بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحلیل تئوری و تجربی زاویه اسپری انژکتور هممحور پیچشی مایع‐ مایع
چکیده:
اثر اندرکنش اسپریهای خروجی از انژکتور هممحور پیچشی مایع‐ مایع با ورودی مماسی بر زاویه اسپری بهصورت تجربی و تئوری مطالعه شدهاست. زاویه اسپری، یکی از پارامترهای توصیفکننده خصوصیات اسپری است که تاثیر زیادی بر کـارایی اشـتعال، توزیـع جرمی در محفظه و بازده احتراق دارد و اطلاعات مربوط به آن برای طراحان انژکتور در طراحی انژکتور بهینه برای دستیابی بـه بـازده ماکزیمم در محفظه، بسیار مفید میباشد. برای انجام آزمایشها، دستگاه آزمایشی شامل نگهدارنده انژکتـور، خطـوط انتقـال و مخـازن نگهدارنده سیال و پانل کنترل طراحی و ساخته شده است. آزمایشها با آب، در فشار اتمسفر و نزدیک به شرایط واقعی انجـام شـده و روش عکسبرداری جهت تعیین زاویه اسپری بهکار رفتهاست. انژکتور هممحـور حاضـر دارای دو اریفـیس هـم مرکـز مـیباشـد کـه اسپریهای خروجی از آنها بعد از برخورد با هم، یک اسپری واحد تشکیل میدهند. یک مدلـسازی سـاده مبتنـی بـر معـادلات بقـای ممنتوم برای پیشبینی رفتار اسپری ترکیبی حاصل از برخورد اسپریهای درونی و بیرونی ارائه شدهاست. نتایج بـهدسـتآمـده نـشان میدهد که حضور همزمان اسپریها، باعث حرکت آنها به سمت یکدیگر میشود. زاویه اسـپری ترکیبـی در ترکیبهـای مختلـف دبـی گذرگاه درونی و بیرونی از زاویه اسپری گذرگاه درونی بیشتر و از زاویه اسپری گذرگاه بیرونـی کمتـر اسـت. مدلـسازی تاییـد شـده توسط نتایج تجربی بهدست آمده، نشان میدهد که زاویه اسپری انژکتور هممحور پیچشی مایع‐ مایع، برآیند زاویه اسپریهای درونـی و بیرونی نمی باشد و عامل مهم در تعیین آن، نسبت ممنتوم اسپری های درونی و بیرونی براساس اصل بقای ممنتوم ها میباشد.
۱‐ مقدمه
بازده احتراق و پایداری آن در موتورهای سوخت مایع به کارایی انژکتور در ریز سازی سوخت واکسید، توزیع و اخـتلاط مناسب آنها در محفظه احتراق بستگی دارد. اطلاع از توزیع نسبت اختلاط و دبی جرمی نه تنهـا بـرای دسـتیابی بـه بـازدهماکزیمم، بلکه برای بحث خنککاری محفظه و بار حرارتی روی دیوارهها نیز حائز اهمیت است. رفتار اسپری در محفظـه احتراق بر چگونگی آزادسازی انرﮊی در آن تاثیر میگذارد. یکی از پارامترهای مهم تعیـینکننـده رفتـار اسـپری، زاویـه آن میباشد. زاویه اسپری در سیستمهای احتراقی دارای اهمیت ویژهای است. ایـن پـارامتر تـاثیر زیـادی بـر کـارایی اشـتعال محدوده خاموشی شعله و انتشار هیدروکربنهای سوخته نشده و دود دارد. همچنین اطلاع از زاویه