Mathematical Modeling of Hydrodynamic Instability of the Flows in Combustion Chambers Liquid Propellant Rocket Engines

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The phenomenon of hydrodynamic instability of flows in combustion chambers of liquid-propellant rocket engines and its influence on occurrence and development of high-frequency oscillations of working process parameters are considered. Based on the numerical solution of two model problems, it is shown that hydrodynamic instability of the flow can directly cause high-frequency oscillations in the engine chamber. The first of the above tasks corresponds to uniform blowing of combustion products into the chamber through the section. In this formulation, the expected pulsations are not observed, and the flow parameters at the steady-state mode correspond to the conditions of thermodynamic equilibrium, which can be taken as verification of the proposed mathematical model. Second task corresponds to slotted injection of combustion products into chamber simulating operation of injector head with concentric rows of mixing elements arranged on it. The presence of slotted injection leads to the emergence of hydrodynamic instability of the flow with the formation of intense vortex zones in the working volume of the combustion chamber and the subsonic part of the nozzle. This process is accompanied by the appearance of high-frequency oscillations in the values of the flow parameters. Calculation results are given and the obtained numerical solution is tested.

About the authors

D. M. Borisov

JSC SSC “Research Center named after M.V. Keldysh”

Author for correspondence.
Email: borisovdm62@mail.ru
Russian Federation, Moscow

V. V. Mironov

JSC SSC “Research Center named after M.V. Keldysh”

Email: borisovdm62@mail.ru
Russian Federation, Moscow

A. M. Rudenko

JSC SSC “Research Center named after M.V. Keldysh”

Email: borisovdm62@mail.ru
Russian Federation, Moscow

Y. A. Shuraev

JSC SSC “Research Center named after M.V. Keldysh”

Email: borisovdm62@mail.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Неустойчивость горения в ЖРД / под ред. Д. Харрье и Ф.Г. Рирдона. М., 1975.
  2. Лебединский Е.В., Калмыков Г.П., Мосолов С.В. и др., под ред. академика РАН Коротеева А.С. Рабочие процессы в жидкостном ракетном двигателе и их моделирование. М.: Машиностроение, 2008.
  3. Jianxiu Qin and Huiqiang Zhang. Numerical analysis of self-excited combustion instabilities in a small MMH/NTO liquid rocket engine. Hindawi, International Journal of Aerospace Engineering, Vol. 2020, Article ID 3493214, 17 pages, https://doi.org/10.1155/2020/3493214
  4. Urbano A., Selle L., Staffelbach G., Cuenot B., Schmitt T., Ducruix S., Candel S. Exploration of combustion instability triggering using Large Eddy Simulation of a multiple injector Liquid Rocket Engine. Combustion and Flame, Elsevier, 2016, 169, pp. 129–140. 10.1016/j.combustflame.2016.03.020. hal-01320509
  5. Борисов Д.М., Шураев Ю.А., Миронов В.В. Метод расчета сжимаемых вязких течений в каналах энергодвигательных установок со сложной геометрией проточного тракта // Изв. РАН. Энергетика, 2015. № 5. С. 152–158.
  6. Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах (Астра-4/рс). М.: Изд. МВТУ им. Э. Баумана, 1991.
  7. Борисов Д.М., Миронов В.В., Шураев Ю.А. Термохимическое моделирование неизоэнтропических процессов в камерах сгорания и соплах ракетных двигателей. // Изв. РАН. Энергетика, 2020. № 1. С. 21–39.
  8. Ковеня В.М., Яненко Н.Н. Метод расщепления в задачах газовой динамики. Издательство “Наука”. Сибирское отделение. Новосибирск, 1981 год.
  9. Марчук Г.И. Методы расщепления. Москва. “Наука”. Главная редакция физико-математической литературы, 1988 год.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Lines of a curved coordinate system.

Download (125KB)
3. 2. Distribution of the static pressure along the axis of the chamber and the nozzle of the engine at different time points: 1 – t = 0.662; 2 – t = 2.297; 3 – t = 3.659.

Download (73KB)
4. 3. The dependence of the static pressure in the critical section on the nozzle axis on time.

Download (66KB)
5. Fig. 4. Steady-state flow lines.

Download (139KB)
6. Fig. 5. Longitudinal distribution of static pressure on the nozzle wall.

Download (74KB)
7. Fig. 6. Distribution of static pressure along the nozzle axis.

Download (98KB)
8. 7. Distribution of the static temperature along the nozzle axis.

Download (86KB)
9. 8. Distribution of the mass concentration of water along the axis of the nozzle.

Download (79KB)
10. 9. Current lines in the combustion chamber and the nozzle of the engine at different time points.

Download (520KB)
11. 10. The dependence of the static pressure in the critical section on the nozzle axis on time.

Download (93KB)

Copyright (c) 2025 Российская академия наук

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».