Развитие средств термодинамического расчета характеристик ракетного двигателя с использованием языка программирования Julia

Приведен опыт разработки алгоритма и программы теплового расчета характеристик химико-термического ракетного двигателя. Программа написана на языке Julia. Для расчета равновесного состава продуктов сгорания использована свободно распространяемая библиотека Ipopt. Программа сопряжена с базой данных по термодинамическим свойствам индивидуальных веществ ИВТАНТЕРМО. Для удобства обработки информация о термодинамических свойствах хранится в двух текстовых файлах специального вида. При разработке программы использована простейшая модель рабочего процесса, в соответствии с которой поток является одномерным, течение продуктов адиабатическое, равновесное, потери на трение отсутствуют, скорость конденсированных частиц равна скорости газового потока. Приведены соотношения для расчета производных состава, а также равновесных значений теплоемкости и скорости звука. Текст программы можно использовать в учебном процессе, его нетрудно адаптировать для более сложных моделей рабочего процесса в ракетном двигателе. Результаты вычислений, полученные с использованием разработанной программы, находятся в хорошем соответствии с результатами расчетов программы ТЕРРА. Время выполнения одного расчета четырехэлементного топлива, который включает в себя определение характеристик продуктов сгорания в камере, критическом сечении и на срезе сопла, варьируется в диапазоне 3...5 с

Литература

[1] Зельдович Я.Б., Полярный А.И. Расчеты тепловых процессов при высокой температуре. М., НИИ № 1, 1947.

[2] Huff V.N., Morrell V.E. General method for computation of equilibrium composition and temperature of chemical reactions. NACA Technical report 2113. Washington, NACA, 1950.

[3] Huff V.N., Gordon S., Morrell V.E. General method and thermodynamic tables for computation of equilibrium composition and temperature of chemical reactions. NACA Technical report 1037. Washington, NACA, 1951.

[4] Donegan A.J., Farber M. Solution of thermochemical propellant calculations on a high-speed digital computer. J. Jet Propuls., 1956, vol. 26, no. 3, pp. 164--171. DOI: https://doi.org/10.2514/8.6950

[5] Villars D.S. A method of successive approximations for computing combustion equilibria on a high speed digital computer. J. Phys. Chem., 1959, vol. 63, no. 4, pp. 521--525. DOI: https://doi.org/10.1021/j150574a016

[6] Gordon S., Zeleznik F.J. A General IBM 704 or 7090 сomputer рrogram for computation of chemical equilibrium compositions, rocket performance, and Chapman --- Jouguet detonations. NACA Technical report D-1454. Washington, NAСA, 1962.

[7] Глушко В.П., ред. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Т. 1. М., АН СССР, ВИНИТИ, 1971.

[8] Синярёв Г.Б. Универсальный метод решения системы уравнений для определения равновесного состава рабочего тела. В: Некоторые вопросы механики. М., Оборонгиз, 1962, с. 80--106.

[9] Синярёв Г.Б., Слынько Л.Е., Трусов Б.Г. Метод, универсальный алгоритм и программа термодинамического расчета многокомпонентных гетерогенных систем. М., Изд-во МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1978.

[10] Синярёв Г.Б., Ватолин Н.А., Трусов Б.Г. и др. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов. М., Наука, 1982.

[11] Gordon S., McBride B.J. Computer program for calculation of complex chemical equilibrium compositions and applications. P. 1. Analysis. NACA Technical report archive 19950013764. Washington, NAСA, 1994.

[12] Wachter A., Biegler L.T. On the implementation of an interior-point filter line-search algorithm for large-scale nonlinear programming. Math. Program., 2006, vol. 106, no. 1, pp. 25--57. DOI: https://doi.org/10.1007/s10107-004-0559-y

[13] Dunning I., Huchette J., Lubin M. JuMP: a modeling language for mathematical optimization. SIAM Rev., 2017, vol. 59, no. 2, pp. 295--320. DOI: https://doi.org/10.1137/15M1020575

[14] Белов Г.В. Расчет равновесного состава сложных термодинамических систем с использованием языка Julia и библиотеки Ipopt. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2021, № 3 (136), с. 24--45. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3933-2021-3-24-45

[15] Belov G.V., Dyachkov S.A., Levashov P.R., et al. The IVTANTHERMO --- online database for thermodynamic properties of individual substances with web interface. J. Phys.: Conf. Ser., 2018, vol. 946, art. 012120. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/946/1/012120

[16] Белов Г.В., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование химически реагирующих систем. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013.