چتر پاشش با توجه بـه اثری که در اختلاط سوخت واکسید با هم و اختلاط با چتر اسـپری انژکتورهـای مجـاور در صـفحه انژکتـور دارد، حـائز اهمیت است. خصوصیات اسپری بستگی به عوامل زیادی از جمله نوع انژکتوری که آن را تولیـد مـیکنـد، دارد. یکـی از انواع انژکتورها، انژکتور هممحور است. انژکتور هممحور دارای دو گذرگاه جداگانه برای سوخت و اکسیدکننده اسـت کـه یکی درون دیگری بهصورت هممحور قرار دارد. انژکتور هممحور از لحاظ هندسی به برشی‐ برشـی، پیچـشی‐ برشـی و پیچشی‐ پیچشی و از لحاظ سیالاتی به گاز‐ مایع و مایع‐ مایع تقسیم میشود. انژکتورهای هممحور، نـسبت تراسـت بـه انژکتور بالاتری در مقایسه با انواع دیگر انژکتورها دارند. استفاده از آنهـا در مجمـوع، هزینـههـا را کـاهش مـیدهـد. ایـن انژکتورها در گستره وسیعی از شرایط عملکردی کار میکنند. از آنجایی که در آنها، کنترل بیشتری بـر نـسبت سـوخت بـه اکسید وجود دارد، کنترل تراست به راحتی امکان پذیر میباشد. این انژکتورها با انواع سوختهای برودتی١، انباشتپـذیر٢ و خوداشتعال٣ بهکار میروند]۱.[ اختلاط جتهای هممحور، یکی از موثرترین روشها در دستیابی به اختلاط مناسـب در محفظه احتراق میباشد]۲.[ اختلاط مناسب سوخت و اکسید در این انژکتورها بهخصوص در نوع پیچشی آنها باعث بهبود کیفیت احتراق، افزایش بازده آن و کاهش ناپایداری احتراق میشود. این انژکتورها به خاطر خواص اختلاطـی و احتراقـی مناسب و کنترل مطلوب تراست برای افزایش کارایی سیستمهای فضایی٤ بهکار میروند]۳.[
رفتار اسپری خروجی از انژکتور هممحور پیچشی مایع‐ مایع٥ از طریق مطالعه تجربی زاویه اسـپری بررسـی و مدلـسازی شدهاست. این نوع انژکتور دو اسپری هممرکز تولید میکند. مشاهدات تجربی پژوهش حاضر نشان دادهاست که دو اسپری بهسمت یکدیگر حرکت کرده و یک اسپری واحد تشکیل میدهند. یک مدلسازی تئوری برای پیشبینی رابطه اسپریهـای درونی و بیرونی با اسپری ترکیبی حاصل ارائه شدهاست. تحقیقات اندکی درباره اسپری این نوع از انژکتورها گزارش شده که در بخش بعدی به آنها اشاره میشود. مدلسازی زاویه اسپری، روش و چگونگی انجام آزمایـشهای تجربـی و بحـث و بررسی نتایج در ادامه ارائه میگردد.
۲‐ پیشزمینه تحقیقاتی
انژکتورهای هممحور مایع‐ مایع بهخصوص نوع پیچشی آن حدود ۰۵ سال است که در انـواع مختلـف موتورهـای مـایع روسی با سیکل باز و بسته و در تراستهای مختلف و همچنین در مولدگازها بهکار میرود. از نظر تاریخی این انژکتورهـا در ایالات متحده بهکار گرفته نشدهاند]۳[ و بههمین علت، اطلاعات منتشره در مورد این انژکتورها بسیار محدود است.
