بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مهمترین اجزا در موتور، انژکتورها هستند که سوخت را به قطرات تبدیل می کنند. کیفیت اتمیزاسیون تاثیر مهمی بر حد پایداری، راندمان وانتشار آلودگی احتراق دارد. همان طور که مشخص است ناپایداری صوتی با فرکانس حدود 1 کیلوهرتز در بین مضرترین ناپایداریها قرار میگیرد و میتواند شدیداً بر عملکرد موتور اثر گذاشته و همچنین منجر به تخریب محفظه احتراق شود.
در نوشتار پیش رو اثر موج صوتی سینوسی با فرکانس 1 کیلوهرتز و شدت صوت 160 دسیبل بر روی سیال عامل خروجی از انژکتور بررسی شد. زاویه انحراف اسپری بعد از اثر موج صوتی بررسی و نتایج با مقادیر موجود آزمایشگاهی مقایسه و صحتسنجی شد. در نهایت با شبیهسازی عددی، پارامترهای مهم برای مقایسه قطرات از جمله قطر ساتر - - D32 و قطرهای D31 - و - D21 که اندازه گیری آنها در حالت آزمایشگاهی مشکل است، ارائه گردید. پدیده مسطحشدن که در اثر برخورد موج صوتی با سیال ایجاد میشود، در شبیهسازی مدل شد.
مقدمه
ناپایداری صوتی با فرکانس حدود 1 کیلوهرتز در بین مضرترین ناپایداری ها قرار می گیرد و میتواند شدیداً بر عملکرد موتور اثر گذاشته و همچنین منجر به تخریب محفظه احتراق شود. کوپل شدن تشدید مدهای محفظه با این نوسانات فشار میتواند منجر به افزایش نوسانات انتقال حرارت به محض نوسانات فاز شود. می بایست برای کنترل پایداری موتور، مکانیزم هایی که منجر به تعدیل آهنگ آزادسازی انرژی می شوند، درک شوند. پیشرفت های جهانی حاضر نمی تواند مکانیزیمی که نوسانات آکوستیک باعث تنظیم آهنگ آنی آزادسازی گرمای محلی می شود را شناسایی کند. رویکردها بر پایه پیشرفت فرآیندهایی است که متاثر از آشفتگی های صوتی میباشد. اتمیزاسیون مایعات یکی از این فرآیندها می باشد. در این مقاله تاثیر آشفتگی صوتی بر روی یک جت اسپری هوا-کمک1 هم محور به صورت عددی مورد بررسی قرار میگیرد.
قبل از پیشرفت های اخیر موتورهای سوخت مایع، در دهه 1940 ناپایداری های غیر منتظره بر عملکرد موتورها در اکثر برنامه های سیستم های پیشرانشی اثر گذار بود. این ناپایداریها به وسیله نوسانات فشار در سه نوع شناسایی می شود: ناپایداری چوگ2 - فرکانس پایین - ، ناپایداری باوز3 - فرکانس های متوسط حدود کمتر از یک کیلوهرتز - ، ناپایداری اکوستیک یا با فرکانس بالا - شبیه جیغ - . نوع یک و دو با کل سیستم احتراق، شامل تانک تامین کننده، خطوط تغذیه پیشران، اجزای محفظه احتراق و تخلیه درگیر هستند. در نوع سوم، ناپایداری با تشدید عرضی مدهای محفظه احتراق کوپل است. ناپایداری ها به وسیله افزایش انتقال حرارت اغلب منجر به نابودی موتور میشوند.
هرج و ریردان4 در سال1972 پژوهش های انجام شده در ارتباط با موضوع ناپایداری ها را در طی دهه 1960 و 1970 خلاصه و باز نویسی کردند و اندرسون و یانگ5 یک مقاله مروری در سال 1990 ارائه کردند.
بر طبق تحقیقات صورت گرفته توسط رایلی6 تقویت ناپایداری احتراق زمانی رخ می دهد که گرما آزاد شده همراه با نوسانات فشار، درون فاز وجود دارد. اگر فشار آکوستیک با آهنگ آزاد شدن گرما تلفیق شود یک چرخه بازتاب شونده مکان را فرا می گیرد بنابراین سیستم ناپایدار می شود و به محض آن، تقویت موج فشاری نمی تواند توسط اتلاف آکوستیک در محفظه موازنه شود و بنابراین برای کنترل پایداری موتور مکانیزم هایی که منجر به تلفیق آهنگ آنی آزادسازی گرما می شود باید فهمیده میشد. رویکردهای جهانی مثلا مفاهیم زمان عقب ماندگی محسوس، معمولا در حال پیشرفت برای پیشبینی کل بازخوردهای محفظه پرانرژی بود و این مفاهیم نمیتوانست مکانیزمهای حاکم را که نوسانات آکوستیک با آهنگ آنی محلی آزادسازی گرما تلفیق میشود، شناسایی کند.
