بخشی از مقاله
چکیده
تحقیق پیش رو بهمنظور بررسی تجربی نوع شکست و میزان نفوذ جت مایع در جریان پاشش متقاطع صورت گرفت. برای مطالعهی پارامترهای موردنظر از تکنیک عکسبرداری شلیرن استفادهشد، این تکنیک ترکیبی از آینههای مقعر و عدسیهای محدب است که در صورت وجود دوربین پرسرعت و منبع نور مناسب، امکان ثبت تصاویر مفید و کاربردی وجود دارد، در نهایت با پردازش تصاویر توسط نرمافزار می توان به اطلاعات موردنیاز دست یافت.
در چیدمان موردنظر تیغه و عدسی محدب مرحلهی آخر حذف شد و از دیافراگم دوربین برای قطع جریان و لنز ماکرو به جای عدسی محدب مرحلهی آخر استفاده شد. آزمایش در دما و فشار محیط و سرعت گاز مادون صوت انجام گرفت. دو عامل مهم بر میزان نفوذ جت، نسبت شارمومنتوم و عدد آیرودینامیکی وبر میباشند، در این تحقیق نسبت شارمومنتوم بین 32 تا 57 و عدد وبر بین 0/5 تا 1 متغیر بودند.
دو نوع شکست قابل مشاهده بود: شکست ستونی و شکست سطحی. ارتباطی بین نفوذ جت با نسبت شار مومنتوم، عدد وبر، طول شکست در جهت جریان و طول شکست در راستای عمود بر جریان بدست آمد. نتیجه شد کاهش سرعت جریان گاز و افزایش نسبت شارمومنتوم افزایش نفوذپذیری را در پی خواهدداشت. همچنین شکست سطحی تولید ذرات بیشتری را نسبت به شکست ستونی به همراه دارد.
مقدمه
با توجه به نیاز بشر برای استفاده از تکنولوژی و ماشینهای گوناگون، هر روزه فعالیتهایی در جهت افزایش راندمان، عملکرد بهتر تجهیزات و کاهش آلایندگیهای محیطی ناشی از آنها در حال انجام است. یکی از عوامل تولیدکنندهی گازهای آلاینده در موتورهای گوناگون، عدم ترکیب کامل سوخت و اکسیدکننده و در نتیجه تشکیل گازهای مضر میباشد. تزریق عمودی علاوهبر کاربردهای خنککاری محفظهی احتراق، در قسمت افزایندهی قدرت موتور توربوجت یا پسسوز و در محفظهی احتراق موتورهای رمجت و اسکرمجت کاربرد دارد. در این شیوه، تزریق سوخت از دیوارهی محفظهی احتراق و یا شعله نگهدار1 به صورت عمودی انجام میشود.
از دیگر کاربردهای این روش میتوان به ایجاد شعلهی پیشآمیخته در برنرهای محفظهی احتراق اشارهکرد، در این روش سوخت و اکسیدکننده قبل از احتراق و در خارج از محفظه به صورت یکنواخت با یکدیگر مخلوط شده و سپس مشتعل میگردند. امتیاز احتراق پیشآمیخته این است که امکان کنترل احتراق بسیار بیشتر خواهدبود. مهمترین دستاورد این روش، کاهش میزان آلایندهها بوسیله اکسیدکردن سوخت است که میتوان با اضافهکردن ترکیبات اکسیژنی به سوخت، فرایند اتمیزاسیون و بهینهسازی احتراق را بهبود بخشید.
هدف از اجرای این پروژه به تصویرکشیدن اختلافات چگالی با استفاده از تکنیک نوری شلیرن است که با بزرگنمایی فرآیند و ثبت تصاویر امکان مطالعهی اثر نسبت شار مومنتوم و عدد وبر بر میزان نفوذ عمودی و نوع شکست جت مایع را فراهم میسازد. این تکنیک نوری ترکیبی از آینهها و عدسی ها است که با هزینهی کم، حجم بالایی از اطلاعات را در اختیار محققان قرار میدهد. گاهی در طراحی موتور برای اجتناب از برخورد جت پاشش با دیوارهی محفظهی احتراق نیاز به عمق نفوذ کمتر و برای اختلاط بهتر اکسیدکننده و احیاکننده به عمق نفوذ بیشتری نیاز است. در نتیجه لازم است عمق نفوذ فواره در راستای محوری و افقی تحت شرایط مختلف بررسی شود. تاکنون تحقیقات زیادی روی میزان نفوذ جت سیال در پاشش متقاطع انجام گرفتهاست.