در مطالعهای که توسط اماگی((Amagai وآرای((Arai روی انژکتور هممحور مایع‐ مایع برشی انجـام شـده، مـشخص گردیدهاست که مکانیزم تداخل جتهای درونی و بیرونی و الگوی تخریب جتها که توزیع قطرات را هدایت میکنـد از اختلاف سـرعت میـان جـتهـای سـیالات درونـی و بیرونـی تـاثیر مـیپـذیرد]۴.[ در پژوهـشی کـه توسـط سـیواکومار (Sivakumar) و راقانآندان (Raghunandan) انجام شدهاست، اثر اندرکنش اسـپریهـا در یـک انژکتـور هـم محـور پیچشی مایع‐ مایع بر زاویه اسپری و طول شکست با استفاده از عکسبرداری بررسی شدهاست. آزمایشها در فشار کم و در شرایط اتمسفر انجام شدهاست. دادههای بهدست آمده برای اسپری درونی و بیرونی به صورت مجزا با دادههای بهدست آمده از اسپری ترکیبی آنها در شرایط آزمایش متفاوت است که نشاندهنده تاثیر تداخل اسپریها بر خصوصیات هر یک از آنها میباشد]۲.[ آنها همچنین نقش پارامترهای هندسی روی اندازه قطرات یک انژکتور هم محور پیچـشی مـایع‐ مـایع را مورد مطالعه قرار داده و گزارش کردهاند که در محدوده شرایط آزمایش، تداخل اسپریها باعث افزایش ۰۴ تا ۰۵ درصدی اندازه متوسط قطرات نسبت به حالت جدایش اسپریها شدهاست. در دبی ثابت درونی، قطر متوسط ساوتر اسپری ترکیبی ابتدا افزایش مییابد و با رسیدن به یک مقدار بیشینه، شروع به کاهش مینماید. اسپری درونی روی توزیع انـدازه قطـرات فقط در شرایط دبی کم گذرگاه بیرونی تاثیر میگذارد. کیفیت ریزسازی اسپری ترکیب شده در دبی بالای گذرگاه بیرونی با افزایش شدت پیچش١ و یا با ایجاد یک برآمدگی مثبت در اریفیس درونی نسبت به اریفیس بیرونی٢ بهبـود مـییابـد]۵.[ در پژوهشی دیگر زاویه اسپری، یکنواختی پاشش و توزیع قطر قطرات یـک انژکتـور هـممحـور پیچـشی سـه سـیاله توسـط رامامورتی((Ramamurthi و مدهاوان((Madhavan مورد بررسی قرار گرفتهاسـت. آزمـایشهـا بـا تـست سـرد و در محدوده ۲ تا ۸ بار٣ انجام شدهاست. نتایج نشان میدهد که یکنواختی پاشش گذرگاه درونی با افزایش فشار کاهش مییابد درحالیکه یکنواختی پاشش گذرگاه بیرونی که ترکیبی از آب و نیتروﮊن به آن تزریق شد با افزایش فـشار تزریـق، افـزایش مییابد. یکنواختی اسپری ترکیبی نیز با افزایش فشار بهبود مییابد]۱.[
بررسی فعالیتهای انجام شده نشان میدهد از محدود پـژوهشهـای انجـام شـده دربـاره اسـپری خروجـی از انژکتورهـای هممحور مایع‐ مایع، فقط مراجع ]۲[ و ]۵[ رفتار اسپری هنگام تداخل را مورد بررسی قرار دادهاند. اطلاعـات موجـود در مراجع مذکور نیز در محدوده غیرکاربردی و فاقد نتیجههای کامل و جامع میباشد. پژوهش حاضر با الهام از مراجع مذکور به بررسی رفتار اسپریهای درونی و بیرونی هنگام تداخل در محدوده کاربردی میپردازد. در بخش بعدی، یک مدلـسازی ساده برای پیشبینی رفتار اسپری بهوسیله بررسی زاویه اسپری ارائه شدهاست که میزان صحت آن بـا اسـتفاده از دادههـای تجربی در بخش تحلیل نتایج مورد بررسی قرار میگیرد.
۳‐ مدلسازی زاویه اسپری
انژکتور هممحور پیچشی مورد مطالعه دارای دو اریفیس تخلیه هممرکز میباشد که هر کدام از آنها، بسته بـه دبـی عبـوری یک اسپری با زاویه مشخص ایجاد میکنند. مشاهدات تجربی نشان دادهاست که حضور هـمزمـان اسـپریهـای درونـی و بیرونی باعث حرکت آنها بهسمت یکدیگر، برخورد و تشکیل یک اسپری واحد میشود. دادههای تجربی نشان میدهد کـه رفتار اسپری حاصل، ترکیبخطی از رفتار اسپریهای تشکیلدهنده آن نمیباشد. یک رابطه تئوری برای پیشبینی رفتـار و رابطه اسپری ترکیبی حاصل با هر یک از اسپریهای تشکیلدهنده آن بر مبنـای اصـل بقـای ممنتـوم ارائـه شـدهاسـت. در گذشته روابطی برای تعیین زاویه برخورد دو جت در انژکتورهای جتبرخوردی و انژکتورهای هممحـور گازــ مـایع بـر اساس اصل بقای ممنتوم گزارش شدهاست]۶، ۷.[ بهدلیل طبیعت هندسی جریان خروجی از اریفـیسهـا، بـرای مدلـسازی زاویه اسپری ترکیبی از مختصات استوانهای استفاده میشود. جریان پایا و غیرلزج درنظر گرفته میشود. سرعت و فشار در خروج از اریفیس یکنواخت فرض میشود. اثرات شتاب جاذبه و نیروهای درونی نیز صرفنظر میشود. معادله بقای ممنتوم در جهتهای محوری، z، و شعاعی،r، در دستگاه انتخابی بهفرم ذیل است.
