مطالعه عددی جریان فرا صوت گاز در یک شیپوره رمپ تک انبساطی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، گروه هوافضا، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، گروه هوافضا، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

در بسیاری از طراحی­ها برای پرنده­های فضایی با موتورهای اسکرمجت از شیپوره­های رمپ تک انبساطی (سرن) استفاده می­شود زیرا استفاده از شیپوره سرن در نسبت­های انبساط زیاد، باعث کاهش وزن شیپوره و کاهش پسای اصطکاکی شده و همچنین یک نیروی برآی اضافی تولید می­نماید. هدف از این مقاله بررسی عددی جریان فرا صوت در شیپوره خروجی یک موتور اسکرمجت با استفاده از یک کد عددی فرترن می­باشد. برای حل مسأله از حل معادلات ناویر-استوکس استفاده شده است. معادلات حاکم بر حوزۀ حل، شامل معادله پایستاری جرم، معادلات مومنتوم، معادله انرژی و معادله حالت گاز کامل می­باشند که برای جریان تراکم­پذیر لزج دو-بعدی استفاده شده­اند. برای حل عددی این معادلات از روش گام­زنی زمانی یعنی شکل ناپایای معادلات ناویر-استوکس استفاده شده است. در اینجا با روش گام­زنی زمانی برای حل جریان ناپایا پاسخ حالت پایا نتیجه شده است. در ادامه نتایج حاصل از کد عددی با نتایج فلوئنت و نتایج روش مشخصه­ها و نتایج تجربی مقایسه شده است که این مقایسه نشان دهنده تطابق خوب نتایج حل عددی با نتایج تجربی و سایر نتایج می­باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Suresh C. K., Ashwin K. K., Parammasivam K. M., Computational Study of the Effect of Geometric Parameters On The Performance Of Single Expansion Ramp Nozzle Flows, International Journal of Mechanical and Industrial Engineering (IJMIE) ISSN No. 2231-6477, Vol-3, Iss-1, 2013.   
[3] http://www.wikipedia.com   
[4] Joseph M. H., James S. M., Richard C. M., The X-51A Scramjet Engine Flight Demonstration Program, AIAA-2008-2540, 15th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, Dayton, Ohio, 28 April – 1 May 2008. 
[5] Hank J., Murphy J., Mutzman R., The X-51A Scramjet Engine Flight Demonstration Program, in 15th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference (AIAA 2008-2540), Dayton, Ohio, 28 April - 1 May 2008.
[6] Tran K. K., One Dimensional Analysis Program for Scramjet and Ramjet Flowpaths, Master of Science Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, December 2010.
[7] فیلیپ هیل، کارل پیترسون، ترجمه کریم مظاهری، محمدعلی ایوبی، مکانیک و ترمودینامیک پیشرانش، انتشارات علمی دانشگاه صنعتی شریف، چاپ اول، 1377.    
[8] Segal C., Corin S., The Scramjet Engine: Processes and Characteristics, Published in the United States of America by Cambridge University Press, New York, 2009. 
[9] Chandraprakash T., Computational Simulation Of Scramjet Combustors – A Comparison Between Quasi-One Dimensional And 2-D Numerical Simulations, Master of Science Thesis, University Of Kansas School Of Engineering, 2011.    
[10] Heiser W. H., Pratt D. T. (with Daley, D. H. and Mehta, U. B.), Hypersonic Airbreathing Propulsion, AIAA Educational Series, 1994.
[11] Saeed Farokhi, Aircraft Propulsion, Second Edition, John Wiley & Sons Ltd, 2014.  
[12] Rao G. V R., Exhaust nozzle contour for optimum thrust, Journal of Jet Propulsion, Vol. 28, No. 6, pp. 377–382, 1958. 
[13] Huang Z. C., The aerodynamic design of nozzle for aerospace plane, Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, Aerodyn Exp Meas Control, 7: 1–10, 1993.  
[14] Chen B., Xu X., Cai G. B., Optimization design of two dimensional scramjet nozzle based on N-S equations, Journal of Propulsion Technology, 23: 433–437, 2002.  
[15] Chen B., Xu X., Cai G. B., Single- and multi-objective optimization of scramjet components using genetic algorithms based on a parabolized navier-stokes solver, AIAA-2006-4686, 2006.   
[16] Shengjun Ju, Chao Yan, Xiaoyong Wang, Yupei Qin, Zhifei Ye, Optimization design of energy deposition on single expansion ramp nozzle, Journal of Acta Astronautica, Vol. 140, pp. 351-361, 2017.
