28084

شبيه‌سازي عددي عملكرد يك نوع انژكتور سمبه‌اي

كارشناسي ارشد

مهندسي هوافضا- جلو برندگي (پيشرانش)

1398

1401/12/3

حجت قاسمي

دانشكده مهندسي مكانيك

انژكتور سمبه‌اي يكي از انواع انژكتورهاي محوري دو-پيشرانه است كه آخرين نوع اصلي از انژكتورهاي مورد استفاده در موتورهاي مدرن مي‌باشد. در اين پژوهش مشخصه‌سازي پاشش يك انژكتور سمبه‌اي مسطح (سطح ثابت) مايع-مايع سوخت-محور در نسبت‌هاي متفاوت مومنتم كل (TMR) به طور عددي مورد بررسي قرار گرفته است. كروسين (RP-1) و اكسيژن مايع (LOX) به عنوان شبيه‌ساز پيشرانه‌هاي اصلي انتخاب شدند كه كروسين به عنوان سوخت از روزنه‌هاي شعاعي به طور گسسته (جت مايع) و اكسيژن مايع به عنوان اكسيدكننده (صفحه مايع) به طور پيوسته از شكاف حلقوي تزريق شده و به يكديگر برخورد مي‌كنند. در مطالعه حاضر براي تعيين مختصات انرژتيك پيشرانه در شرايط تعادلي از كد CEA ناسا استفاده شده است. همچنين، ضريب تخليه و نيم زاويه مخروط پاشش به عنوان پارامترهاي اساسي انتخاب شدند. در اين مطالعه، دبي جرمي پيشرانه‌ها، قطر پينتل و اختلاف فشار انتخابي براي جريان محوري را ثابت در نظر گرفته شد و ضريب تخليه جريان شعاعي در سرعت‌هاي متفاوت جت مايع بدست آمد. پس از محاسبه‌ي هر ضريب تخليه، مي‌توان طرح انژكتور پايه‌ريزي شده را صحت‌سنجي كرد و بعد از تاييد، سناريوهاي ممكن را بر اساس TMRهاي متفاوت تعريف كرده و هر سناريو را بطور جداگانه شبيه‌سازي مي‌نماييم. براي شبيه‌سازي پاشش انژكتور يك حل‌گر گذرا مبتني بر فشار بر روي مدل دو بعدي متقارن-محوري مورد استفاده قرار گرفت كه در آن از مدل آشفتگي Realizable k-ε استفاده شد و رفتار سيال نزديك ديواره در حالت استاندارد در نظر گرفته شد. انژكتور مورد نظر به عنوان يك مسئله چندفازي (3 فازي) به كمك مدل حجم سيال (VoF) در نرم‌افزار فلوئنت شبيه‌سازي مي‌شود. پس از شبيه‌سازي، رفتار پاشش خروجي از انژكتور بررسي مي¬شود، نسبت مومنتم محلي LMR براي هر سناريو محاسبه شده و در ادامه به كمك نرم‌افزار IC Measure نيم زاويه مخروط پاشش اندازه‌گيري شده و مورد تحليل قرار مي‌گيرد. در نهايت، "نيم زاويه مخروط پاشش" به دست آمده با معادله به دست آمده بر اساس LMR در مطالعات قبلي مقايسه مي‌شود و شبيه‌سازي انژكتور مورد مطالعه اعتبارسنجي مي‌شود.

1402/01/20

Numerical Simulation of a Type of a Pintle Injector Performance

2/22/2024 12:00:00 AM

A pintle injector is one of the various types of two-propellant co-axial injectors that is the latest kind of injector used in modern engines. In this research, the injection characterization of a planar (fixed area) liquid-liquid fuel-centered injector in different total momentum ratios (TMR) has been numerically studied. Kerosene (RP-1) and liquid oxygen (LOX) opted as simulators of main propellants, in which Kerosene is used as a fuel from radial orifices discretely (liquid jet) and liquid oxygen as an oxidizer continuously (liquid sheet) is injected from the annular gap and collides with each other. In the present study, NASA's CEA code was utilized to determine the energetic coordinates of the propellant in equilibrium conditions. Also, the discharge coefficient and spray half-cone angle were selected as fundamental parameters. In this study, the mass flow rate of the propellants, the diameter of the pintle and the chosen pressure drop for the axial flow were considered constant, and the discharge coefficient of the radial flow was obtained at different velocities of the liquid jet. After calculating each discharge coefficient, it is possible to verify the design of the established injector. After confirmation, we define the feasible scenarios based on different TMRs and simulate each separately. To simulate injector spray, an unsteady pressure-based solver on a symmetric-axial two-dimensional model was utilized, in which the Realizable k-ε turbulence model was applied, and the behaviour of the fluid near the wall was assumed in standard state conditions. The supposed injector is simulated as a multiphase (three-phase) problem with the help of the Volume of Fluid (VoF) Model in Fluent software. After the simulation, the spray behavior of the injector output is inspected, the local momentum ratio (LMR) is calculated for each scenario, and the half angle of the spray cone is measured and analyzed using the IC Measure software. Eventually, the obtained "spray half-cone angle" is compared to the equation obtained based on LMR in previous studies the simulation of the studied injector is validated.

اتميزاسيون , شبيه‌سازي عددي انژكتور سمبه‌اي , نيم زاويه مخروط پاشش , ضريب تخليه , نسبت مومنتوم كل , نسبت مومنتوم محلي

Atomization , Numerical simulation of pintle injector , Spray half-cone angle , discharge coefficient , Total momentum ratio (TMR) , Local momentum ratio (LMR)

Abolfazl Ferasat

Hojjat Ghasemi