m وv بهترتیب بیانکننده دبی و سرعت هستند. زیرنویسهای i، o وf بهترتیب برای بیـان اسـپریهـای درونـی بیرونـی و نهایی استفاده شدهاند. از معادله بقای ممنتوم در جهت مماسی صرفنظر شدهاست. علت این امر ناچیز بودن سرعت مماسی و بیاثر بودن ممنتوم مماسی در تعیین زاویه اسپری میباشد. زاویه اسپری طبق تعریـف در یـک انژکتـور پیچـشی توسـط معادله ذیل تعریف میشود]۸.[
با جایگذاری روابط ۱ و ۲ در رابطه ۳ ، رابطه ذیل حاصل میشود.
با استفاده از تعریف هندسی انجام شده برای زاویه، سرعتهای شعاعی و محوری اسپریهای درونـی و بیرونـی بـر حـسب زاویه آنها بدینگونه بیان میشوند.
α، β و γ بهترتیب نصف زاویه اسپریهای درونی، بیرونی و اسپری ترکیبـی مـیباشـد. ایـن رابطـه نـشاندهنـده فرمـول پیشبینی زاویه اسپری انژکتور هممحور پیچشی مایع‐ مایع بر اساس پارامترهای هر یک از اسپریهـای تـشکیلدهنـده آن میباشد. میزان صحت و اعتباردهی این رابطه با استفاده از دادههای تجربی حاصل از عکسبرداری در بخش تحلیل نتـایج ارائه میشود. انتخاب این پارامتر برای بررسی در این پژوهش، منجر به طراحی دستگاه آزمایـشی شـدهاسـت کـه توانـایی اندازهگیری آن را داشته باشد. دستگاه آزمایش با تکیه بر اطلاعات موجود در زمینه آزمایشگاه تست سرد انژکتور، طراحـی و ساخته شدهاست]۹.[
۴‐ دستگاه و روش آزمایش
برای انجام آزمایشهای مورد نظر، دستگاه آزمایشی شامل، نگهدارنده انژکتور، خطوط انتقال سیال، مخازن نگهدارنده سـیال و پانل کنترل طراحی و ساخته شدهاست. تستها بر اساس برنامه مدونی انجام شدهاند. جزییات دستگاه آزمـایش و روش انجام تستها در این بخش ارائه میگردد.
۴‐۱‐ دستگاه آزمایش
انژکتور مورد استفاده در آزمایش از نوع انژکتورهای هممحور پیچشی مایع‐ مایع است که در واقع از دو انژکتـور پیچـشی با ورودی مماسی١ تشکیل شده است. این انژکتور دارای ۲ ورودی مماسی برای سـوخت و چهـار ورودی مماسـی بـرای اکسیدکننده میباشد. شماتیک انژکتور در شکل ۱ آمدهاست. این انژکتور از دو قطعه جداگانه ساخته میشـود و سـپس بـا روش بریز٢ گذرگاه مسیر سوخت درون گذرگاه مسیر اکسیدکننده به صورت هممحور قرار میگیرد. بریز مناسب بهطوری که آببندی و هممحوری لازم را تامین کند، بسیار حائز اهمیت است. انژکتور مـورد اسـتفاده در یکـی از صـنایع داخلـی ساخته شده و آزمایش صحت ساخت روی آن انجام شدهاست. شماتیک دستگاه آزمایش در شکل ۲ نشان داده شدهاست.
