физических моделей; в ходе теоретико-экспериментальных исследований предусматривать параллельность для возможности их сопоставления (например, параллельно проведению эксперимента на стенде в реальном масштабе проводить расчеты на компьютере с использованием результатов физических измерений со стенда); при составлении математических и физических моделей при введении допущений учитывать вносимые этим погрешности; обязательная верификация математической модели.
На рис. 1 представлен алгоритм методики обеспечения качества теоретико-экспериментальных исследований. Предлагаемая методика охватывает математическое и физическое моделирование, для каждого из которых представлена совокупность механизмов повышения достоверности получаемых результатов исследований, что в конечном итоге позволяет обеспечить качество разработки методики проектирования реальной системы.
В ходе интегрирования уравнений математической модели для контроля текущих результатов использована система критериев обеспечения достоверности получаемых результатов на основе соблюдения основных фундаментальных законов: первый закон термодинамики, второй закон термодинамики [7].
1. Температура участников теплообмена подчиняется второму закону термодинамики, показывающего направленность протекающих процессов:
T > T > T > T > T > T , (1)
tth >1 Г >1 Ж >1 ПЛ >1 СТЕКЛО >1 СТАЛЬ ■' v '
где T - температура теплоносителя, газа, пластины, стеклянной и стальной стенок экспериментальной модельной установки. Поскольку теплоноситель обладает наибольшей температурой и является единственным источником передачи тепла.
2. Тепловая энергия теплоносителя равно распределена между участниками теплообмена, согласно закону изменения внутренней энергии каждого участника:
^ТН > UY > иж > ипл > UСТЕКЛО > ^СТАЛЬ > (2)
где U=cmAT - внутренняя энергия участников теплообмена: теплоносителя, газа, стеклянной и стальной стенок.
3. Согласно закону сохранения энергии, вся вносимая энергия теплоносителем в экспериментальную модельную установку расходуется на изменение внутренней энергии участников и теплообмен между участниками:
@ТН = Qr + Qж + ИСТЕКЛО + УСТАЛЬ + @ПЛ — @Др. (3)
4. Давление газа внутри экспериментальной модельной установки должно быть больше атмосферного:
р0 < p(t) < р0 + Др (4)
где р0 = 101325 Па , Др =
5. Не должно происходить роста массы жидкости внутри установки:
™жта* > ™тн - пгдр - ягж > 0 (5)
где тТН - массовый расход теплоносителя. Шдр - массовый расход газа на выходе из установки, тж - скорость испарения жидкости.
Предложенные критерии являются основными условиями достоверности результатов расчёта и позволяют судить о правильности составленной математической модели, а также основанием для прекращения моделирования и поиска, устранения ошибок в алгоритме вычисления.
Термин «газификация» используется при разработке активной бортовой системы спуска отработавшей ступени ракеты-носителя, а термин «испарение» - при моделировании исследуемого процесса на экспериментальном стенде.
Предлагаемая методика включает в себя следующие действия, направленные на приведение в соответствие заданных условий экспериментальных исследований и оценки критериев процесса [8-9].
1. Проводятся дополнительные измерения скорости потока теплоносителя в характерных точках экспериментальной модельной установки, влажности газа на выходе из экспериментальной модельной установки и рассчитывают на основе проведенных измерений значения суммарной теплоты, поступившей в объем установки в течение всего эксперимента по формуле:
Qт. = стнттнТтнт, (6)
где сТН - удельная теплоемкость теплоносителя (табличное значение); тТН - измеряемый расход теплоносителя; ГТН - измеряемая температура теплоносителя, т - измеряемое время проведения эксперимента.
