Моделювання ефективності оребрення з урахуванням поперечних температурних градієнтів у трактах охолодження ракетного двигуна
DOI:
https://doi.org/10.15421/cims.4.299Ключові слова:
математична модель теплопередачі, поперечна температурна нерівномірність, рідинний ракетний двигун, тракт охолодження камери двигунаАнотація
Мета. Дана робота спрямована на підвищення точності методів визначення ефективності оребрення. Метою роботи є отримання розрахункових співвідношень для коефіцієнтів оребрення, що враховують температурну нерівномірність у поперечному перерізі ребра. Дизайн / Метод / Підхід. У статті представлені результати приведення рівняння теплопровідності в ребрі до безрозмірного виду на основі аналізу розмірностей величин, що входять до рівняння. Наступна частина роботи робота ґрунтується на аналізі результатів чисельного моделювання та їх подальшому узагальненні. Для цього використовується метод градієнтного спуску з урахуванням мінімізації квадратичної функції помилки. Результати. Розроблено критеріальну залежність, яка доповнює отримане рівняння теплопровідності у ребрі. Також проведено тестові розрахунки та порівняння з чисельним моделюванням у Ansys Fluent, що підтверджують підвищення точності розрахунку при використанні отриманого рівняння. Теоретичне значення. У роботі розглянуті фактори, що впливають на теплопередачу в ребрах, якими раніше нехтувалося. Таким чином, результати, отримані в дослідженні, доповнюють існуючі підходи до визначення коефіцієнтів оребрення. Практичне значення. Отримана критеріальна залежність дозволить підвищити точність розрахунків телепередачі у камерах та газогенераторах рідинних ракетних двигунів. Оригінальність / Цінність. Робота містить оригінальне критеріальне співвідношення, що дозволяє враховувати температурну нерівномірність у поперечному перерізі ребра. Урахування цього фактору дозволяє підвищити точність розрахунків, що зумовлює цінність отриманого рівняння під час проведення практичних розрахунків. Обмеження дослідження / Майбутні дослідження. У цьому дослідженні розглядаються прямокутні ребра. Відповідно, отримана модель не може бути використана для визначення коефіцієнта оребрення в трактах рідинних ракетних двигунів (РРД) з ребрами змінної товщини. Розробка моделі ребра, яка була б позбавлена даних обмежень, стане метою подальших досліджень з даної тематики. Тип статті. Прикладне дослідження.
Завантажити
Посилання
Atefi, E., & Naraghi, M. H. (2019). Optimization of regeneratively cooled rocket engines cooling channel dimensions. In AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum (p. 3938). https://doi.org/10.2514/6.2019-3938
Bilohurov, S., Myshenko, O., & Bardakov, S. (2024). Experimental Study of Throttling of Solid Fuel Direct-Flow Steam Boilers [In Ukrainian]. Challenges and Issues of Modern Science, 2, 72-77. https://cims.fti.dp.ua/j/article/view/129
Bucharskyi, V., Zhang, L.-H., & Wan, Y.-L. (2018). Improvement in Time Efficiency in Numerical Simulation for Solid Propellant Rocket Motors (SPRM). Journal of Propulsion Technology, 39 (1), 92-99. http://dx.doi.org/10.13675/j.cnki.tjjs.2018.01.010
Fagherazzi, M., Santi, M., Barato, F., & Pizzarelli, M. (2023). A Simplified Thermal Analysis Model for Regeneratively Cooled Rocket Engine Thrust Chambers and Its Calibration with Experimental Data. Aerospace, 10(5), 403. https://doi.org/10.3390/aerospace10050403
Forsberg, C. H. (2021). Steady-state conduction. In Heat Transfer Principles and Applications (pp. 57–120). Academic Press. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-802296-2.00003-2
Jeong, W., Jang, S., & Kim, H.-J. (2023). Characteristics of a Heat Exchanger in a Liquid Rocket Engine Using Conjugate Heat Transfer Coupling with Open-Source Tools. Aerospace, 10(12), 983. https://doi.org/10.3390/aerospace10120983
Kim, S.-K., Joh, M., Choi, H. S., & Park, T. S. (2014). Effective Modeling of Conjugate Heat Transfer and Hydraulics for the Regenerative Cooling Design of Kerosene Rocket Engines. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 66(8), 863–883. https://doi.org/10.1080/10407782.2014.892396
Kose, Y. M., & Celik, M. (2023). Regenerative Cooling Comparison of LOX/LCH4 and LOX/LC3H8 Rocket Engines Using the One-Dimensional Regenerative Cooling Modelling Tool ODREC. Applied Sciences, 14(1), 71. https://doi.org/10.3390/app14010071