سیالات مورد استفاده در دو مخزن فشار بالا نگهداری میشوند. فشار مورد نیاز توسط کپـسولهـای فـشار بـالای حـاوی نیتروﮊن تامین میشود. دستگاه قابلیت اندازهگیری دبی جریـان و تعیـین فـشار سـیالات قبـل از ورود بـه انژکتـور را دارا میباشد. کنترل دستگاه و ثبت اطلاعات مورد نیاز از طریق پانل کنترل انجام میشود. فـشار تزریـق و دبـی سـیالات قابـل کنترل میباشد. برای اتصال انژکتور به مجموعه انتقال سیال، گیرهای طراحی شدهاسـت کـه دارای دو ورودی اسـت. یـک ورودی برای مسیر سوخت از بالا و یک ورودی برای مسیر اکسید از کناره که با محفظه درون گیره نگهدارنـده در ارتبـاط است. گیره نگهدارنده دوتکه میباشد و دو قسمت آن با اتصال فلنجی بههم متصل میشـوند. بـرای آببنـدی از اورینـگ استفاده شدهاست. هنگام قرار دادن انژکتور در درون گیره از دو اورینگ دیگر نیز استفاده میشـود. یکـی از آنهـا، مـانع از
تماس و اختلاط سیال مسیر سوخت و سیال مسیر اکسیدکننده میشود و دیگری مانع از نفوذ سیال مـسیر اکـسیدکننده بـه خارج از گیره میگردد. جنس گیره، استیل ضد زنگ میباشد و طوری طراحی شدهاست که ضمن ایجـاد آببنـدی کامـل ساخت آن نیز آسان باشد.
رفتار اسپری توسط دوربین دیجیتال هندیکم سونی TRV330 ثبت میشود. از اسپری بهمنظـور انـدازهگیـری زاویـه بـا دوربین دیجیتال سونی DSC F717 با قدرت تفکیک 5Mpix عکسبـرداری مـیشـود. تـصاویر گرفتـه شـده توسـط نرمافزار پردازش شده و زاویه اسپری آن اندازهگیری میشود. تصاویر با استفاده از منبع نور پالسی و در نـور محیطـی کـم وکنترل شده تهیه میشوند.
۴‐۲‐ روش آزمایش
حداقل محدوده فشار اعمال شده برای تستها بر اساس حداقل فشار مورد نیاز برای تشکیل اسپری بودهاست. این حداقل فشار با مشاهدات تجربی و برمبنای مجموعهای از تستها انتخاب شدهاست. حداکثر محـدوده فـشار اعمـال شـده بـرای تستها بر اساس محدودیتهای سختافزاری انتخاب شدهاست. مجموعهای از تستها جهت تعیین ضریب تخلیه و بررسـی رفتار اسپری از طریق ثبت روند تغییرات زاویه آن در دبیهای مختلف انجام شدهاست. این تستها برای گذرگاه درونـی در محدوده ۰۴ الی ۰۳۱ لیتر بر ساعت و برای گذرگاه بیرونی در محدوده دبی ۰۱۱ الی ۰۳۴ لیتر بر ساعت بودهاست. جهـت بررسی اندرکنش اسپریهای دورنی و بیرونی و بررسی اثر آن بر زاویه اسپری ترکیبی تشکیل شده، مجموعهای از تستها بهصورت ترکیبی از دبی گذرگاههای درونی و بیرونی انجام شده که در جدول ۱ آمـدهاسـت. جهـت حـصول اطمینـان از درستی نتایج، آزمایشها برای بعضی از موارد تکرار شدهاند.
