بخشی از مقاله
چکیده
فیزیک جریان در لحظات گذراي خاموشی موتور در یک سکوي شبیهساز ارتفاع از پیچیدگی بالایی برخوردار است. در تحقیق حاضر عملکرد یک سکوي شبیهساز ارتفاع در زمان خاموش شدن یک موتور فضایی در آزمایش زمینی مورد بررسی قرار گرفته است. براي این منظور تحلیل عددي غیردائم جریان گازهاي احتراقی در هسته اصلی سکوي شبیهساز ارتفاع - دیفیوزر مافوق صوت و محفظه خلاء - با پروفیل فشار-زمان خاموشی موتور انجام شده است. فیزیک جریان در این سیستم و عملکرد دیفیوزر مورد استفاده در تخلیه خودکار گازهاي احتراقی مورد بررسی قرار گرفته است.
بررسیهاي عددي حاضر نشان میدهند که علی رغم اینکه دیفیوزر مزبور در فشار احتراق بالاي 28/5 bar راهاندازي میشود، ولی در زمان خاموشی موتور در فشار احتراق به مراتب پایینتري - در حدود - 16 bar از حالت راه-اندازي خارج شده و با برگشت پلوم به داخل محفظه خلاء دماي متوسط سیال داخل محفظه تا 2500 K افزایش مییابد. خروجیهاي این بررسی در اتخاذ تدابیر لازم براي حفاظت حرارتی اجزاء محفظه آزمایش و طراحی سیستم اجکتور سیال ثانویه براي اندازهگیري دقیق دنباله تراست موتور مورد آزمایش قابل استفاده است.
-1 مقدمه
در لحظه گذاري روشن شدن یک موتور در داخل سکوي شبیهساز ارتفاع - استند خلاء - به دلیل کمی مومنتم جریان موج ضربهاي جریان در داخل نازل شکل میگیرد. در این شرایط پلوم خروجی از موتور وارد محفظه آزمایش میشود. با گذشت زمان با افزایش فشار احتراق دیفیوزر راهاندازي شده و باعث تخلیه شدن سریع محفظه آزمایش میشود. این پدیده توسط محققین زیادي گزارش شده است
در شرایط استارت دیفیوزر دهانه محفظه آزمایش توسط جریان مافوق صوت و موج-هاي ضربهاي مایل تشکیل شده در ورودي دیفیوزر آببندي میشود و پلوم خروجی از نازل نمیتواند به محفظه آزمایش نفوذ کند. بنابراین تا لحظه شروع به خاموشی موتور فشار نسبی خلاء در محفظه آزمایش برقرار بوده و اندازه گیري تراست توسط لودسل از دقت کافی برخوردار است. بعد از شروع مرحله خاموشی موتور، با کاهش فشار احتراق، مومنتم جریان مافوق صوت کاهش یافته و خزش امواج ضربهاي در طول دیفیوزر به سمت خروجی نازل اتفاق میافتد.
این امر همراه با جدایش وسیع جریان از بدنه دیفیوزر، شرایط پیچیدهاي را براي بررسی عملکرد استند خلاء بوجود میآورند. در ادامه، دیفیوزر از حالت استارت خارج شده و پلوم جریان وارد محفظه آزمایش میشود. برگشت پلوم به محفظه آزمایش باعث از بین بردن خلاء مطلوب شده و نوسانات شدید تراست اندازهگیري شده توسط لودسل را به همراه دارد.
علاوه بر آن برخورد گازها ي گرم - با دماي بالاي - 2000 K، باعث گرم شدن سنسورها و بدنه موتور مورد آزمایش میشود. در صورت کوتاه نبودن دوره تخلیه این گازها ممکن است سنسورهاي اندازهگیري از کار بیفتند و حتی به بدنه موتور آسیب جدي وارد شود.
