авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Исследование рабочих процессов твердотопливных газогенераторов подушек безопасности

На правах рукописи

Кондратова Ольга Анатольевна

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ

ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ

ПОДУШЕК БЕЗОПАСНОСТИ

Специальность 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Томск – 2007

3

Работа выполнена на кафедре математической физики физико технического факультета Томского государственного университета

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук, профессор С.С.Бондарчук

Официальные оппоненты: Доктор физико–математических наук, профессор А.А. Глазунов Доктор физико–математических наук, профессор И.Г. Боровской

Ведущая организация: Федеральное научно – производствен ное объединение "Алтай"

Защита диссертации состоится 29 мая 2007 года на заседании диссер тационного совета Д212.267.13 Томского государственного универ ситета по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 36, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государ ственного университета по адресу: 634034, г. Томск, пр. Ленина, 36.

Автореферат разослан 28 апреля 2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н, профессор. Ю. Ф. Христенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Непрерывно возрастающее число ав томобилей в развитых странах мира и повышение в связи с этим ин тенсивности движения автотранспорта а также увеличение скорост ного режима на дорогах выдвигает на первый план проблему безо пасности водителей и пассажиров. Наиболее надежным средством, имеющимся в арсенале систем безопасности, является применение подушек безопасности (айрбэгов), надуваемых каким-либо источни ком газа за очень короткое время (30100 мс) в момент возникнове ния аварийной ситуации. В настоящее время практически все веду щие автомобилестроительные предприятия оснащают свои автомо били среднего класса и выше айрбэгами и число различных конст рукций этих устройств и схем их применения постоянно растет. Ко личество газогенераторов, применяемых в современных автомобилях, может достигать десятков единиц – от миниатюрных для натяжения ремней безопасности до газогенераторов наддува айрбэгов для сохра нения жизни водителя и пассажиров. О важности и перспективности использовании этих средств говорит и тот факт, что в течение десяти последних лет регулярно проводится международная конференция «AIRBAG», специально посвященная вопросам разработки, эксплуа тации и развития этих средств безопасности автомобиля.

При создании перспективных схем айрбэгов важное значение имеет математическое моделирование функционирования айрбэгов, когда вместо полномасштабных экспериментов можно проводить па раметрические расчеты. Вместе с тем адекватность математического моделирования реальному процессу в большой степени определяется развитостью моделей и точностью исходных данных, закладываемых в программу расчета. В этой связи весьма важным являются экспери менты по определению скоростей горения воспламенителей и топлив, констант формальной кинетики процессов и т.п.

Методы численного моделирования процессов в газогенерато рах, снабженных зарядом твердого топлива, в настоящее время ши роко используются на всех этапах решения задач проектирования и отработки подобных устройств. Особенную важность эти вопросы приобретают в случаях, когда натурный эксперимент дорог, трудно осуществим или дает весьма ограниченную информацию. Кроме того, обеспечение традиционно строгих для систем безопасности требова ниях по надежности разрабатываемых устройств предопределяет ак туальность работ в области математического моделирования внут рикамерных процессов в газогенераторах айрбэгов.

В настоящее время для численного моделирования применяются в основном нульмерные (балансовые) и простые одномерные матема тические модели;

учет неодномерных эффектов, в которых осуществ ляется с помощью различных коэффициентов, определяемых из экс периментов. Состав продуктов сгорания определяется на основе тер модинамических расчетов. Расчет процесса наддува оболочки айрбэга часто ограничивается моделированием заполнения жесткого цилинд рического сосуда того же объема, что и наполненная оболочка.

Целью работы является разработка элементов теоретических и методологических основ для реализации универсальной методики моделирования процессов в твердотопливных айрбэг-газогенераторах на всех этапах конструирования: математическая модель – метод ре шения – реализация;

а также разработке технологии и программной реализации функциональных модулей как компонентов эффективной интегрированной программной среды.

Объектом исследования является газогенератор или устройст во, где в качестве рабочего тела используются продукты сгорания высокоэнергетических материалов (твердых топлив). Предметом ис следования является комплекс взаимосвязанных явлений, сопровож дающих функционирование данного объекта, структуры и законо мерностей развития внутрибаллистического процесса. Основными методами исследований являются математическое моделирование и вычислительный эксперимент.

Научная новизна работы заключается в разработке элементов теоретических основ методики, обеспечивающей решение задач газо вой динамики и баллистики реальных систем газогенераторов поду шек безопасности при пространственном, осредненном и комбиниро ванном описаниях течения.

1. Применительно к современной практике проектирования соз дана новая физико – математическая модель, описывающая комплекс взаимовлияющих процессов в газогенераторах подушек безопасно сти, включая воспламенительное устройство и полость наддуваемой оболочки;

разработаны новые методы решения ряда задач, обеспечи вающие эффективность программной реализации модели.

2. Впервые решен ряд практических задач газодинамики внутри камерных процессов и получены новые данные по гидрогазо- и тер модинамической структуре течений в газогенераторах подушек безо пасности (локализации зон повышенных давлений, разрежений, не стационарных взаимодействий спутных потоков, возникающих дина мических нагрузках и т.д.) при расчетах конструкций существующих и перспективных airbag-газогенераторов с гранулированными, вклад ными и пористыми зарядами.

3. На базе анализа процессов при организации спутного горения предложена новая схема конструкции пористого заряда для перспек тивных газогенераторов подушек безопасности.

Практическая значимость работы состоит в том, что разрабо танные автором расчетные технологии и полученные на их основе ре зультаты численных исследований позволяют прогнозировать рас ходно-энергетические характеристики airbag-газогенераторов, что способствует как получению новых знаний о развитии внутрибалли стических процессов и повышению качества проектирования этих устройств, так и сокращению стоимости и объема натурной отработ ки подобных систем.