[17] Marathe A. G., Thiagarajan V., Effect of geometric parameters on the performance of single expansion ramp nozzle, AIAA-2005-4429, 2005. 
[18] Damira S. K., Marathe A. G., Sudhakar K., Parametric optimization of single expansion ramp nozzle (SERN), 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit 9 - 12 July 2006, Sacramento, California, AIAA-2006-5188, 2006.  
[19] He X. Z., Zhang Y., Wang G. Y., et al., Automated design optimization of single expansion ramp nozzle for hypersonic vehicle, Journal of Propulsion Technology, 28: 148–151, 2007.  
[20] Che J., Tang S., The application of genetic algorithms to afterbody/nozzle integrated design of a hypersonic vehicle, Flight Dynamics, 24: 74–77, 2006. 
[21] Gao T., Cui K., Wang X., Hu S., Yang G. and Ren L., Aerodynamic optimization and evaluation for the three-dimensional afterbody/nozzle integrated configuration of hypersonic vehicles, Chinese Science Bulletin, Fluid Mechanics, Vol. 57, No. 8, pp. 849-857, March 2012.  
[22] Zheng Lv, Jinglei Xu, Yang Yu, Jianwei Mo, A new design method of single expansion ramp nozzles under geometric constraints for scramjets, Journal of Aerospace Science and Technology, P.4 (1-11), 2017.
[23] Hopkins H. B., Konopka W., and Leng J., Validation of scramjet exhaust simulation technique at Mach 6, NASA Contractor Report 3003, 1979.  
[24] Huebner L. D., and Tatum K. E., Computational and Experimental Aftbody Flow Fields for Hypersonic, Airbreathing Configurations with Scramjet Exhaust Flow Simulation, AIAA Paper 91-1709, June 1991.    
[25] Tohru M., Shuichi U., Koichiro T., Shigeru S., Hiroshi M., Masashi M., Shouhachi Y., Validation Studies of Scramjet Nozzle Performance, Journal Of Propulsion And Power, Vol. 9, No. 5, Sept.-Oct. 1993.
[26] Bakhtiyar M. Nafis, Tushar Paul, and A. B. M. Toufique Hasan, Effect of flap temperature on single expansion ramp nozzle performance, 7th BSME International Conference on Thermal Engineering, 2017.
[27] Karri S. N., Dinesh K. B., Modelling and Exhaust Nozzle Flow Simulations in a Scramjet, International Journal of Science and Research (IJSR), ISSN (Online): 2319-7064, 2013.  
[28] Ramesha D. K., Rudra M., HemanthKumar P., CFD Analysis of Supersonic Exhaust in a Scramjet Engine, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, ISSN: 2319-8753, 2013.  
[29] Zhang X., Qin L., Chen H., He X., Liu Y., Radical recombination in a hydrocarbon-fueled scramjet nozzle, Chinese Journal of Aeronautics, 27(6): 1413–1420, 2014.  
[30] Denton J. D., An Improved Time Marching Method for Turbomachinery Flow Calculation, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 105, pp. 514-521, July 1983.   
[31] Jameson A., Schmidt W., Turkel E., Numerical Solution of Euler Equation by Finite Volume Methods Using Runge-Kutta Time Stepping Schemes, AIAA. Paper No. AIAA-81-1259, 1981.   
[32] تیمورتاش ع.، وهاب­زاده کلخوران م.، مه­پیکر م.، بررسی تأثیر اندازۀ گام بر روی تلفات یک کسکید از پره­های توربین و مقایسۀ آن با معیار تجربی سویفل، نهمین کنفرانس انجمن هوافضای ایران، تهران، بهمن ماه 1388.   
[33] تیمورتاش ع.، وهاب­زاده کلخوران م.، مه­پیکر م.، حذف معادله انرژی در روش زمان پیمایشی جیمسون برای حل جریان تراکم پذیر بی دررو بین پره های یک توربین، دهمین همایش انجمن هوافضای ایران، تهران،انجمن هوافضای ایران، دانشگاه تربیت مدرس، 1389.  
[34] Ng K. C., Yusoff M. Z., Yusaf T. F., Simulations of Two-dimensional High Speed Turbulent Compressible Flow in a Diffuser and a Nozzle Blade Cascade, American Journal of Applied Sciences, Vol. 2, No. 9, pp. 1325-1330, 2005.   
[35] Deepu M., Gokhale, Jayaraj S. S., Numerical Modelling of Scramjet Combustor, Defence Science Journal, Vol. 57, No. 4, pp. 367-379, July 2007.