Leonardi, M., Pizzarelli, M., & Nasuti, F. (2019). Analysis of thermal stratification impact on the design of cooling channels for liquid rocket engines. International Journal of Heat and Mass Transfer, 135, 811–821. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.02.028
Lv, J., Du, G., Jin, P., & Li, R. (2023). Heat Transfer Analysis and Structural Optimization for Spiral Channel Regenerative Cooling Thrust Chamber. International Journal of Aerospace Engineering, 2023, 1–17. https://doi.org/10.1155/2023/8628107
Mitikov, Y., & Sedchenko, M. (2023). Critical analysis of helium gas bottle inflation systems for rocket engine fuel tanks [In Ukrainian]. Challenges and Issues of Modern Science, 1, 117-125. https://cims.fti.dp.ua/j/article/view/23
Mohr, D. L., Wilson, W. J., & Freund, R. J. (2022). Linear Regression. In Statistical Methods (pp. 301–349). Academic Press. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-823043-5.00007-2
PTC Inc. (2025). Mathcad: Math Software for Engineering Calculations. PTC Inc. https://mathcad.com
Sichler, E., Montes, J. D., & Chandler, F. O. (2018). One dimensional thermal steady state analysis and procedure for a low-pressure liquid oxygen and liquid methane rocket engine. In 2018 Joint Propulsion Conference (p. 4602). https://doi.org/10.2514/6.2018-4602
Sliusariev, V., & Bucharskyi, V. (2024). Development of a mathematical model for the cooling channel of a liquid propellant rocket engine’s chamber with respect for variations in coolant density. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (1 (132)), 14–20. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.316236
Sliusariev, V., & Bucharskyi, V. (2024). Mathematical model for heat transfer in variable thickness fins for rocket engines. Challenges and Issues of Modern Science, 3, 48–54. https://cims.fti.dp.ua/j/article/view/234
Sukachevskyi, V., & Shevtsov, V. (2024). Application of computer-integrated technologies in rocket engine design [In Ukrainian]. Challenges and Issues of Modern Science, 3, 62–73. https://cims.fti.dp.ua/j/article/view/201
Ting, D. (2022). Dimensional analysis. In Thermofluids (pp. 181–198). Academic Press. https://doi.org/10.1016/b978-0-323-90626-5.00003-3
Tokarskyi, I., & Habrinets, V. (2024). Design Analysis and Calculation Methods for Furnace Oil Burners in Heating Systems [In Ukrainian]. Challenges and Issues of Modern Science, 3, 55–61. https://cims.fti.dp.ua/j/article/view/225
Vekilov S. S., Lipovskyi V. I., Marchan R. A., & Bondarenko O. E. (2021). Distinctive features of SLM technology application for manufacturing of LPRE components. Journal of Rocket-Space Technology, 29(4), 112-123. https://doi.org/10.15421/452112
Virtanen, P., Gommers, R., Oliphant, T. E., Haberland, M., Reddy, T., Cournapeau, D., Burovski, E., Peterson, P., Weckesser, W., Bright, J., van der Walt, S. J., Brett, M., Wilson, J., Millman, K. J., Mayorov, N., Nelson, A. R. J., Jones, E., Kern, R., Larson, E., … Vázquez-Baeza, Y. (2020). SciPy 1.0: fundamental algorithms for scientific computing in Python. Nature Methods, 17(3), 261–272. https://doi.org/10.1038/s41592-019-0686-2
Williams, M. (2023). SpaceX sets new record with successful test-firing of 31 Raptor engines. Universe Today. https://www.universetoday.com/articles/spacex-sets-new-record-with-successful-test-firing-of-31-raptor-engines
Wolfram Research, Inc. (2025). Mathematica 12.3. Wolfram Research, Inc. https://www.wolfram.com/mathematica
Xu, B., Chen, B., Peng, J., Zhou, W., & Xu, X. (2023). A Coupled Heat Transfer Calculation Strategy for Composite Cooling Liquid Rocket Engine. Aerospace, 10(5), 473. https://doi.org/10.3390/aerospace10050473
Завантаження
Опубліковано
Версії
- 2025-06-24 (2)
- 2025-06-23 (1)
Номер
Розділ
Категорії
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Volodymyr Sliusariev, Valerii Bucharskyi (Author)
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Всі статті, опубліковані в журналі Challenges and Issues of Modern Science, ліцензовані за ліцензією Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY). Це означає, що ви можете:
- Поширювати, копіювати та передавати статтю
- Адаптувати, реміксувати та створювати похідні роботи на основі статті
за умови, що ви надаєте належне посилання на оригінальну роботу, вказуєте ім'я авторів, назву статті, журнал та наявність ліцензії CC BY. Будь-яке використання матеріалів не повинно припускати схвалення авторами або журналом використаного матеріалу.