هوژناکی در سال 1972 آزمایشاتی را روی پاشش سوخت در موتور رمجت انجام داد، او متوجه شد که بهترین احتراق در موتور زمانی اتفاق میافتد که نسبت سوخت به هوا در ورودی انژکتور 0/01 باشد. در این تحقیق نیز از سامانهی شلیرن برای مشخصکردن لبههای اسپری پاشش و فاصلهی نفوذ مایع به درون جریان هوا استفاده گردید.[2] لاخامراجو 2005 به بررسی نوع شکست و میزان نفوذ جت سیال در جریان هوای مادون صوت در دماهای بالای مربوط به احتراق در توربینهای گازی پرداخت، او برای به تصویرکشیدن فرآیند از نوعی تکنیک نوری به نام سایهنگاری استفادهکرد که دارای درجهی دقت پایینتری نسبت به شلیرن میباشد.[3] یانگهیو در سال 2011 از روش شلیرن برای آنالیز جت پاشش سوخت در جریان پاشش متقاطع فراصوت بهرهگرفت، او زاویه ی پاشش سوخت و فشار محوری را مورد بحث و تحلیل قرارداد.
اردم در سال 2014 روی خصوصیات پاشش متقاطع و نفوذ هوا، کربندیاکسید و هلیوم با سرعت صوت در جریان ماخ 5 تحقیق کرد. او متوجه شد کربندیاکسید کمترین نفوذ و جت هلیوم دارای بیشترین نفوذ در مقایسه با جت هوا می باشد.
محسنی 1390 در پایان نامهی خود از روش شبیهسازی فرآیند پاشش متقاطع در نرم افزار فلوئنت بهرهبرد. ایشان در کار خود از دو سیال آب و استون استفاده کرده و هوا را برای بخش جریان عرضی در نظر گرفت. [1]
تجهیزات عکسبرداری شلیرن
برای به تصویر کشیدن ضریب شکست و تغییرات چگالی در فازهای مایع، گاز، مایع و جامد میتوان از تکنیکهای نوری استفادهکرد. یکی از این تکنیک های نوری روش شلیرن است. شلیرن ناهمگونیهای نوری در مواد شفافی است که چشم انسان قادر به دیدن آنها نیست. این ناهمگونیها، تفاوتهای محلی نوری در طول مسیر هستند که باعث انحراف نور از مسیر اصلی خود می گردند. انحراف نور می تواند نواحی تاریک و روشن یا تغییرات رنگی در یک تصویر ایجاد کند. شلیرن بر مبنای تغییر ضریب شکست پرتوهای موازی نور عبوری از منطقه آزمون، در اثر تغییرات چگالی در نقاط مختلف عمل میکند.[6] چیدمان شلیرن در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل:1 چیدمان شلیرن نوع z
در این سامانه برای ایجاد یک منبع نور نقطهای، پرتوهای نور خروجی از منبع نور - ال ایدی یک واتی - بعد از برخورد به عدسی محدب روی یک شکاف با ابعاد کوچک کانونی میشوند حال شکاف نقش یک منبع نور نقطهای را ایفا میکند. شکاف در فاصلهی کانونی آینهی مقعر اول قرار میگیرد، کار آینه تولید پرتوهای موازی موردنیاز جهت بزرگنمایی بخش تست است. در فاصلهای مناسب از آینهی اول، آینهی مقعر دیگری درست با همان خصوصیات آینهی قبلی قرار داده میشود، وظیفهی آینهی دوم کانونیکردن پرتوهای موازی رسیده به آن است بخش تست بین دو آینه قرار میگیرد.
به منظور مسدودکردن پرتوهای مزاحم تیغهای درست قبل از نقطهی کانونی آینهی دوم قرار میگیرد. برای نمایش تصویر روی صفحه حتماً باید بعد از تیغه از عدسی محدب با فاصلهی کانونی طولانی استفاده کرد این امر باعث بزرگنمایی بهتر تصویر و کاهش اغتشاشات خواهدشد. هر چه فاصلهی کانونی عدسی بیشتر، خطاهای رنگی کاهش بیشتری داشته و تصویر بهتری حاصل خواهدشد. در فاصلهی کانونی عدسی محدب صفحهی تصویر قرار میگیرد، بهمنظور عکسبرداری یا فیلمبرداری از فرآیند، توصیه میشود دوربین دیجیتال پرسرعت دقیقاً بعد از تیغه قرارگیرد و صفحهی تصویر حذف گردد.