هدف تحقیق حاضر شبیهسازي و بررسی فیزیک جریان در لحظه خاموشی موتور در استند خلاء میباشد. نتایج این بررسی در جهت پاسخ گویی به برخی از سوالات مطرح در حوزه توسعه استند خلاء در پژوهشگاه فضایی ایران میباشد. بعنوان مثال، بیشینه دما و فشار سیال در محفظه آزمایش و در داخل دیفیوزر در زمان خاموش شدن موتور چه مقدار است؟
دانستن این امر در اتخاذ تدابیر لازم جهت حفاظت حرارتی و سازهاي محفظه آزمایش، بدنه دیفیوزر و ابزار اندازهگیري موجود در محفظه و حتی حسگرهاي متصل به بدنه دیفیوزر کمک شایانی میکند. دیفیوزر مورد استفاده در چه فشار احتراقی از حالت استارت خارج میشود؟ دانستن این امر در طراحی اجکتور سیال ثانویه به منظور شبیهسازي دنباله تراست موثر است. همچنین نواحی بحرانی دمایی در طول دیفیوزر در زمان خاموش شدن موتور کدام نواحی هستند؟
مسئله خاموشی موتور در استند خلاء توسط مراجع نادري مورد بررسی قرار گرفته است، به طوري که جزئیات کمتري از نتایج این بررسیها گزارش شده است. از مهمترین تحقیقاتی که در این خصوص ارائه شده میتوان به کارهاي پارك و همکاران در سالهاي 2008 و 2012 اشاره کرد
پارك و همکاران در مراجع 5]،[1 با فرض گاز سرد نیتروژن به عنوان سیال عامل دینامیک جریان در حالت خاموشی موتور در ابعاد آزمایشگاهی را مورد تشریح قرار داده و برگشت جریان به محفظه آزمایش را نمایش دادهاند. همچنین ایشان در مرجع [6] با فرض پروفیل فشار- زمان خطی کاهنده و دماي محفظه احتراق K 2850 نتایج شبیهسازي عددي در ابعاد واقعی را ارائه دادهاند. در بررسیهاي انجام گرفته توسط پارك و همکاران، در خصوص توزیع دما در شرایط مختلف نتایجی ارائه نشده است.
در این تحقیق به منظور برطرف کردن نیاز بخش صنعت در خصوص توسعه قابلیت استند خلاء، بررسیهاي جامعتري در این خصوص انجام شده است. دماي احتراق در این تحقیق 3400 K میباشد. برگشت جریان به محفظه آزمایش در انتهاي آزمایش موتور میتواند اثرات تخریبی قابل توجهی به بدنه موتور و ابزارهاي اندازهگیري متصل به آن داشته باشد. نتایج این بررسی در حفاظت دمایی ابزارهاي اندازهگیري موجود در استند خلاء، انتخاب رویکرد خنککاري بعد از انجام آزمایش و طراحی سیستم اجکتور سیال ثانویه براي اندازهگیري دنباله تراست در زمان خاموشی موتور در استند خلاء قابل استفاده می-باشد.
-2 کلیات استند خلاء
غالباً در طراحی پیشرانه هایی که در ارتفاعات بالا بکار گرفته میشوند، نسبت انبساط نازل موتور براي حصول به تراست بیشتر بزرگتر انتخاب میشود. در صورتی که اینگونه موتورها که براي شرایط کاري خلاء طراحی شده باشند، روي زمین آزمایش شوند، در داخل نازل آنها جریان گازهاي خروجی از بدنه نازل جدا شده و منجر به افت شدید ضربه ویژه - Isp - خواهد شد. در شکل 1 شماتیکی از الگوي جریان و مقدار ضربه ویژه براي یک نازل با نسبت انبساط Ae/At= 40که در ارتفاعهاي km h=0 و h=100 آزمایش شده است، نمایش داده شده است.
شکل :1 الگوي جریان و مقدار Isp براي نازلی با نسبت انبساط 40 در ارتفاعهاي صفر و 100 کیلومتري
همانطوریکه در مقدمه اشاره شده است، یک دیفیوزر خروجی گازهاي احتراقی در زمان روشن بودن موتور جریان گازهاي احتراقی را به محیط اتمسفر تخلیه کرده و فشار خلاء مورد نیاز را در پیرامون نازل بر قرار مینماید. در شکل 2 شماتیکی از هسته اصلی یک تست استند خلاء نمایش داده شده است. در این شکل محفظه خلاء - یا محفظه آزمایش - ، موتور و نازل مورد آزمایش، دیفیوزر خروجی گازهاي احتراقی و گپ حلقوي مابین سطح خروجی نازل و سطح ورودي دیفیوزر نمایش داده شده است. در یک تست استند خلاء جهت اندازهگیري تراست موتور بدنه موتور با یکسري اتصالاتی به یک نیروسنج متصل میشود.