Построенные в диссертации новые физико - математические модели развития внутрибаллистического процесса расширяют и уг лубляют понимание сложной картины течения и тепломассообмена в пространственных каналах airbag-газогенераторов, внося определен ный вклад в развитие теории внутрикамерных процессов.

На основе анализа полученных результатов по моделированию процессов в газогенераторах с пористым зарядом предложена новая конструктивная схема, обеспечивающая целевую функцию airbag газогенераторов более полным образом.

Достоверность использованных методов, положений, выводов и рекомендаций работы подтверждена физическим анализом результа тов вычислений, исследованием сходимости выбранных методов и расчетно – алгоритмических схем, сравнением с другими известными методиками и точными решениями, а также сравнением с экспери ментальными данными.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные в диссертации методическое и программное обеспечение внедрены в практику исследовательских работ Института проблем химико энергетических технологий СО РАН, а также переданы Fraunhofer ICT, где используется в практике проектирования подушек безопас ности.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись и обсуждались на научных конференциях:

III международной конференции "Application of the Conversion Re search Results for International Cooperation" (г. Томск, 1999), на II, III Всероссийских научных конференциях "Фундаментальные и при кладные проблемы современной механики" (г. Томск, 2000 г., г.), на 33th International Annual Conference of ICT "Energetic Materials:

Synthesis, Production and Application" (Karlsruhe, Federal Republic of Germany, 2002), на IV Международной конференции "Внутрикамер ные процессы и горение в установках на твердом топливе и в стволь ных системах" (г. Москва, 2002г.), на 9 Всероссийской научно технической конференции "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве (г. Нижний Новгород, 2003 г.), на V и VI Международной научно-практической конференции "Фундамен тальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права" (г. Москва, 2003 г., 2004 г.), на Международном форуме по проблемам науки, техники и образования "Региональные проблемы и национальные достижения" (г. Москва, 2003 г., 2006 г.), на Международной научно-практической конференции "Современ ные информационные технологии в науке, производстве и образова нии" (г. Пенза, 2004 г.), на I и II Международных конференциях "Вы сокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение" (г. Белокуриха, 2004 г., 2006 г.), на Всерос сийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и образование" (г. Томск, 2004г.), на V Международной кон ференции и выставке "High Energy Materials" (Индия, г. Хайдерабад, 2005г.).

Публикации. Результаты проведенных исследований изложены в 26 публикациях, из них 6 без соавторов. Имеется публикация в из дании, входящем в список ВАК РФ, 14 публикаций в зарубежных статьях и материалах международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа со стоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложения. Работа содержит 125 страниц основного текста, таблицу, 71 рисунок, список литературы из 98 наименований на 12 страницах, приложение.

Личный вклад. В диссертации использованы результаты, полу ченные автором при методическом руководстве научного руководи теля.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обобщенная физико – математическая модель, описывающая комплекс взаимовлияющих процессов в газогенераторах подушек безопасности, включая воспламенительное устройство и полость наддуваемой оболочки;

методическое и программное обеспечение по реализации указанных моделей.

2. Результаты решения практических задач газодинамики внутрика мерных процессов;

данные по структуре и закономерностях течений в газогенераторах подушек безопасности существующих и перспектив ных airbag-газогенераторов с гранулированными, вкладными и по ристыми зарядами в частях o локализации зон повышенных давлений, разрежений;

o нестационарного течения спутного потока в системе пористого заряда;

o возникающих динамических нагрузках на оболочку подушки безопасности.

3. Новая схема конструкции пористого заряда для перспективных га зогенераторов подушек безопасности.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, обсуждается вклад в решение проблемы ученых отечественных школ и методы, используемые зарубежными исследователями. Определяются цель и решаемые задачи, излагаются научная новизна и практическая цен ность.

В первой главе представлена комплексная физико математическая модель задачи расчета нестационарного пространст венного течения многокомпонентной гомогенной смеси идеального газа в камере сгорания газогенератора с зарядом сложной геометри ческой конфигурации. Рассмотрен комплекс вспомогательных задач расчета параметров функционирования воспламенительного устрой ства, прогрева элементов конструкции изделия, задача зажигания за ряда твердого топлива. Сформулированы и обсуждены начальные и граничные условия. Для алгоритма вычислений получены и приведе ны соотношения, позволяющие определить картину течения в кана лах натурных газогенераторов с зарядами сложной формы примени тельно к расчету характеристик на существенно нестационарном ре жиме работы газогенератора с учетом постепенности зажигания твер дого топлива. Схемы твердотопливных газогенерирующих устройств, для которых разрабатывалось программное обеспечение, представле ны на рисунке 1.

Система уравнений газовой динамики записывается при менительно к контрольному объему V, ограниченному замкнутой поверхностью, частично или полностью со стоящей из проницаемой для газа поверхности A и непро ницаемой S, на которой про исходит тепломассообмен между газами потока и эле ментами конструкции газоге Рисунок 1 – Схемы газогенераторов нератора.

Систему уравнений, выражающую основные законы сохране ния, запишем в интегральном виде, не зависящем от выбора системы координат:

где t - время;

L dV + N dA= M j dS, p,, u - давление, плотность и t V S j = A вектор скорости;

udV + П dA+ П dS + f dS =0, N = (u, n) - нормальная к по tV A S S верхности скорость, определяе мая скалярным произведением L RdV + R N dA= R j M j dS, вектора скорости u на единич tV ный вектор n внешней нормали S j = A к поверхности;

L C p dV + C p N dA= C p j M j d П = pn + Nu - поток им tV пульса;

S j = A - показатель адиабаты (от ношение теплоемкостей);

E dV + ( E + p ) N dA+ qdS = tV Mj, Hj - плотность прихода A S массы и энтальпия вдуваемых L = H j M j dS, с поверхности S продуктов;

S j = R,Cp - газовая "постоянная" и p u Cp изобарическая теплоемкость;

= E= +,, 1 Cp R 2 Tg - температуры газа;

f,q - плотности напряжения p Tg =.

