بخشی از مقاله
چکیده
محفظه احتراقهای مجهز به سوختپاش دورانی - اسلینگر - 1، در موتورهای توربینی کوچک کاربرد دارند. این محفظه احتراقها به دلیل یکنواخت بودن دمای جریان خروجی و بازده بالا، جایگاه مهمی در میان انواع محفظه احتراقهای موتورهای توربینی دارند. هدف از انجام این پژوهش، شناخت جریان واکنشی آشفته 2 در محفظه احتراق اسلینگر است. در مطالعات انجامگرفته هندسه سهبعدی واقعی محفظه احتراق موتور YJ402 استفاده شده است.
ابتدا میدان جریان هوای سرد بدون پاشش سوخت به کمک مدل آشفتگیk-ω شبیهسازی شده است، سپس به کمک مدل فاز گسسته3، الگوی پاشش سوخت به جریان سرد اضافه شده است. درنهایت فرایند احتراق در شرایط پایای عملکرد موتور انجام گرفته است. برای شبیهسازی جریان واکنشی، از مدل احتراقی مفهوم اضمحلال گردابه4 استفاده شده است. برای اطمینان یافتن از نتایج حل عددی، با استفاده از دادههای تجربی محفظه احتراق موتور در رابطه با افت فشار، دمای گازهای خروجی، بازده محفظه و توزیع دمای شعاعی در خروجی آن، دقت نتایج حل عددی بررسی شده است.
-1 مقدمه
محفظه احتراقهای اسلینگر نوعی از محفظه احتراقهای حلقوی هستند که در موتورهای توربینی هوایی بهکاررفته است. قرار داشتن سوختپاش بر روی شفت و استفاده از نیروی گریز از مرکز برای اتمیزاسیون سوخت مایع، ویژگی منحصربهفرد این نوع محفظه احتراق است. ازاینرو به سوختپاش محفظه احتراق اسلینگر، انژکتور دورانی5 نیز گفته میشود. به علت کوچک بودن ابعاد محفظه و ضرورت توجه به الزامات جانمایی در موتورهای توربینی هوایی، امروزه این محفظهها بهطور گسترده موردتوجه صنایع هوایی قرارگرفتهاند. شکل 1 شماتیک یک محفظه احتراق اسلینگر و شفت آن را نشان میدهد.
سوخت از میان شفت وارد دیسک اسلینگر شده و با کمک نیروی گریز از مرکز از میان سوراخهایی که بر روی شفت تعبیهشدهاند، به درون محفظه احتراق پاشیده میشود. استفاده از نیروی گریز از مرکز بهجای اختلاف فشار سبب میشود که بدون پمپهای قوی، سوختپاش اسلینگر در گستره بزرگی از سرعت دورانی شفت، کیفیت اسپری بسیار بالایی داشته باشد. [1]
با توجه به جدید بودن ایده محفظه احتراق اسلینگر، تاکنون فعالیتهای پژوهشی اندکی روی این موضوع صورت گرفته است. اکثر این پژوهشها بر روی میدان جریان سرد، پاشش دورانی و آزمونهای تجربی برای شناسایی عملکرد محفظه اسلینگر بوده است و فعالیتهای چندانی بر روی میدان جریان احتراقی محفظه اسلینگر و فیزیک حاکم بر شعله آن صورت نگرفته است.
نخستین پژوهش برجسته بر روی سیستم اسلینگر به سال 1974 بازمیگردد. روگو و تراث [2] بر روی شفت و محفظه احتراق موتور J402 آزمونهای تجربی متعددی بهصورت گذرا و پایا انجام دادند و توانستند بسیاری از اطلاعات عملکردی این سیستم را استخراج کنند. در سال 1990 هیبنر و همکارانش [3] ، یکی دیگر از کارهای برجسته در حوزه تجربی را انجام دادند.
آنها با استفاده از یک دامنه محاسباتی درشت - 8 1037 - و با بهکارگیری مدل آشفتگی k- جریان سرد این محفظه را شبیهسازی و نتایج کار خود را به کمک یک بستر آزمون تجربی و با سیال آب ارزیابی کردند. در سال 2010 لی و همکارانش [4] سعی کردند تا با حل سرد میدان جریان میزان افت فشار سکون، تقسیمبندی هوا را در محفظه احتراق اسلینگر با فرض دوبعدی تقارنمحوری به کمک مدل آشفتگی k- حل کنند. این پژوهش نشان داد که افت فشار سکون در مدل دوبعدی برابر % 16/8 است درحالیکه نتایج آزمونهای تجربی افت فشار سکون محفظه احتراق اسلینگر در حالت گرم را % 4/9 نشان میدهد.