دیفیوزر خروجی گازهاي احتراقی در این شکل از نوع دیفیوزر گلوگاه ثانویه است و از قسمتهاي ناحیه ورودي دیفیوزر، ناحیه رمپ، بخش گلوگاه ثانویه و بخش دیفیوزر مادون صوت تشکیل شده است. نحوه کار یک دیفیوزر خروجی گاز احتراقی به این صورت است که گازهاي خروجی از نازل در شرایط فرو منبسط1 وارد قسمت ورودي دیفیوزر میشوند.
جت سیال گازهاي منبسط شده به دیواره دیفیوزر برخورد کرده و شاك مایل جریان تشکیل میشود که به کاهش سرعت و افزایش فشار استاتیک گازها کمک میکند. در ادامه، تداخل پیدرپی شاكهاي جریان با دیواره دیفیوزر و همدیگر در طول دیفیوزر رخ داده و توسط شاك قائم سرعت جریان به زیر صوت رسانده میشود. سپس توسط یک شیپوره واگرا گازهاي احتراقی تا فشار اتمسفر در خروجی دیفیوزر متراکم میشود. با انبساط جت سیال در ورودي دیفیوزر فشار گازها در این نواحی پایینتر از فشار گاز خروجی نازل میشود. این امر باعث ایجاد مکش در دهانه محفظه خلاء - یا محفظه آزمایش - شده و شرایط خلاء را در پیرامون نازل و محفظه آزمایش تا زمان خاموشی موتور به طور خودکار حفظ میکند.
شکل -2 شماتیکی از هسته مرکزي استند خلاء و نحوه عملکرد دیفیوزر گلوگاه ثانویه
غالباً، طراحی دیفیوزر براي هندسه نازل و فشار محفظه احتراق مشخصی انجام میشود. در این مقاله به طراحی دیفیوزر پرداخته نمیشود و ابعاد هندسی دیفیوزر مورد استفاده در این تحقیق در شکل 3 نمایش داده شده است. دیفیوزر مزبور خروجی طراحی مفهومی با روش موج ضربهاي قائم میباشد
شکل -3 هندسه دیفیوزر گلوگاه ثانویه مورد مطالعه در این تحقیق.
-3 روش تحلیل عددي و اعتبارسنجی
معادلات حاکم بر جریان سیال، معادلات ناویر- استوکس به فرم تقارن محوري و تراکم پذیر ناپایا میباشد. در بخش حاضر روش تحلیل عددي، شبکه محاسباتی، شرایط مرزي و اولیه و همچنین اعتبارسنجی تحلیل عددي ناپایا ارائه شده است.
-1-3 روش تحلیل عددي
در یک دیفیوزر خروجی گازهاي احتراقی، جریان سیال به شدت تراکم پذیر است و براي اینگونه مسائل، روش حل چگالی-مبنا نسبت به روش فشار- مبنا دقت بیشتري داردغالباً. در تحلیل دیفیوزر خروجی گازهاي احتراقی از روش حل چگالی مبنا استفاده شده است
با توجه به اینکه در این مسئله اندرکنش قوي مابین موج ضربهاي جریان و لایه مرزي دیواره دیفیوزر وجود دارد، در برخی نواحی جدایش جریان از دیواره اجتناب ناپذیر است. بنابراین مدل توربولانسی مورد استفاده می-بایست براي تخمین محل جدایش جریان مناسب باشد. در برخی از مراجع به منظور کاهش دادن بار محاسباتی از مدل توربولانسی اسپالارت-الماراس2 و یا k-ε به همراه عبارتهاي تصحیحی براي رینولدز پایین استفاده شده است.
