بخشی از مقاله
چکیده
جریان روی موشک با پلوم خروجی ازآن موردمطالعه قرارگرفته اند. شبیه سازی عددی اثرات پلوم خروجی روی عملکرد آیرودینامیکی یک موشک مسئله ی اصلی این تحقیق است.
در تحقیق حاضر با در نظرگرفتن شرایط مسئله و تعریف یک موشک مناسب، به محاسبه و تحلیل ضرایب آیرودینامیکی به کمک روش های دینامیک سیالات عددی و نرم افزار تجاری فلوئنت پرداخته می شودشبیه سازی عددی توانسته است کلیه بخش های ارایش جریان ،نظیرناحیه جدایش پشت موشک، امواج انبساطی درگوشه ی انتهای موشک ونواحی دیواره ی پشت جسم خروجی جت جریان درانتهای سطح جانبی پشت موشک به دلیل فشارپلوم وتبدیل انعکاس موج ضربه ای قائم درمحورتقارن به یک دیسک ماخ رابه خوبی پیش بینی نموده است.
نتایج نشان دادندکه عددماخ و فشارپلوم تاثیر زیادی در آرایش جریان پشت موشک،به خصوص تشکیل وانعکاس های مختلف امواج فشاری وانبساطی نواحی جدایی جریان دارند،که جداسازی جریان الکتریکی ناشی از انفجار قوی زمانی که به طور کامل به عنوان جریان کاملا متلاطم مدل سازی شده باشد، به صورت جدایی کامل و آرام و ضعیف عمل می کند.
مقدمه
امروزه شبیه سازی جریان خروجی موشک یکی از اساسی ترین مسائل در طراحی موشک می باشد. یکی از پدیده هایی که درپشت موشک رخ می دهد پدیده ی پلوم است. جریان جت خروجی از نازل موشک ها و هواپیما ها، شامل گازهای داغ - گاهی با درصد کمی ذرات جامد - و با سرعت زیاد است. این جریان که شبیه تخلیه یک جریان جت در جریانی موازی است، به اصطلاح پلوم نامیده می شود.
جریان گازهای خروجی از اگزوز موشک در عبور از بدنه ی موشک بدون واکنش باقی می ماند و رفتاری به عنوان یک گاز ایده آل را داردکه با گاز ایده آل دیگری مخلوط می شود که این رفتار جریان هوای آزاد است.رانش موشک با فشار در محفظه ی احتراق و نازل ایجاد می شود. طبق قانون سوم نیوتون ،فشار برابر و مخالف دراگزوز عمل می کند و باعث تسریع به سرعت های بالا می شود.گاز داغ تولید شده در محفظه ی احتراق مجاز است تا از طریق بازکردن گلوی نازل و سپس از طریق یک بخش گسترش واگرا،هنگامی که فشارکافی را به نازل داد و یک جت مافوق صوت تشکیل شود.
افزایش سرعت گاز خروجی ،انرژی حرارتی را به انرژی جنبشی تبدیل می کند.سرعت اگزوز بسته به ضریب انبساط نازل برای طراحی ،متفاوت است.و همچنین سرعت اگزوز بسته به ضریب انبساط برای طراحی،ده برابر سرعت صوت درهوا درسطح دریا غیرمعمول نیست.درحدود نیمی از رانش متورموشک از فشارهای نامتعادل داخل محفظه ی احتراق به وجود می آید و بقیه از فشارهای داخل نازل به عنوان گازگسترش می یابد.فشار در برابر دیوار نازل،متور موشک را در یک جهت و شتاب گاز خروجی را درجهت دیگرکنترل می کند.
در طول فاز صعود، موشک هایی که در سرعت های بالای بادی در ارتفاع های بالا حرکت می کنند، شعاع های کم عمقی را ایجاد می کنند که تحت شرایط مناسب می توانند لایه مرزی را به خوبی در بالای جریان شعاعی جدا کنند . از لحاظ فیزیکی، این فرایند ناشی از شوک متقاطع ناشی از انبساط اگزوز است. تعامل گرادیان نامنظم با لایه مرزی موجب جدا شدن جریان از سطح خروجی نازل می شود. محدوده این جداسازی می تواند مهم باشد زیرا جریان جدا شده از سطوح تثبیت کننده آیرودینامیکی مانند لعاب ها و باله ها که معمولا در ناحیه جدا شده هستند، باهم تداخل می کنند.