R трения и теплового потока.

Массовая скорость горения топлива как функция параметров потока определяется с поправками на начальную температуру заряда, нестационарность и эрозионный эффект. Поправка на нестационар ность скорости горения рассчитывается по феноменологической мо дели Зельдовича – Новожилова, построенной на допущении о тепло вой инерционности конденсированной фазы. В рамках этой теории скорость горения определяется мгновенным значением давления над поверхностью топлива и величиной градиента температуры на по верхности горения, который, в свою очередь, вычисляется из решения задачи нестационарной теплопроводности внутри топлива. Коэффи циент эрозии, равный отношению скорости горения с учетом и без учета влияния обдувающего потока, представляется в виде функции безразмерного параметра I, предложенного В.Н. Вилюновым:

где индексом "" отмечены эксперименталь = 1 + * ( I I* ), ные значения параметров, ug,u - скорости го u, I= рения и обдувающего потока, o - плотность o ug c твердого топлива, c - коэффициент трения.

Математическая модель задачи зажигания конденсированного вещества – твердого топлива – включает уравнение теплопроводно сти с учетом экзотермических реакций и уравнение химической ки нетики:

где x - координата, направленная от по 2T T = o 2 + Qo F ( a,T ), верхности вглубь топлива, t x T - температура топлива, a Qo - отношение тепловыделения к теп = F ( a,t ), t лоемкости топлива, a - массовая концентрация (глубина x =0:

"выгорания" ТРТ), T [Tg T ( 0,t )] = o o - коэффициент температуропровод, x ности твердого топлива, x: o - коэффициент теплопроводности;

T - эффективный коэффициент тепло o = 0, x отдачи F(a,T) = Zaexp(-Ea/T) - скорость химической реакции для зависимо сти Аррениуса, Z,Ea - предэкспонент и отношение энергии активации топлива к уни версальной газовой постоянной Тепловое воздействие на заряд со стороны горячих газообраз ных продуктов сгорания моделируется постановкой граничных усло вий третьего рода (условий Ньютона-Рихмана) на поверхности твер дого топлива и равенства нулю теплового потока "на бесконечности".

В практике конструирования газогенераторов широкое распро странение получили ВУ с неразрушаемым в процессе работы корпу сом (например, типа перфорированного стакана), обеспечивающие стабильные расходно – энергетические характеристики. Для этого случая математическая модель, описывающая изменение газодина мических параметров в полости корпуса ВУ, представляется систе мой обыкновенных дифференциальных уравнений для осредненных по внутреннему свободному объему W внутрибаллистических харак теристик – так называемое нульмерное описание. Предполагается, что составов, образующих заряд ВУ, загораются одновременно по всей поверхности, а конструкция перфорированного корпуса препят ствует выносу зерен воспламенителя. Тогда система уравнений, вы ражающая основные законы сохранения массы и энергии, изменения свободного объема ВУ, имеет вид:

где - текущий d ( W ) = ( 1 z vi ) M i M, объем пиросостава, dt i = di d M i = oi ( R W ) = ( 1 z vi ) Ri M i R M,, dt dt i = i = 1,2,,.

( ) d C p W = ( 1 z vi ) C pi M i C p M, ( eij ei ) dt i = m j = d p W i = oi 1 p, = ( 1 z vi ) C pi T pi M i M, oi dt 1 i =1 1 eij j = d dW dei = i = u gi, i = 1,,.

dt i = 1 dt dt Значимым преимуществом предложенного подхода является точное (в рамках погрешности ЭВМ) выполнение закона сохранения массы, что обеспечивается даже в случае использования приближенных гео метрических зависимостей для связи между параметрами выгорания и характеристиками формы зерна.

Во второй главе на основе анализа ряда решенных задач прове дено подтверждение достоверности используемого подхода в частях решения газодинамических и "тепловых" задач. Достоверность под тверждена физическим анализом результатов решения, исследовани ем сходимости выбранных методов и схем вычислений, сравнением с другими известными методиками и точными решениями, а также сравнением с экспериментальными данными.

Изучение влияния включенного в математическую модель ново го фактора – переменности теплофизических характеристик продук тов сгорания – проводилось на основе анализа расчета параметров функционирования воспламенительного устройства. На рисунке 2.

приведены кривые давление – время в камере сгорания, снабженной пиросоставами, содержащими 27% и 60% металлической составляю щей, полученные при осреднении газодинамических параметров по свободному объему устройства. Кривые 1 и 2 – при расчете термоди намических свойств смеси с использованием традиционных уравне ний для концентраций компонентов и аддитивности газовой постоян ной и изобарической теплоемкости;

зависимость 3 – расчет на основе предлагаемых уравнений.

Из графиков видно, что расчетная зависимость 3 проходит меж ду кривыми минимальных (1) и максимальных (2) значений теплофи зических свойств и носит обобщающий характер, точно (в пределах модели) отражая изменение термодинамических характеристик про дуктов сгорания на всем интервале изменения давления от минимального до максималь ного. Наибольшие отклонения кривой 3 от диаграммы 1 состав ляют 23% в сторону завышения и 39% от зависимости 2 в сторону занижения.

