بررسی انتقال حرارت گذرا در دیواره‌های شیپوره همگرا-واگرا

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، مهندسی هوا فضا، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

2 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

3 دانشیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

10.22044/jsfm.2020.9212.3081

چکیده

تمرکز این مقاله بر بررسی جریان گذرا، انتقال حرارت و نیروی پیشران در نازل همگرا-واگرا بوده است که در سیستمهای پیشرانش کاربرد دارد. معادلات میانگین گیری شده زمانی ناویراستوکس تراکم‌پذیر به روش حجم محدود، حل شده است. با تعریف جریان به صورت متقارن محوری، شبیه سازی عددی انجام شده و نتایج آن با نتایج آزمایش‌های تجربی مقایسه گردیده است. سپس در هندسه‌های مختلف، پارامترهای جریان و انتقال حرارت بررسی شده است. نتایج نشان داد که مدل آشفتگی k-ω SST در مقایسه با سایر مدل‌های آشفتگی، انطباق بهتری با نتایج آزمایش‌های تجربی دارد. همچنین با ثابت بودن طول نازل، افزایش زاویه واگرایی نازل همگرا-واگرا باعث افزایش عدد ماخ خروجی و کاهش فشار و دما در خروجی گردید. نازل های زنگوله‌ای در مقایسه با نازل های مخروطی، عدد ماخ خروجی بیشتر و دما و فشار خروجی کمتری داشتند. کاهش زاویه مقطع خروجی در نازل‌ زنگوله‌ای باعث افزایش عدد ماخ و نیروی پیشران و همچنین کاهش دما و فشار خروجی شده است. در نازل های مختلف، در مقاطعی که سطح ثابتی نسبت به گلوگاه دارند، انتقال حرارت از دیواره و مقادیر دما در سطح و عمق دیواره ثابت مانده است. دمای سطح در مقطع خروجی، برای نازل‌ زنگوله‌ای بیشتر از نازل‌ مخروطی به دست آمد. ضریب انتقال حرارت جابجایی در گلوگاه دارای مقدار بیشینه بود. مقایسه نیروی پیشران نشان داد که نازل زنگوله‌ای، نیروی پیشران بیشتری را فراهم می‌آورد. با افزایش زاویه خروجی نازل، نیروی پیشران کاهش یافت.

کلیدواژه‌ها


[1] Smith DM (1970) A Comparison of experimental heat transfer coefficients in nozzle with analytical predictions from bartz`s method for various combustion chamber pressures in a solid propellant rocket motor. ntrs.nasa.gov, M.Sc. Thesis, Faculty of North Carolina State University at Raleigh. 

[2] Bianchi D, Turchi A, Nasuti F, Onofri M (2012) Coupled CFD analysis of thermochemical erosion and unsteady heat conduction in solid rocket nozzles. 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf. & Exhibit. , 30 July - 01 August 2012, Atlanta, Georgia (AIAA 2012-4318).

[3] Hamedi Estakhrsar MH, Jahromi M (2014) Numerical simulation of turbulent compressible flows in a C-D nozzle with different divergence angles. J Heat Mass Transf Res 1: 93-100.

[4] Kostić OP, Stefanović ZA, Kostić IA (2015) CFD modeling of supersonic airflow generated by 2D nozzle with and without an obstacle at the exit section. FME Transactions 43(2): 107-113.

[5] گلرنگ س، رفعی ر (1393) بررسی اثر تغییر زاویه واگرایی یک شیپوره متحرک بر عملکرد آن در سیستم کنترل بردار نیروی پیشران. نشریه علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک 15-1 :(1)26.

[6] Ronald E Lee (1965) Measurements and correlation of transfer in a solid propellant rocket nozzle. U. S. Naval ordnance laboratory white OAK , Maryland.

[7] Ansys Fluent Users Guide (2013) Release 15,  Ansys Inc.

[8] Spalart P, Allmaras S (1992) A one-equation turbulence model for aerodynamic flows. Tech Rep AIAA-92-0439, Am .Inst Aeronaut Astronaut.

[9] Orszag SA, Yakhot V, Flannery WS, Boysan F, Choudhury D, Maruzewski J, Patel B (1993) Renormalization group modeling and turbulence simulations. Int Conf Near-Wall Turbulent Flows, Tempe, Arizona.

[10] Shin TH, Liou WW, Shabbir A, Yang Z, Zhu J (1995) A new k-ɛ eddy-viscosity model for high reynolds number turbulent flows – model development and validation. Comput Fluids 24(3): 227-238.

[11] Versteeg HK, Malalasekera W (2007) An introduction to computational fluid dynamics; the finite volume method. 2nd edn. Pearson/Prentice Hall, Harlow.

[12] Menter FR (1994) Two-equation eddy-viscosity turbulence, models for engineering applications. AIAA J 32(8):1598-1605.

[13] رهایی ن (1398) شبیه سازی عددی جریان و انتقال حرارت گذرا در دیواره های نازل همگرا و واگرا. پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده هوافضا، پردیس علوم و فناوری­های نوین دانشگاه سمنان.

[14] Sutton O Biblarz (2001) Rocket propulsion elements. 7th  edn. John Wiley Sons, New York.

[15] Wong EY (1968) Solid rocket nozzle design summary. AIAA 4th Propuls Joint Specialist Conf, Ohio, 1-15.

[16] ئی ج، جان ا (1392) دینامیک گازها. ترجمه علی اکبر عالم رجبی، انتشارات دانشگاه صنعتی اصفهان.

[17] صنیعی نژاد م (1394) مبانی جریان­های آشفته و مدل­سازی آن­ها، چاپ دوم، انتشارات دانش نگار.

[18] حسین پور نیکنام ح، منتظری هدش ع (1392) تحلیل تعادل شیمیایی به کمک نرم افزار CEA. ویرایش دوم، انتشارات سرو نگار.

[19] Bartz DR (1965 ) Turbulent boundary-layer heat transfer from rapidly accelerating flow of rocket combustion gases and of heated air. Adv Heat Transf 2: 1-104.

[20] RJB Cumberland , WR Lowstuter (1970) Rocket propellant. United States Patent No 3529551.

[21] Sarkar S, Balakrishnan L (1990) Application of a reynolds-stress turbulence model to the compressible shear layer. ICASE Report 90-18, NASA Contract Rep 182002.