2. Рассчитывается суммарное значение теплоты, затраченное на нагрев каждого элемента экспериментальной модельной установки, участвующего в теплообмене, в течение всего эксперимента по формуле:
газ + Фжидк + Qпл + 0.ст , (7)
и сравнивают рассчитанные значения c Qz. И в случае выполнения условия:
IQZ-QZI>EQ, (8)
Рис. 1. Алгоритм методики обеспечения качества теоретико-экспериментальных исследований
где Е(2 включает в себя инструментальные и методические погрешности, результаты эксперимента признают неверными, прекращают эксперимент и выявляют неисправности в системе измерений и регистрации данных.
3. При проведении эксперимента в текущий момент времени должен соблюдаться второй закон термодинамики (теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому), для проверки которого по показаниям датчиков температуры сравниваются температуры теплоносителя Ттн и Т элементов экспериментальной модельной установки:
Тш >Т, /=1,...д, (9)
где N - число установленных датчиков температуры внутри экспериментальной модельной установки.
В случае нарушения условия (9) эксперимент прекращается и выявляются неисправности в системе измерений и регистрации данных.
4. На установившемся режиме конвективной газификации жидкости, при котором температура газа внутри экспериментальной модельной установки постоянна ^Тг /йт = 0), по показаниям датчиков определяются значения температуры Тг и давления рг газа внутри установки.
И в случае неудовлетворения условия адиабатичности процесса рг / Tr = const прекращается эксперимент и выявляются неисправности в системе измерений и регистрации данных.
5. На основе проведенных измерений относительной влажности газа ф в объеме экспериментальной модельной установки рассчитывается экспериментальное парциальное давление при температуре т газа в экспериментальной модельной установке:
Pi =^нас , (10)
где р* - парциальное давление газа в экспериментальной модельной установке;
р - давление насыщенных паров газа в экспериментальной модельной установке, которое рассчитывают в соответствии с работой.
Полученное парциальное давление газа в экспериментальной модельной установке сравнивается с табличным р I0, определённым в соответствии с работой:
|р0 - pi > E , (11)
I-Í п ± п I р
где Ep включает в себя инструментальные и методические погрешности.
В случае соответствия условию (11) эксперимент прекращается, и выявляются неисправности в системе измерений и регистрации данных.
III. Обсуждение результатов
Исходя из вышеизложенного, достигнуты следующие результаты:
- вследствие отбраковки недостоверных измерений и вовремя обнаруженных неисправностей повышается достоверность результатов исследований;
- своевременно выявляются неисправности;
- снижаются затраты на проведение экспериментов.
Затраты энергоресурсов сократились на 20-25%. При этом сократились и затраты рабочего времени.
Сокращение трудозатрат обусловлено:
- прекращением эксперимента при выходе температур системы «газ-жидкость» на стационарный режим;
- сокращением времени подготовки теплоносителя (время нагрева до заданной температуры) вследствие теплоизоляции электронагревателя и соединительной арматуры.
Таким образом, предлагаемая методика обеспечения качества исследований позволяет существенно повысить достоверность получаемых результатов.
IV. Выводы и заключение
Использование предложенной методики обеспечения качества расчетно-экспериментальных исследований на ранних этапах проектирования позволяет избежать ряда методических (составления математической модели), алгоритмических (составления алгоритма и программы расчёта) и механических ошибок (использование неправильных значений физических констант, размерностей, другие механические ошибки при подготовке исходных данных).
Источник финансирования. Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, задание № 9.1023.2017/ПЧ.
Научный руководитель - д.т.н., профессор, профессор кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ Трушля-ков В.И.
Автор благодарит д.т.н., профессора, профессора кафедры «Безопасность жизнедеятельности» ОмГТУ Ах-тулова А.Л.
Список литературы
1. Anderson B. H., Haller H.S. Combining computational fluid dynamics analysis data with experimentally measured data // Quality Engineering. 2011. V. 23, no 1. С. 46-58.
2. Nembhard Harriet Black, Valverde-Ventura Rene Integrating Experimental Design And Statistical Control For Quality Improvement // Journal Of Quality Technology. 2003. V. 35, no 4. С. 406-426.