همانطور که در شکل1دیده میشود زاویهی بین راستای پرتوهای موازی و راستای قرارگیری دوربین، عدسی و لبهی چاقویی کمترین مقدار ممکن را داراست. هرچه این زاویه بیشتر باشد خطای موجود در تصویر افزایش و کیفیت تصویر نهایی کاهش خواهد یافت. فاصلهی کانونی آینهها 400 میلیمتر و قطر آنها 85 میلیمتر بود. جهت عکسبرداری برای افزایش بزرگنمایی از لنز ماکرو با فاصلهی کانونی 70 میلیمتر استفاده شد.
ثبت تصاویر در آزمونها توسط دوربین دیجیتال معمولی نیکون3200d انجامشد. این دوربین قابلیت عکسبرداری تا سرعت 4000 فرم در ثانیه را داراست امّا به دلیل حجم بالای عکسهای خام، سرعت عکسبرداری کاهش یافت. نمایی از میز آزمون در شکل 2 مشاهده میشود.
شکل:2 میز آزمون
بخش تست
در این آزمایش از انژکتور جریان مستقیم به قطر 0/8 میلیمتر استفادهشد، سیال خروجی از انژکتور، آب و سیال جریان عرضی گاز نیتروژن بود، محاسبات بر اساس خواص سیالات در دمای اتاق صورتگرفت. انژکتور در قسمت پایین محفظهای از جنس پلکسیگلاس بهگونهای قرارگرفت که به قسمت ورودی گاز نزدیکتر و از قسمت خروجی فاصلهی بیشتری داشتهباشد تا انحراف و شکست ستون مایع بهتر به تصویر کشیده شود. جهت تخمین مکان قطرات ریز و تحلیل شکست ثانویه از افزایش سرعت در بالا و پایین پیرامون اطراف جت استفاده میشود به همین خاطر در این پروژه از افزایش سرعت در قسمت پایهی جت بهره برده شد.
مسأله ی بسیارمهم در طراحی محفظه، این بود که در قسمتی از محفظه که پرتوهای موازی نور از آن عبور میکرد بهدلیل غیر یکنواخت بودن ساختار شیشهی پلکسی، شکست نور ایجادشده و امکان تشخیص جت مایع در عکس های شلیرن وجود نداشت. بنابراین در این ناحیه پنجره ای از جنس کوارتز جایگزین پلکسی شد. برای بخش تست، محفظهای از جنس پلکسیگلس به ضخامت6 میلیمتر بکاربردهشد که دو پنجرهی اپتیکی با قطر50 میلیمتر به منظور عکسبرداری از فرآیند، روی آن تعبیه شدهبود. پنجرهها از جنس کوارتز با ضریب شکست پایین - - 1/46 بودند. این محفظه در شکل3 نمایش داده شده است.
شکل:3 قرارگیری پنجرهی اپتیکی روی بخش تست
در بخش واگرای مجرای گاز برای از بینبردن گردابههای احتمالی از صفحهای مشبک با شبکههای ریز استفادهشد. محل قرارگیری صفحه در شکل4 آورده شده است.
قطر پنجره 50 میلیمتر بود بنابراین تنها امکان عکسبرداری از نواحی نزدیک انژکتور وجودداشت. مشاهده ی اینکه جت پاشش در جریان پاشش عرضی در چه مکانی پیوستگی خود را از دست داده و کاملاً اتمیزه میشود بسیارمهم است. تصویربرداری و عکسبرداری سریع توسط سامانهی شلیرن امکان مطالعه و بررسی تأثیر فشار سیال پاشش شده توسط انژکتور و سرعت جریان هوای ورودی به موتور را در بهبود اتمیزاسیون امکان پذیر میسازد.
شکل:4 مجرای ورودی گاز
آب برای پاشش از انژکتور استفاده شد برای تعمیم نتایج به سیالات دیگر میتوان از فرمول 1 استفاده کرد. این فرمول برای تطبیق سیال آزمایشگاهی با سیال واقعی احیاکننده و یا اکسیدکننده در صورت وجود اختلاف زیاد به کار میرود