Сходимость метода Году нова распада произвольного раз рыва проверялась удвоением расчетной сетки для области, представляющей собой входной Рисунок 2. – Зависимости давление дозвуковой участок сопла до – время для камеры сгорания критического сечения.

Исследования распределения осевых значений числа Маха и осред ненного по сечению (обезразмеренного по полному внутрикамерно му) давления подтвердили сходимость разностной схемы при удвое ниях расчетной сетки. Дополнительным косвенным подтверждением сходимости использования разностной схемы послужил тот факт, что результаты расчета по методу Годунова первого порядка точности аппроксимации на удвоенной сетке практически совпали с вычисле ниями по модификации Колгана-Тилляевой второго порядка точно сти аппроксимации на исходной разностной сетке.

Для оценки точности получаемых результатов численное реше ние однородного уравнения теплопроводности на используемой в данном подходе адаптирующейся сетке сравнивалось с соответст вующим аналитическим решением, полученным для теплофизиче ских характеристик для пороха Н при постоянных коэффициенте теп лоотдачи и температуре газа.

На рис. 3 приведен реализующийся при данных условиях темпе ратурный профиля при t=8 мс и показана относительная погрешность численного решения.

Рисунок 3 – Профиль температу ры и относительная погрешность Рисунок 4 – Сравнительный анализ численного решения зависимостей давление - время На рисунке 4 приведено сравнение зависимостей давление – время для камеры сгорания айрбэг-газогенератора – предлагаемый подход и данные, полученные в работе [Hsief W.H., Sun L.Y., Chen J.K., Wang S.W. Theoretical Simulation of Combustion Processes of Air bag Inflators // Proc. Instn. Mech. Engrs. 2001. Vol 215. Part D. P.1-9], где в состав модели были включены экспериментально полученные корректирующие зависимости по газообразованию. Сравнение ре зультатов вычислений показывает хорошее согласование расчетных зависимостей.

Для систем различного целеназначения достаточно широко ис пользуется наддув эластичных оболочек продуктами сгорания поро хов и твердых ракетных топлив. В качестве апробации подхода в час ти газопроизводительности исследовались параметры устройства, предназначенного для подъема грузов в водной среде (оболочка, на дуваемая продуктами сгорания), где охлаждение газов осуществляет ся их барботированием через жидкость. По мере поступления газа оболочка разворачивается и вытягивается вверх до максимальной вы соты и полного объема.

Текущее значение Ws(t) объема в процессе R Te t Pe Ws ( t ) = mdS dt раскрытия полости определяется накоплен ной к текущему моменту времени массой 0S газа, находящегося при температуре Te и m – массовая ско давлении Pe внешней среды.

рость горения Теоретические и экспериментальные исследования проводились для газогенератора с канальным (внутренний диаметр 1.2см) зарядом баллиститного твердого ракетного топлива массой 20г.

Рисунок 6 – Изменение объема обо Рисунок 5 – Изменение высоты и лочки диаметра оболочки В третьей главе представлены результаты параметрических ис следований газогенераторов подушек безопасности с гранулирован ными и вкладными зарядами.

Наиболее широкое распространение в настоящее время получи ли системы автомобильных подушек безопасности, где источником создания давления являются пороховые газогенераторы с гранулиро ванным зарядом, состоящим из элементов твердого топлива в виде таблеток или имеющих шарообразную форму. Для гранулированных зарядов величины площади A, свободной для прохода газов, опреде ляются объемной гравиметрической плотностью, а поверхность S рассматривается как суммарная для элементарного объема V. Изме нение во времени этих параметров, а также поступление массы и эн тальпии в объем определяются по соотношениям, аналогичным ис пользуемых для воспламенителя в предположении неподвижности гранул топлива.

По представленной модели были выполнены численные иссле дования. В расчетных вариантах параметры зарядов подбирались та ким образом, чтобы обеспечивались приблизительно одинаковые ди намические характеристики процесса наддува полости. На рис. приведены зависимости давление – время для зарядов различной формы пороховых гранул при одинаковой начальной поверхности горения: 1 – шарообразные гранулы диаметром 5мм;

2 – таблетки диаметром 5.8мм и высотой 2.9мм.

Максимальное различие кривых на рабочем участке не превы шает 9%;

значительно большее различие наблюдается на участке вы сокоградиентного подъема давления, что обусловлено различием мо ментов начала зажигания (см. рисунок 8).

Рисунки 9,10 иллюстрируют распределение скорости и давления вдоль радиуса корпуса газогенератора для различных моментов вре мени для заряда для гранул заряда таблеточной формы.

Рисунок 7 – Зависимость давление Рисунок 8 – Зависимость времени – время для двух форм зарядов зажигания заряда от времени про цесса Отметим, что данная задача может ставиться и решаться как оп тимизационная, когда для заданного времени достижения требуемого давления в подушке безопасности определяется необходимая зависи мость расходных характеристик газогенератора от времени в услови ях ограничений (обусловленных прочностными параметрами мате риалов подушки) на градиент и динамику нарастания давления в по душке.

Рисунок 10 – Распределение дав Рисунок 9 – Распределение скоро ления по длине заряда в разные сти вдоль корпуса в разные мо моменты времени менты времени В настоящее время для современных систем автомобильных систем безопасности разрабатываются проекты, конструкции кото рых включают газогенераторы с моноблочным вкладным зарядом. По представленной модели рассматривались течения в газогенераторах, схематично представленных на рис. 11, конструктивно отличающих ся расположением перфорированных отверстий, через которые про исходит истечение продуктов сгорания.