3. Ахтулов А. Л., Леонова А. В., Ахтулова Л. Н. Методика оценки качества процессов проектирования сложных технических устройств // Омский научный вестник. 2013. № 3 (123). С. 87-91.
4. Головин Д. Л., Зыонг К. З. Обеспечение качества при технологическом проектировании сложных авиационных конструкций // Полет. 2007. № 11. С. 24-29.
5. Васильев В. А., Кобзарь А. И., Шолом А. М. Управление параметрами качества перспективных изделий ракетно-космической техники // Технология машиностроения. 2012. № 8. С. 61-65.
6. Пат. 2461890 Российская Федерация, МПК G 09 B 23/00. Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива в баках отделяющейся части ступени ракеты-носителя и устройство для его реализации / Трушляков В. И., Куденцов В. Ю., Лесняк И. Ю. [и др.]; № 2010141530/12; заявл. 08.10.10; опубл. 20.09.12, Бюл. № 26.
7. Рожаева К. А. Метод повышения качества проводимых научных исследований. Математическое моделирование // Стандарты и качество. 2015. № 1(931). С. 75. http://ria-stk.ru/stq/adetail.php?ID=88373.
8. Rozhaeva K. A. Evaporation of a Model Liquid / K.A. Rozhaeva et al. // Russian Engineering Research. 2017. Vol. 37, no 1. P. 1-4.
9. Rozhaeva K. A., Trushlyakov V. I. Developing a Test Stand to Verify Accuracy of Conducted Research at the Early Design Stages of Active Descent Systems of Spent Launcher Stages // Indian Journal of Science and Technology. 2016. Vol. 9(36). URL: http://www.indjst.org/index.php/indjst/article/view/102037.
УДК 536.24
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПРИ ТЕРМОВАКУУМНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
В. И. Трушляков1, А. В. Паничкин2, О. Л. Прусова1, К. И. Жариков1, М. М. Дронь1
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Институт математики им. С.Л. Соболева СО РАН, г. Новосибирск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-50-60
Аннотация - Разработана математическая модель процесса испарения модельной жидкости с граничными условиями свободной поверхности типа «зеркало» при термовакуумном воздействии и получены численные оценки параметров процесса испарения. Разработан экспериментальный стенд, включающий в себя вакуумную камеру, экспериментальную модельную ёмкость с подогревом, получены экспериментальные данные. Сравнительный анализ численных и экспериментальных результатов показал близкое совпадение.
Ключевые слова: термовакуумная сушка, испарение, теплоотдача, моделирование.
I. Введение
Метод термовакуумной сушки широко применяется в различных областях промышленности, например, в [1, 2] описаны метод и устройство для термовакуумной сушки влажного дисперсного сырья. Нагревание сырья происходит в емкости, в межстенном термоизолированном пространстве которой размещен резистивный нагреватель. В [3-6] приводятся способы вакуумной сушки и устройства для вакуумной сушки, применяемые в области пищевой, медицинской, микробиологической и химической отраслях промышленности. Нагревание осушаемого продукта происходит на подогреваемых полках блока нагревательных элементов. В [3-5] осуществляется кондуктивный нагрев подогреваемых полок. В [6] нагревательные элементы имеют внутренние полости, образующие коллекторы входа и выхода горячего теплоносителя.
Однако перечисленные методы используются для осушки пористого и дисперсного сырья. В [7] для осушки внутренних полостей трубопроводов до требуемой влажности предлагается первоначально вакуумировать, а затем продувать трубопровод предварительно осушенным газом. В [8] для осушки газопровода полость предварительно вакуумируют до давления от 0,2 до 0,005 кгс/см2, затем, поддерживая достигнутый вакуум, откачивают пары воды из полости газопровода до полного испарения водяной пленки. Окончательная осушка до заданной остаточной влажности происходит с помощью продувки полости газом, осушка которого осуществляется путем его расширения внутри осушаемой полости за счет поддерживаемого там вакуума.