شناسایی این مکانیزمها در ساخت کدهای پیشبینی موثر، بسیار مهم است بنابراین دیدگاه هایی که برپایه فرآیند هایی است که تحت تاثیر آشفتگی آکوستیک قرار می گیرد در حال پیشرفت هستند. اتمیزاسیون مایع یکی از این فرایندها است. در واقع تحت شرایط عملکردی در موتورهای راکت، نوسانات فشار آکوستیک میتواند تا 10 درصد از فشار متوسط محفظه، بیشتر شود. بنابراین کل فرایند اتمیزاسیون می تواند به وسیله یک میدان آکوستیک شدید تحت تاثیر قرار بگیرد. تحقیقات کمی در ارتباط با عملکرد رفتاری یک جت مایع در آشفتگی های آکوستیک انجام شده است. به عنوان مثال بایلوت[3] بر روی فشار عرضی میدان آکوستیک تمرکز می کند و اثر طولی امواج اکوستیک برای اسپری هوا-کمک توسط سوجیت[4] در سال 2005 بررسی می شود. در مقالات بیشترین تمرکز بر روی قطراتی که در میدان اکوستیکی قرار گرفته اند، شده و به ندرت به واکنش یک جت آزاد پرداخته شده است.
نخست بوفوم و ویلیام[5] بر روی چگونگی اثر یک میدان عرضی اکوستیک با شدتی بیش از 140 دسی بل بر یک جت مایع متلاطم مطالعه کردند. آنها یافتند که قطرات حاصل از جت قرارگرفته در یک میدان اکوستیکی، تغییر مکان میدهند. دامنه جابجایی با افزایش شدت اکوستیک افزایش پیدا میکند و تقریبا 10 برابر بیشتر از چیزی بود که پیشبینی میشد. هوور و همکاران[6] مشاهده کردند که یک جت در آشفتگی آکوستیکی با فرکانس بالا - اگر شدت آکوستیکی به اندازه کافی بزرگ باشد - شبیه یک صفحه مسطح می شود .
این مسطح شدن در راستای آکوستیکی به صورت عمودی اتفاق میافتد. این نویسندگان پیشنهاد دادند که مسطح شدن جت سیال توسط میدان آکوستیکی شبیه به تغییر شکل اجباریست که توسط فشار دو جریان گاز پایای عرضی مخالف هم در اطراف جت ایجاد می کند. اما وضعیت دو جریانی که آنها مقایسه کردند در یک رنج مشابه ای از عدد وبر نبود بنابراین اگر چه نویسندگان انحراف مشابهی را یافتند اما نتیجه بدست آمده در مکانیزم فیزیکی درگیر در مسطح شدن جت در دو آزمایش کاملا تفاوت دارند.
چهرودی و همکاران[7] در سال 2002 یک نتیجه مشابهی در ارتباط با پدیده مسطح شدن مشاهده کردند که نتایج گزارش شده، برای یک جت آزاد نیتروژن پاشش شده در یک محفظه در فشار بحرانی می باشد. اسکوالد و همکاران[8] در سال 2006 هیچ توضیح فیزیکی در مورد پدیده مسطح شدن ندادند اما ذکر کردند که برخورد یک موج آکوستیک با جت سیال در فشار کمتر از بحرانی قوی و در فشار نزدیک بحرانی قویتر و در فشار بالاتر از بحرانی کمتر است.
برای تکمیل مطالعه در مورد محفظه فشار بالا دیویس و چهرودی[9] مطالعات خود را به یک جت شعاعی با مایع مرکزی نیتروژن و با یک جریان کمکی حلقوی از گاز نیتروژن گسترش دادند. اما پدیده مسطح شدن توسط این نویسندگان مشاهده نشد. گروباران[10] در سال 2008 به بررسی اثر محوری میدان صوتی بر اسپری غیر تبخیری پرداختند و بررسی هایشان با استفاده از آب مقطر به عنوان مایع اسپری و یک داکت مناسب با حفره اکوستیک انجام شد. برای شناسایی میدان اسپری از PIV و PDPA و دستگاه اندازه گیری 3C-LDV استفاده کردند. به این نتیجه رسیدند که:
میدان سرعت اسپری مطابق با نوسانات سرعت اکوستیک در میدان اکوستیک تغییر می کند. طول ناحیه ای که RMS اندازه سرعت زیادی دارد، با افزایش سرعت جریان اکوستیکی محاسبه شده کم می شود. تغییرات در قطر فاز متوسط قطرات و توزیع آن در حضور نوسانات سرعت اکوستیک در یک سیکل اکوستیک مشاهده میشود.