В схеме рис. 11а перфорирована только правая торцевая крыш ка;

в конструкции схемы рис. 11б отверстия перфорации равномерно расположены по правой половине всего корпуса диаметра 39 мм. За ряд всестороннего горения высокоэнергетичного быстрогорящего твердого топлива трубчатой формы с внутренним / внешним диамет ром 10 / 26 мм имел длину 200 мм. Давление "раскрытия" отверстий перфорации ("среза" сопла) задавалось равным 0.2 МПа.

a) б) Рисунок 11 – Схемы газогенераторов На рис. 12 представлено распределение скорости газового пото ка вдоль внутреннего (сплошные линии) и внешнего (пунктирные) каналов в различные моменты времени. Из рис. 12 видно, что после зажигания каналов (t2.8мс) распределение скорости качественно и количественно практически не изменяется. Во внутреннем канале формируется граница раздела потоков и истечение продуктов горения из левой части внутреннего канала происходит через внешний коль цевой канал. Во внешнем канале распределение скорости близко к линейному (от 100 до 500 м/с). Данному распределению скоростей соответствует распределение давлений по проточным трактам (рис.

13).

Рисунок 12 – Распределение ско- Рисунок 13 – Распределение дав рости ления На рис. 14 приведено изменение во времени давления в начале (кривая b), середине (m) и в правом конце (e) заряда для внутреннего и внешнего каналов схемы рис.11а. Необходимо отметить, что пере пад давления как между внутренним и внешним каналами (для одно го и того же сечения), так и по длине этих газовых трактов, достигает значительных величин.

Из анализа расчетных данных следует, что характерная для труб чатых зарядов всестороннего горения значительная газодинамическая напряженность течения (высокие скорости потоков и перепадов дав ления);

наличие и положение границ раздела потоков на внутреннем и внешнем газовых трактах существенно нелинейным образом зави сит от геометрических характеристик заряда и корпуса.

Рисунок 14 – Зависимости p(t) внутреннего и внешнего каналов Отметим также, что на кривую давления значительное влияние оказывает учет эффектов нестационарности скорости горения (3%) и эрозионный эффект (до 17%).

В четвертой главе проводится газодинамический анализ airbag – газогенераторов с пористым зарядом и анализ динамических нагру зок при наддуве airbag подушек.

Перспективной конструкцией, в значительной мере лишенной недостатков, связанных с высокой выходной температурой продуктов горения, являются airbag – газогенераторы с пористым твердотоплив ным зарядом, горение которого организуется в режиме спутной фильтрации. Конструктивные схемы подобных газогенераторов пре дусматривают такую организацию поверхностного горения пористого заряда, когда продукты горения существенно охлаждаются, диффун дируя через пористую структуру заряда. Фильтрация теплоносителя через заряд в направлении фронта реакции приводит, в свою очередь, к локальному разогреву зоны горения.

Перераспределение энергии между газообразными и конденсированны ми продуктами сгорания позволяет получать низкотемпературные газы.

Рисунок 15 – Схема области Кроме того, выход конденсирован ных продуктов сгорания снижается решения за счет их частичного оседания в пористой структуре заряда Схема устройства приведена на рисунке 15.

Плотность прихода массы Mp, с текущей поверхности горения определяется соотношением где – температурный коэффициент зависи M p = u p [1 + T ( x,t )] мости скорости горения от "начальной" тем пературы топлива.

Локальная температура заряда T ( x,t ) определялась осреднением местного профиля температуры, полученного из решения уравнения теплопроводности, описывающего изменение температуры заряда вследствие фильтрации через него продуктов сгорания. Конкретные значения величин поверхностей A и S рассчитывались через коэффи циент пористости заряда.

Вычисления выполнялись для модельного газогенератора с за ряда со следующими основными характеристиками:

диаметр заряда – 90мм;

коэффициенты температуро o o проводности и теплопровод длина заряда L = (120140)мм;

o ности топлива – 6.310-7м2/с, длина заряда вместе с фильт o ром (кварцевый песок) – 0.86Вт/(мK);

150мм;

пористость – (0.30.6);

o характеристики материала за- температурный коэффициент o ряда: закона скорости горения плотность – 1920кг/м3;

(0.0010.004).

На рисунке 16 представлены результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных по зависимости давления от времени для области головного объема (1) и 2 – для параметров газа за фильтром (рисунок 15).

Анализ результатов показывает их хорошее качественное соот ветствие. Зависимость давления p1(t) (головной объем газогенерато ра) имеет достаточно хорошее количественное соответствие с экспе риментом. Кривая p2(t) практически во всем временном диапазоне лежит выше экспериментально определенного уровня. Некоторый подъем давления на данной кривой в период завершения горения за ряда связан как с меньшими потерями тепла в топливо, так нагрева нием материала фильтра к данному моменту времени. Более значи тельный подъем экспериментально измеренного давления можно объяснить фактором снижения площади фильтра, свободной для про хода газа, вследствие оседания в нем конденсированных частиц.

На рисунке 17 представлены распределения давления по камере сгорания в различные моменты времени. Качественно характер пред ставленных зависимостей обусловлен, главным образом, движением фронта горения.

Характерной особенностью распределения температуры газа (продуктов сгорания) является то, что ее профиль относительно коор динаты текущего положения фронта горения слабо меняется в тече ние всего времени работы газогенератора.

Рисунок 16 – Сравнения расчет- Рисунок 17 – Распределение давле ных и экспериментальных данных ния по длине заряда в различные моменты времени зависимости давления от времени На рисунке 18 представлены результаты сопоставления величи ны перепада давления (между головным объемом и областью за фильтром) для зарядов различной пористости. Закрашенная область представляет поле серий экспериментальных результатов;

сплошная линия – осредненные по времени работы газогенератора расчетные значения.