علاوه بر این، گازهای پلوم گرم ممکن است در ناحیه جداسازی نفوذ کنند و موجب آسیب های ساختاری بالقوه ای و تداخل با دستگاه های ارتباطی واقع در این مناطق شوند. شواهدی از این روند بر روی موشک ساترن v و موشک های شاتل فضایی دیده شده است.تحقیقات اولیه در بررسی جریان پلوم، شامل روش های تحلیلی یا تجربی بودند. ویلکوکس و همکارانش .
عکس برداری هایی از انواع پلوم انجام دادند.آزمایش آنها برای چهارنازل مختلف - بازوایای 30،20،15،10،درجه - با چهار عدد ماخ متفاوت 3,5 - ،3،2,5، - 2 و در محیط ساکن انجام گرفته است.نتایج آنها برای نازل 10درجه نشان داده است که محل دیسکت ماخ به عدد ماخ خروجی نسبت عکس و با نسبت فشارکمترمی شود و همچنین دراعداد ماخ بالا، وابستگی محل دیسک ماخ به نسبت فشارکمتر می شود، همچنین برای نازل با زاویه ی بیشتر از40 درجه تاثیر زاویه بر محل دیسک ماخ تقریبا ناچیز است.
دش درمرجع [4] کدهای BOAT وGENMIX را مقایسه کرده است،که یکی ازکسانی که تحقیقات خود رافقط درجریان در پلوم متمرکزکرده است،همچنین اودرمقال ی دیگر[5] به معرفی کدSCIPPY پرداخت، که می تواند جریان یک و دو فازی درپلوم راتحلیل کند.او در[6] نیزبه بررسی این کد پرداخته است.او وهمکارانش دراین مقالات، معادلات کامل ناویر-استوکس راحل نکرده اند،بلکه جریان خارجی را غیرلزج دانسته و لزجت را فقط درلایه ی اختلاط در نظرگرفته و معادلات ناویر-استوکس سهموی را به کاربرده اند.برای هماهنگ کردن معادلات اویلربرای جریان خارجی و معادلات ناویراستوکس سهموی - برای جریان جت - در روی مرز پلوم از روی مشخصه ها استفاده کرده اند. دش درمرجع 7]و[8 توجه خود را به تلاطم جریان در پلوم معطوف کرده است.
هزن [9] جریان درپلوم را با استفاده از یک مدل جبری برای تلاطم حل کرده است.او از روش اختلاط محدود استفاده کرده و بیشتربه اثرضخامت دیواره نازل توجه کرده است.هزن نتایج کمی ازجزئیات کلی جریان ارائه نکرده و فقط به خطوط هم ماخ آن و مقایسه آن باعکس هایی که درمرکز تحقیقاتی نیروی هوایی آمریکا تهیه شده اکتفا کرده است. واگز و وایت [10] از یک روش انتگرالی ،جریان جت کاملا منبسط را بررسی کرده است.
میکائیل [11] نیز یک پلوم کاملا منبسط را باحل معادلات کامل ناویراستوکس و یک مدل جبری تلاطم تحلیل کرده است.واتسا [12]جریان پلومی که به یک محیط ساکن تخلیه می شود را بررسی کرده است.او ازمعادلات ناویر- استوکس سهموی شده و یک مدل جبری ساده برای شبیه سازی تلاطم استفاده کرده است.در[13] او جریان سه بعدی درپلوم را حل کرده است..درهر دوی این مقالات ،نتایج به دست آمده به طورکامل با نتایج تجربی مقایسه نشده و فقط فشارو دمای سکون گزارش شده است
مدل هندسی
درشکل - - 1 مدل دو بعدی از یک موشک نشان داده شده است که اندازه ی هندسه و نازل مشخص می باشد.
برای بررسی اعتبارسنجی ،روش حل انجام شده دراین تحقیق ازنتایج منتشر شده جیمس وگوتز استفاده شده است.[14] .درتحقیق حاضرازمدل های کا امگا اس اس تی واسپارت الماراس و لمینار برای شبیه سازی اثرات آشفتگی استفاده شده است. شبیه سازی ها با ماخ 4,65 و5,5 و با نسبت فشار - 0،36،168، - 200 انجام شده است.
دست خروجی نازل وجریان آزاد ونزدیک به دم جسم وجوددارد.که شکل - 2 - تقابل پلوم بامحیط رانشان می دهد.
شکل -2تقابل جریان پلوم ومحیط اطراف
معادلات حاکم برجریان وروش حل عددی
درتحقیق موردنظرجهت مدل سازی جریان آشفته ازمدل های جریان آشفته کا امگا اس اس تی و مدل اسپارت آلماراس استفاده شده است.