تغییرات سرعت قطرات و قطر و توزیع آن در حضور نوسانات سرعت اکوستیکی با دامنه فشار اکوستیک افزایش می یابد. ماکزیمم تغییرات 25درصدی در فاز متوسط قطر قطرات در یک سیکل اکوستکی مشاهده می شود. اتمیزاسیون و توزیع قطر یک اسپری در یک سیکل اکوستیک دگرگون می شود. قطرات با قطر کمتر به دنبال نوسانات سرعت اکوستیکی ایجاد میشود.
در سال 2009 گروباران و سوجیت[11] اثر میدان اکوستیک محوری با جریان چرخشی را بررسی کردند. بررسی مذکور در فشار 0/03bar برای قطره در مقابل با چرخش در یک داکت انتها باز مناسب با حفره اکوستک انتها بسته انجام شد. میدان جریان چرخشی با استفاده از PIV شناسایی شد. مشخص گشت که میدان جریان چرخشی مطابق با نوسانات سرعت اکوستیک در یک سیکل اکوستیک تغییر میکند. طول منطقه چرخش حلقوی مرکزی با افزایش سرعت جریان اکوستیک محاسبه شده کوتاه می شود. همچنین میدان گردابه جریان چرخشی در حضور نوسانات سرعت اکوستیک نوسان میکند. گروباران و سوجیت[12] در سال 2011 به بررسی محفظه احتراق همراه با بیشتر است. در نهایت اعلام کردند که توزیع قطر قطرات در میدان اسپری متاثر از حضور نوسانات صوتی و مکان شعاعی است.
نارایانان و همکاران[13] در سال 2013 به بررسی آزمایشگاهی اثر اکوستیک بر بر اتمیزاسیون اسپری قطرات پرداختند. ابتدا رفتار یک قطره تنها بررسی شد و نشان داد که قطره در میدان صوتی شدیدا تغییر فرم می دهد. زاویه تغییر فرم قطرات با اندازه گیری قطر فرت1 و شاخص دایروی بودن انجام شد. افزایش زاویه مخروط اسپری در مقایسه با حالت نبود آن نشان داد که اکوستیک اتمیزاسیون را افزایش میدهد. مطالعات زیادی در حوزه موج التراسونیک انجام شده است.
مسطح شدن جت در اتمیزاسیون موج التراسونیک USWA نیز مشاهده میشود. - فرآیندی که برای تولید پودرهای کروی فلز از یک جت غیر-کمک برای فلز مذاب در برخورد با یک میدان عرضی آکوستیکی با دامنهی کمتر از 10 کیلو هرتز استفاده می شود. - در این مقاله اثر عرضی آشفتگی آکوستیکی بر روی یک جت هوا-کمک حلقوی شبیه سازی شده است. چنین سطح بالای صوتی نمایانگر رویداد ناپایداری فرکانس بالای درون موتور راکت می باشد. در اینجا عملکرد فشار موج آکوستکی که جت حلقوی را در نود فشار مسطح میکند، شبیه سازی شده است.
معادلات حاکم
انژکتور استفاده شده یک انژکتور مخروطی میباشد. مایع مورد استفاده آب است و گاز جریان داشته در اطراف جت مایع، هوا است.
معادلات حاکم به صورت زیر میباشد:
معادله پیوستگی :
در این رابطه، u و t به ترتیب چگالی، سرعت و زمان هستند و عبارت s ترم چشمه مربوط به جرم تبخیر شده قطرات است که با توجه به زیر مدلهای تبخیر بدست میآید.
معادله بقای مومنتم :
اتمیزر اسپری سوخت پرداختند و اشاره کردندکه این موارد به نوسانات فشار یا سرعت ناشی از وقوع نوسانات حرارتی اکوستیک حساس هستند. این تحقیقات به صورت تجربی با بررسی اسپری آب مقطر - چرخشی در تعامل با صوت ارائه شده است. در این تحقیق از PDA و LDV استفاده شد. آنان اعلام کردند که: حضور یک میدان جریان چرخشی باعث میشود رفتار اسپری آب به شدت تغییر میدهد.
در این رابطه p فشار است و ثوابت و شتاب گرانش هستند. عبارتF s اسپری است.
معادله بقای انرژی :
g, مربوط به لزجت دینامیکی ترم چشمه ی مربوط به مومنتم
تحقیقات رفتار پیچیده از اسپری آب در یک چرخه های صوتی را نشان داد. در حضور نوسانات آکوستیک، متوسط تغییرات فاز قطر قطرات در چرخه آکوستیک در راستای محوری در مقایسه با راستای غیر محوری بیشتر است.