Исходя из выявленных особенностей газодинамических развития процес сов в модельном газогенераторе можно предложить нижеследующую конструкцию применения пористых зарядов для airbag-газогенераторов, обеспечивающую существенно более высокие расходные характеристики.

В перфорированном по внешней по верхности (рис. 19) корпусе размеща Рисунок 18 – Сопоставление экс- ется заряд трубчатой формы, в канале периментальных и расчетных которого расположено воспламени значений перепада давления по тельное устройство.

заряду Видно, что расчетный перепад давления практически всегда ме нее значителен, что можно объяснить различием реальных "внутрен них" геометрических параметров пористого заряда и используемой его модели, а также отсутствием учета движения и оседания в заряде конденсированной фазы продуктов сгорания.

В целом совпадение экспериментальных и расчетных данных удовлетворительное, что позволяет использовать предложенный под ход для проектирования газогенераторов с пористым зарядом.К внешней боковой поверхности корпуса примыкает фильтр, содержа щий, как и в модельном заряде, кварцевый песок. Воспламенитель обеспечивает зажигание поверхности канала заряда и дальнейший режим спутного горения.

Рисунок 19 – Схема пористого заряд трубчатой формы Рисунок 20 – Изменение во времени ос редненного по каналу заряда давления Необходимо отметить качественное и количественное развитие процессов схемы рисунка19 по сравнению с классической (рисунок 15). В частности, зависимость давления от времени (рисунок 20) име ет возрастающий характер на протяжении всего активного времени работы, что обуславливается как развитием геометрии поверхности горения, так и более высокой степенью прогрева массы существенно более тонкого пористого заряда.

Средняя температура продуктов горения на выходе устройства выше на 74K (по сравнению с расчетом для модельного газогенерато ра), поскольку продукты сгорания, протекающие через достаточно тонкий пористый заряд, не успевают охладиться до его температуры.

Во второй части главы рассматривается процесс постадийного заполнения, развер тывания и наддува эластичной оболочки airbag подушки. Схема области решения подушка приведена на рисунке 21. На рисунке представлены картины полей скорости те газогене- чения продуктов сгорания и полей давления ратор в различные моменты времени после раз вертывания подушки при ее наддуве до ра бочего давления. Из результатов вычисле ний видно, что в начальные моменты вре мени (t 16 мс) скорости потока достигают значительных величин (до 300450 м/с) в области между подводящим сечением и Рисунок 21 – Схема противоположной ему "стенкой" подушки.

области расчета Пространственные градиенты скорости в эти моменты времени также носят максимальный характер. Струя продуктов сгорания, дос тигая оболочки, разворачивается и растекается по всему объему. Не посредственно в области вблизи противоположной "соплу" стенкой подушки поток, как это и должно быть с точки зрения физики про цесса, подтормаживается.

Вторая область повышенного давления локализуется в районе подвода массы и энергии.

Рисунок 22 – Поля давления и скростей в моменты времени +8мс и +16мс Рисунок 23 – Поля максимального перепада давления при +20мс и +28мс В последующие моменты времени (t 16 мс) скорости потока па дают – вдув происходит в область с противодавлением. Эти момен ты времени характеризуются повышенным давлением на фрон тальной поверхности оболочки.

На рисунке. 24 показана динами ка изменения во времени перепа да давления в двух характерных точках оболочки. Можно отме тить, что максимальные значения перепада давления реализуются на фронтальной поверхности оболочки в моменты времени Рисунок 24 – Перепад давления по (+20 мс t +32 мс).

поверхности подушки В заключении диссертации приведены выводы и сформулиро ваны основные результаты исследований, которые состоят в следую щем.

1. Применительно к современной практике проектирования соз дана новая физико – математическая модель, описывающая комплекс взаимовлияющих процессов газовой динамики и баллистики реаль ных газогенераторов подушек безопасности, включая воспламени тельное устройство и полость наддуваемой оболочки. Разработана методика и соответствующее программное обеспечение, обеспечи вающие решение задач моделирования процессов в airbag газогенераторах при пространственном, осредненном и комбиниро ванном описаниях течения.

2. Выполнена проверка и подтверждена достоверность исполь зованных методов, положений, выводов и рекомендаций работы на основе физическго анализа результатов вычислений, исследования сходимости выбранных методов и расчетно – алгоритмических схем, сравнения с другими известными методиками и точными решениями, а также сопоставления с экспериментальными данными.

2. Впервые решен ряд практических задач газодинамики внут рикамерных процессов и получены новые данные по структуре тече ний для конструкций существующих и перспективных airbag газогенераторов с гранулированными, вкладными и пористыми заря дами. В частности • Проведены расчеты airbag-газогенераторов с гранулированным за рядом, для которого выявлены закономерности влияния геометри ческих характеристик камеры сгорания и заряда на параметры за жигания топлива и развитие кривой давление-время;

• Исследован процесс функционирования для airbag-газогенераторов с трубчатыми зарядами всестороннего горения, характеризующий ся значительной газодинамической напряженностью течения (вы сокие скорости потоков и перепадов давления);

наличием и движе нием границ раздела потоков на внутреннем и внешнем газовых трактах. Анализ результатов показал существенно нелинейную за висимость параметров процесса от геометрических характеристик заряда и корпуса. Отмечено, что на кривую давления существенное влияние оказывают учеты эффектов нестационарности скорости горения (3%) и эрозионный эффект (до 17%);

• Проведены расчеты airbag-газогенераторов с пористым зарядом, работающим в режиме спутного горения. Отмечена характерная особенность конструкции – слабая зависимость распределения температуры продуктов сгорания и ее профиля относительно коор динаты текущего положения фронта горения в течение всего вре мени работы газогенератора. Полученные данные по перепадам давления и температуры по камере сгорания и области, располо женной за узлом фильтра продуктов сгорания;

• Представлены результаты анализа динамических нагрузок, реали зующихся в процессе развертывания и наддува подушек безопасно сти для различных систем газогенераторов. Представлены резуль таты вычислений в виде полей скорости и давления газа в различ ные моменты времени, а также динамики градиента давления в процессе заполнения полости подушки. Определено, что для сред него по применению объема оболочки подушки 80 л при среднем же времени ее заполнения 80-100 мс в штатном режиме максималь ный перепад давления реализуется во второй четверти полного времени функционирования устройства и может двукратно превы шать режимное значение наддува.