در داخل کشور، در سال 91 آقای سروش [5] سعی کرد با یک هندسه دوبعدی تقارنمحوری ساده و با استفاده از مدل آشفتگی استاندارد k- و مدل احتراقی فلیملت6 اقدام به شبیهسازی پایای محفظه احتراق اسلینگر کند. ایشان نتوانست بهدرستی شکل شعله پایدار را شبیهسازی کند. در سال 93 رضایت [6] به کمک یک بستر آزمون توانست انژکتور اسلینگر را در دورهای مختلفی آزمایش کند و با استفاده از دوربینهای سرعتبالا، از پدیده شکست ستون مایع در این سوختپاش تصویربرداری کند. ایشان توانست رژیمهای فروپاشی جت مایع را در دورهای مختلف شناسایی کند و توزیع اندازه قطرات را به دست آورد.
در همان سال کریمی [7] موازی با کار رضایت اقدام به شبیهسازی عددی انژکتور اسلینگر پرداخت و نتایج حل عددی خود را با نتایج تجربی مقایسه نمود. درنهایت ایشان موفق شد یک تابع بهعنوان تابع انژکتور اسلینگر تهیه نماید که اطلاعات پاشش لازم جهت شبیهسازی جریان درون محفظه احتراق را در دسترس محققان قرار دهد.
در مقاله حاضر به کمک هندسه سهبعدی محفظه احتراق اسلینگر، جریان احتراقی بدون واکنش - سرد - به روش عددی شبیهسازی شده است. همچنین اثر مدل آشفتگی بر روی نتایج بحث و بررسی شده است. سپس با افزودن مدل پاشش اسلینگر جریان احتراقی به کمک مدل مفهوم اضمحلال گردابه حل شده است. درنهایت نتایج حل عددی با نتایج آزمون تجربی [2] و [13] مقایسه شده است. هدف اصلی این پژوهش ایجاد دانش در زمینه طراحی محفظه احتراقهای اسلینگر است. در این مسیر ابزار عددی نقش بسیار مهمی را ایفا میکند.
-2 فیزیک حاکم بر مسئله
جریان درون محفظه احتراق اسلینگر مانند سایر محفظه احتراقها آشفته است و فرایند اختلاط سوخت و هوا درون محفظه بهشدت تابع ساختارهای گردابهای تشکیلشده در این جریان آشفته است. برای شبیهسازی جریان داخل هر محفظه احتراقی، مدلسازی جریان آشفته اهمیت فراوانی دارد. طراحان محفظه احتراق در طراحی خود قطر اولیه قطرات و زمان لازم برای فرآیند فروپاشی7 جت سوخت، تشکیل لگامنت8، تشکیل قطرات، تبخیر و اختلاط آن را با هوا مدنظر قرار میدهند. قطره قبل از رسیدن به ناحیه اولیه احتراق باید مراحل ذکرشده را طی کند و آماده واکنش شود.
اگر مقیاس زمانی تبخیر قطرات بیشتر از زمان رسیدن قطره به گردابه اصلی باشد، شعله به سمت پاییندست محفظه - پره توربین - حرکت میکند یا ممکن پدیده شسته شدن9 شعله رخ میدهد. فرآیندهای واکنشی به علت سینتیک شیمیایی که دارند بر پیچیدگی شبیهسازی جریان احتراقی درون محفظه احتراق میافزایند. درنتیجه برای شبیهسازی جریان واکنشی درون محفظه احتراق اسلینگر باید جریان آشفته، فاز گسسته قطرات سوخت مایع و جریان واکنشی بهدرستی مدلسازی شوند.
-3 معادلات حاکم
برای شبیهسازی جریان در محفظه احتراق اسلینگر از معادلات ناویر استوکس میانگینگیری شده رینولدز10 استفاده شده است. سوخت نیز بهصورت فاز گسسته مایع با کمک مدل فاز گسسته مدلسازی شده است. درنهایت جریان احتراقی به کمک مدل مفهوم اضمحلال گردابه به شبیهسازی افزوده شده است.
1-3 معادلات حاکم بر فاز پیوسته گازی
در روش میانگینگیری شده رینولدز، رینولدز پیشنهاد داد هر کمیت لحظهای میدان جریان - - را بهصورت جمع دو مقدار، یکی مقدار میانگین زمانی کمیت - - و دیگری میزان اختلالی آن کمیت - - ́ که با زمان بهطور تصادفی در حال تغییر است، بهصورت - 1 - نوشته شود که میتواند سرعت، فشار، انرژی یا غلظت گونهها باشد.
