اثر هندسه‌ی نازل‌ بر عملکرد آن در حالت خارج از طرح در جریان دارای شوک و جدایش لایه مرزی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

چکیده

در این مقاله، جریان تراکم‌پذیر در هندسه های مختلف در نازل همگرا واگرا در شرایط خارج از طرح دارای شوک و جدایش لایه مرزی بررسی شده است. نسبت مساحت سطح خروجی به گلوگاه و فشار کل محفظه احتراق ثابت، ولی نوع هندسه نازل متغیر است. معادلات ناویراستوکس برای جریان تراکم‌پذیر با روش حجم محدود حل شده است. با مقایسه نتایج با داده‌های تجربی موجود، مدل آشفتگی اسپالارت- آلماراس انتخاب شده است. جریان لزج بصورت متقارن محوری وغیرپایا در نظر گرفته شده است. پس از طراحی نازل به روش مشخصه‌ها، جریان در نازل‌های مختلف شبیه‌سازی شده است و پارامترهایی نظیر عدد ماخ، تنش برشی دیواره، راندمان پیشران، فشار دیواره‌ی نازل، جدایش جریان و موج شوک تحلیل بررسی گردیده است. نتایج به دست آمده برای چهار نوع نازل مسیر- بهینه، مخروطی 15 درجه، مخروطی 30 درجه و نازل طول کوتاه، نشان می دهد که در شرایط طراحی، نازل مسیر- بهینه با تولید نیروی پیشران معادل 7889 نیوتن مناسب‌ترین نوع نازل است، اما در شرایط خارج از طرح، نازل مخروطی با 9700 نیوتن، نیروی پیشران بیشتری نسبت به سایر نازل‌ها تولید می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


1[ گلرنگ س. و رفعی ر.، بررسی اثر جابه­جایی مکان مقطع برشی در ناحیه واگرای یک نازل متحرک بر عملکرد آن در سیستم کنترل بردار تراست. مجلۀ علمی پژوهشی مکانیک سازه­ها و شاره­ها، د. 4، ش. 2، ص 146-133، 1393.
]2[  گلرنگ س. و رفعی ر.، بررسی اثرتغییر زاویۀ واگرایی یک شیپوره متحرک بر عملکرد آن در سیستم کنترل بردار نیروی پیشران، علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک، د. 26، ش. 1، ص. 1-15، 1393.
]3[ بنازاده نیشابوری ن. و رفعی ر.، شبیه‌سازی عددی میدان جریان تراکم‌پذیر سه بعدی در سیستم کنترل‌بردار نیـروی پیشران با تیغه‌های منحرف کننده جریان. مجلۀ مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، د. 46، ش. 4، ص. 48-39، 1395.
[4] Chen C. L., Chakravarthy S. R., Hung C. M., Numerical Investigation of Separated Nozzle Flows. AIAA Journal, Vol. 32, No. 9, pp.1836-1843, 1994.
[5] Miaosheng H., Lizi Q., Yu L., Numerical Investigation of Flow Separation Behavior in an Over-Expanded Annular Conical Aerospike Nozzle. Chinese Journal of Aeronautics, Vol. 28, No. 4, pp. 983-1002, 2015.
[6] Allamaprahu Y., Raghunandan B. N., Morinigo J. A. Numerical Prediction of Nozzle Flow Separation: Issue of Turbulence Modeling. Aerospace Science Technology, Vol. 13, No. 50, pp. 31-43, 2016.
[7] Bradshaw P., Ferriss D. H., Atwell N. P., Calculation of Boundary Layer Development Using the Turbulent Energy Equation. Journal of Fluid Mechanics, Vol.28, pp. 593-616, 1967.
[8] Sushma L., Deepik A. U., Sunnam S. K., Madhavi M., CFD Investigation for Different Nozzle Jet. Materials today: Proceedings, Vol. 48, pp. 9087-9094, 2017.
[9] Verma S. B., Shock Unsteadiness in a Thrust Optimized Parabolic Nozzle. Shock Waves, Vol. 19, pp. 193-212, 2009.
[10] Kbab H., Sellam M., Hamitouche T., Bergheul S., Lagab L., Design and Performance Evaluation of a Dual Bell Nozzle. Acta Astronautica, Vol. 130, pp. 52-59, 2017.
[11] Hasan A. M., Mashud M., Bari A., Islam M. M. U., Numerical Solution for the Design of Minimum Length Supersonic Nozzle. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 7, No. 5, pp. 605-612, 2012.
[12] Dangi D. R., Thaker P. B., Harichandan A. B., Flow Analysis of Rocket Nozzle Using Method of Characteristics. International Journal of Innovative Research in Science and Engineering, Vol. 7, No. 3, pp. 181-188, 2017.
[13] Zebbiche T., Youbi Z., Supersonic Two-Dimensional Minimum Length Nozzle at High Temperature, Emirates Journal for Engineering Research, Vol. 11, No. 1, pp. 91-102, 2006.
 [14] Ramamamurthi K., Rocket Propulsion, 2nd ed., Infinity Press, 2017.
[15]Summerfield M., Foster C., and Swan W., Flow Separation in Overexpanded Supersonic Exhaust Nozzles, Jet propulsion, Vol. 24, No. 9, pp. 319-321, 1954.
[16] Gross, A., Haidn, O., Stark, R., Zeiss, W, Weber, C., Weiland, C., Experimental and Numerical Investigation of Heat Loads in Separated Nozzle Flow, 37th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 8-11 July/Salt Lake City, UT, AIAA-2001-3682, 2001.
[17] Stark, R., Flow Separation in Rocket Nozzles, a Simple Criteria, 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 10-13 July, Tucson, Arizona, AIAA 2005-3940, 2005.
[18] Spalart P. and Allmaras S., A one-equation turbulence model for aerodynamic flows. AIAA Technical Report, AIAA-92-0439, 1992.
[19] Kim S., Kim C., Rho O. H., Cures for Shock Instability: Development of an Improved Roe Scheme. Journal of Computational Physics, Vol. 85, No., 2, pp. 342-374, 2003.