3. На базе анализа процессов при организации спутного горения предложена новая схема конструкции пористого заряда для перспек тивных высокопроизводительных газогенераторов подушек безопас ности. Отмечено, что зависимость давления от времени имеет возрас тающий характер на протяжении всего времени работы, что обуслов лено как развитием геометрии поверхности горения, так и более вы сокой степенью прогрева массы более тонкого пористого заряда. При этом средняя температура продуктов горения на выходе устройства выше на 74K (по сравнению с расчетом для "классической" схемы), поскольку продукты сгорания, протекающие через достаточно тонкий пористый заряд, не успевают охладиться до его температуры.

4. Разработанное методическое и программное обеспечение вне дрено в практику исследовательских работ Института проблем хими ко – энергетических технологий СО РАН. По выполненным исследо ваниям разработаны курсы лекций и компьютерное учебное пособие для студентов и аспирантов соответствующих специальностей.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Kondratova О.А. Propellant conversion use for supercharges elastic cases [Текст] /A.B.Vorozhtsov, S.S.Bondarchuk, O.A. Kondratova //Application of the Conver sion Research Results for International Cooperation: The third International Sym posium(SIBCONVERS’99). Proceedings. – Tomsk: Изд-во ТУСУР, 1999. - С.

264-265.

2. Кондратова О. Системно – методическое обеспечение проектирования по душек безопасности на базе пороховых газогенераторов [Текст]/С. Бондар чук, А. Ворожцов, О Кондратова //Экономика, технология, предпринима тельство: сб. научн. трудов. - Томск: изд-во ТГПУ, 2000. – С. 21- 3. Кондратова О. Математическое моделирование наддува подушек безопасно сти низкотемпературными газогенераторами [Текст] / С.Бондарчук, О. Кон дратова // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механи ки: Доклады II Всероссийской науч ной конференции. – Томск: Изд-во ТГУ, 2000. – С. 33- 4. Kondratova О. Mathematical Simulation of Airbag Inflation by Low Temperature Gas Generator Products [Текст] / A.Vorozhtsov, S.Bondarchuk, A Salko, O.

Kondratova // An International Journal Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Volume 25, Issue 5, 2000. – Pages: 220-223 (Published Online: 3 Nov WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim, Fed. Rep. of Germany 5. Кондратова О. Математическое моделирование наддува подушек безопасно сти низкотемпературными газогенераторами [Текст] / С. Бондарчук, А. Во рожцов, О. Кондратова // Вычислительная газодинамика и горение конден сированных систем / под ред. С.С. Бондарчука. – Томск: Изд-во ТГПУ, 2001.

– С. 41- 6. Kondratova О Numerical Simulation Of Airbag Gas Generator With Monoblok Non-Case-Bonded Charge [Текст] / A. Vorozhtsov, S.Bondarchuk, A. Salko, O.

Kondratova//Energetic Materials: Synthesis, Production and Application: 33th In ternational Annual Conference of ICT (June 25-28). – 2002, Karlsruhe, Federal Republic of Germany, V8-11pp.

7. Кондратова О. Airbag-газогенераторы с вкладными зарядами [Текст] / С.

Бондарчук, А. Березиков, О.Кондратова // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: Доклады III Всероссийской науч. конф. – Томск: Изд-во ТГУ, 2002. – С. 48- 8. Кондратова О. Comparative Analysis of Intrachamber Processes in Airbag Gas Generators [Текст] / С.Бондарчук, А. Ворожцов, В. Зима, О.Кондратова // Внутрикамерные процессы и горение в установках на твердом топливе и в ствольных системах (ICOC – 2002): 4 международная конф., (12-16 ноября 2002, Москва). – Ижевск: Изд-во Института прикладной математики УрО РАН, 2004 – С. 428- 9. Кондратова О.А Моделирование процессов в airbag-газогенераторах с вкладными зарядами [Текст] / О.А Кондратова // Информационные техноло гии в науке, проектировании и производстве: материалы 9 Всероссийской научно-технической конференции – Нижний Новгород: Изд-во НГТУ, 2003.