۵‐ تحلیل نتایج
رفتار اسپریها با استفاده از تحلیل تصاویر ثبت شده مورد بررسی قرار گرفتهاست. هر یک از اسپریهای درونی و بیرونـی رفتاری مشابه رفتار اسپری خروجی از انژکتور پیچشی با ورودی مماسی دارند. این اسپریها با افـزایش فـشار، از حالـت قطرهای شروع کرده، بهصورت پیازی، لالهای و مخروطی شکل ظاهر میشوند. با افـزایش فـشار، مخـروط تـشکیل شـده توسعه مییابد. در فشارهای بالا، اثری از صفحه سیال مشاهده نمیشود و سیال بلافاصله بعد از انژکتور به قطـرات خیلـی ریز تبدیل میگردد. آزمایشها نشان میدهد، در حضور همزمان اسپریهای درونی و بیرونی در دبیهای خیلی کم، آنها از هم جدا هستند و با افزایش دبی هر یک از آنها، دو اسپری بلافاصله با یکدیگر ترکیب میشوند. شکل۳ دو اسپری انژکتور هممحور را در دبی کم، زمانی که از هم جدا هستند، نشان میدهد. تشخیص اسپریها از هم بعد از ترکیـب شـدن بـسیار مشکل و تقریباﹰ غیر ممکن است. استفاده از مایع رنگی در گذرگاه درونی نیز به تشخیص دو اسـپری اولیـه از هـم کمکـی نمیکند. نکته مهم این است که دو اسپری بعد از ترکیب، یک اسـپری واحـد تـشکیل مـیدهنـد و سـاختار یـک اسـپری مخروطی شکل توخالی را حفظ میکنند. برای بررسی رفتار اسپری ترکیبی نسبت به هر یک از اسپریهای اولیه لازم است که رفتار هر یک از آنها بهصورت کمی مشخص شود و سپس با نتایج حاصل از اسپری ترکیبی مقایـسه گـردد. اسـتفاده از دوربینی با رزولوشن تصویر بالا و لنز پرقدرت و منبع نور پالسی، اندازهگیریهای انجام شده را با خطـای کـم امکـانپـذیر کردهاست. خطای موجود در اندازهگیریها، حدود ۲± درجه میباشد که دلیل عمده آن، نوسانات سطحی موجود در سـطح اسپریها بر اثر شدت آشفتگی موجود میباشد.
۵‐۱‐ بررسی روند تغییرات زاویه اسپریهای درونی و بیرونی
نتایج بهدست آمده از محاسبه ضریب تخلیه برای گذرگاههای درونی و بیرونی بر حسب دبی عبوری از آنها بـهترتیـب در شکلهای ۴ و ۵ نشان داده شدهاست. همانطور که از نمودارها مشخص است، ضریب تخلیـه بـهتـدریج بـا افـزایش دبـی کاهش مییابد. نرخ کاهش دبی در ابتدا بیشتر بوده و بهتدریج کمتر میشود تا از دبی خاصی تغییرات محـسوسی مـشاهده نمیشود. بهعبارتی ضریب تخلیه تقریباﹲ ثابت میماند. این دبی بحرانی در گذرگاه درونی حـدود۰۹ لیتـر بـر سـاعت و در گذرگاه بیرونی حدود ۰۰۳ لیتر بر ساعت میباشد. کم بودن ضریب تخلیه انژکتور پیچشی به علت وجود حفره هوا که به صورت موثری قسمت مرکزی اریفیس را شامل میشـود، مـیباشـد. ایـن مـساله توسـط روابـط تئـوری و تجربـی تاییـد شدهاست]۸.[ مطالعات نشان میدهد که برای رینولدزهای بالا، ضریب تخلیه به رینولدز وابسته نمیباشد و بنـابراین بـرای سیالاتی با لزجت کم معمول است که فرض شود هر انژکتور یک ضریب تخلیه ثابت دارد]۸.[
نتایج حاصل از اندازهگیری زاویه اسپری گذرگاههای درونی و بیرونی به ترتیب در شکلهای ۶ و ۷ نشان داده شدهاسـت. همانطور که مشاهده میشود با افزایش دبی، زاویه شروع به افزایش میکند. نرخ افزایش زاویه روند نزولی دارد و از دبـی خاصی، زاویه اسپری تقریباﹲ ثابت میماند. این دبی بحرانی در گذرگاه درونی حدود حدود۰۹ لیتر بر ساعت و در گـذرگاه بیرونی حدود ۰۰۳ لیتر بر ساعت است. مقایسه نتایج حال از نموارهای فوق نشان میدهد، با ثابت شدن تقریبی ضـریب تخلیه، زاویه اسپری نیز مقدار تقریباﹲ ثابتی را نشان میدهد. این نتایج از لحـاظ کیفـی توسـط منـایع دیگـری نیـز گـزارش شدهاست]۸.[
۵‐۲‐ بررسی اندرکنش اسپریهای درونی و بیرونی