– С. 21- 10. Кондратова О.А. Airbag-газогенераторы с пористым зарядом [Текст] / О.АКондратова // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: Труды Всероссийской науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / под ред. С.М. Кулакова. Вып. 7 – Ч. 2. Техн. науки. – Новокузнецк: Изд-во Сиб ГИУ, 2003. –С. 8- 11. Кондратова О. Газодинамический анализ Airbag - газогенератора с порис тым зарядом [Текст] / С. Бондарчук, А. Ворожцов, Л. Пилюгин, В Полищук, В. Шандаков, О.Кондратова // Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права: Науч. тр. VI Междуна родной научно-практической конференции Книга "Приборостроение". (Сочи 6 – 9 октября 2003) – М.: Изд-во МГАПИ, 2003. - С.24- 12. Кондратова О. Подводный наддув эластичных оболочек твердотопливным газогенератором [Текст] / С. Бондарчук, А. Ворожцов, В. Зима, О. Кондрато ва // Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информа тики, экономики и права: Науч. тр. VI Международной научно-практической конференции Книга "Приборостроение" (6 – 9 октября, Сочи, 2003) – М.:

МГАПИ, 2003. - С.31- 13. Кондратова О.А Применение численных методов решения задач для расче та базовых функций математической физики [Текст] / О. Кондратова // Ре гиональные проблемы и национальные достижения: Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования. Т. 1.(1-5 декабря 2003) / под ред. В.П. Савиных, В.В. Вишневского. – М.: Академия наук о Земле, 2003. – С. 113- 14. Кондратова О.А. Моделирование процессов в газогенераторах наддува по душек безопасности [Текст] / О. Кондратова // Региональные проблемы и национальные достижения: Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования. Т. 2. (1-5 декабря 2003) / под ред. В.П. Сави ных, В.В. Вишневского. – М.: Академия наук о Земле, 2003. – С. 71- 15. Кондратова О. Моделирование процессов в airbag-газогенераторах с по ристым зарядом [Текст] / С. Бондарчук, А. Ворожцов, В. Зима, О. Кондрато ва // Информационные технологии в науке, проектировании и производстве:

материалы 10 Всероссийской науч.-техн. конф. (23 декабря 2003). – Нижний Новгород: Изд-во НГТУ,2003. – С.4- 16. Кондратова О.А. Gasdynamic analysis of the airbag gas generator with a po rous charge [Текст] / С.С.Бондарчук, О.А Кондратова // Вестник Томского го сударственного педагогического университета. Серия: Естественные и точ ные науки №4, 2003, вып. 4(36). – Томск: Изд-во ТГПУ, 2003. – С. 31- 17. Кондратова О. Моделирование процессов при подводном наддуве эластич ных оболочек газогенератором [Текст] / С. Бондарчук, А. Ворожцов, В. Зи ма, О. Кондратова // Современные информационные технологии в науке, производстве и образовании: Сб. мат. международной научно-практической конференции. – Пенза: Изд-во ПГСХА, 2004. С. 68- 18. Archipov V.A., Bondarchuk S.S., Kondratova O.A. The Analysis of Measure ment Techniques of Non-stationary Combustion Speed for Condensed Systems [Ткст] / V.A. Archipov, S.S. Bondarchuk, O.A. Kondratova // High Energy Mate rials: Demilitarization and Civil Applications. Summary of the International Workshop HEMs-2004 (Sept. 6-9, 2004, Belokurikha). – Biysk: FGUP FR & PC ALTAI. - P. 119- 19. Кондратова О.А. Анализ методов измерения нестационарной скорости го рения конденсированных систем [Текст] / В.А. Архипов, С.C. Бондарчук, О.А Кондратова // Высокоэнергетические материалы. Демилитаризация и гражданское применение: Тезисы Междунар. конф. "HEMs-2004" (6-9 сен тября 2004г. г.Белокуриха). – Бийск: Изд-во ФГУП ФНПЦ "Алтай". – С.118 20. Кондратова О.А. Использование вкладных зарядов в airbag газогенераторах [Текст] / С.C. Бондарчук, О.А. Кондратова // Фундамен тальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономи ки и права: Науч. тр. VII Международной научно-практической конферен ции Книга "Приборостроение". (1 – 5 октября, Сочи, 2004) – М.: Изд-во МГАПИ, 2004. – С. 104-108.

21. Кондратова О.А. Анализ применимости airbag-газогенераторов с вкладны ми зарядами [Текст] / С.C.Бондарчук, О.А. Кондратова // Региональные про блемы и национальные достижения: Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования. Т. 2.(6-10 декабря 2004) / под ред.

В.П. Савиных, В.В. Вишневского. – М.: Академия наук о Земле, 2004. – С.

167 – 22. Кондратова О.А. Применение пористых зарядов в автомобильных подуш ках безопасности [Текст] / С.C Бондарчук, О.А. Кондратова // Наука и обра зование: Материалы Всероссийской конф студентов, аспирантов и молодых ученых (19-23 апреля 2004г.): В 6т. Т.1, Ч.2: Естественные и точные науки. – Томск: Изд-во ТГПУ, 2004. - с.239-242.

23. Kondratova O.A. Modeling of Processes in Airbag Gas Generators [Текст] / O.A Kondratova. // High Energy Materials: 5-th International Conference & Ex hibit (November 23-25, 2005). –– Hyderabad, India: DRDL, 2005. P – 24. Kondratova O.A. Modeling of Processes in Airbag Gas Generators [Электрон ный ресурс] / O.A Kondratova// High Energy Materials: 5-th International Con ference & Exhibit (November 23-25, 2005). – Hyderabad, India: DRDL, 2005. – Режим доступа: [С экрана: секция Modelling;

название публикации;

тезисы (abstracts) или полный текст (full paper)]. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) 25. Кондратова О.А. Моделирование динамических и тепловых нагрузок при наддуве подушек безопасности [Текст] / С.С.Бондарчук, О.А.Кондратова // Высокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гра жданское применение: II Международная конф. (11-14 сентября 2006, г. Бе локуриха). – М.: Изд-во ЦНИИХМ – С. 26. Kondratova O.A. Modeling of Dynamic and Thermic Stresses in Airbags [Текст] / S.S. Bondarchuk, O.A. Kondratova // High Energy Materials: Demilita rization, Antiterrorizm & Civil Applications: II International Workshop (Septem ber 11-14, 2006, Belokurikha), – M: CSRICM. - P. 60-

 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.