معادلات ناویر-استوکس درحالت تراکم پذیربه روش فاورمتوسط گیری شده اند.دراین روش هرکمییت متوسطی به صورت زیربیان می شود:
شبکه محاسباتی
درتولید شبکه محاسباتی جهت تحلیل جریان از نرم افزار گمبیت نسخه 2,4,6 استفاده شده است.شبکه بندی ایجادشده ازنوع باسازمان می باشد. تعدادسلول های مورداستفاده شده 76650 می باشد.
شکل-1مدل موشک در نظر گرفته شده l/d=8.28 Mj=4.53 L=5.823in
همان طورکه درشکل - 1 - مشاهده می شود هندسه ی موردنظر این تحقیق موشک دوبعدی می باشد که شکل موردنظر مانسبت به محور X متقارن است.
باتوجه به شکل - 2 - پلوم می تواندروی پایداری وکنترل موشک تاثیر بگذارد،این تاثیرازطریق اثرمتقابل بین جت فرومنبسط درپایین
: a کل میدان محاسباتی
: b شبکه بندی درنزدیکی خروجی نازل و دماغه شکل-3نمایی ازشبکه ایجادشده اطراف موشک - aو - b
از آن جاکه شکل موردنظر مانسبت به محور X متقارن است،می توان برای سادگی کارو حداکثر استفاده ازظرفیت کامپیوتر،نصف مدل مورد نظر ومحیط محاسباتی را درنظر گرفت ومحاسبات رافقط برای یک نیمه انجام داد. که در شکل a-3 نصف میدان محاسباتی مشاهده می شود با نصف هندسه ی موردنظرکه باکادر قرمزمستطیل مشخص می باشد.همچنین درشکل b-3 شبکه بندی درنزدیکی دماغه و اطراف بدنه ودراطراف نازل به خوبی مشخص می باشد.درشبکه ایجادشده سلول های محاسباتی نزدیک دیواره موشک دارای تراکم به مراتب بیشترنسبت به نواحی دیگرمی باشد.
درجدول - - 1 محدوده ی میدان محاسباتی همراه با مرزهای جریان ارائه شده است.درمرز ورودی که از نوع فشاردوردست1 می باشد،شرایط مرزی اعمال شده به صورت زیرمی باشد. شرایط فیزیکی هوا درجدول زیر بیان شده است.برای بدنه ی موشک ازشرط مرزی قانون دیوار استفاده شده است.
جدول-1شرایط مرزی اعمال شده
ازگزارش ناسا مشخصات این موشک وشرایط جریان استخراج شده است ومطابق جدول - 2 - می باشد.
جدول-2مشخصات شرایط جریان
روش حل
تحلیل عددی حاضر توسط نرم افزارفلوئنت انجام شده است.حل برپایه ی روش حجم محدود درمختصات کارتزین وشرایط دائمی پایدارمی باشد. سیال عامل،هوامی باشد،باتوجه به اینکه عدد ماخ بیشتر از 0,3بوده، لذا یک سیال تراکم پذیر تلقی می شود.[
برای ساده ترشدن کارکل جریان اطراف موشک را مغشوش درنظر می گیریم،بنابرین ازمدل های تنش های رینولدزی بایستی استفاده کنیم.برای این منظورازمدل های کا امگا اس اس تی و اسپارت آلماراس و مدل لمینار استفاده شده است.برای هرمدل ونسبت فشار خطوط جریان را مشخص میکنیم و همینطور مقادیر ضرایب نیروی قائم و ضریب ممان را بدست می آوریم.
: a نتایج تجربی schilern مرجع [11]
: b نتایج محاسباتی
شکل -4گرادیان چگالی درجریان روی موشک بانسبت فشار13 .a - و - b
درشکل - 4 - نتایج شبیه سازی عددی تحقیقی حاضر با نتایج تجربی برای گرادیان چگالی مورد مقایسه قرارگرفته است.
همان طورکه مشاهده می شود شاک های ایجاد شده اطراف موشک ودیواره نازل نتایج تجربی ونتایج محاسباتی بادمای بالا قابل مشاهده است.
کانتورسرعت وخطوط جریان درعدد ماخ 4,53 ونسبت فشارهای 36 و 168 نشان داده شده است.باتوجه به شکل های - 5 - و - - 6 و - - 7 و - - 8 و - 9 - زمانی که جریان درسرعت های مافوق صوت ازنازل خارج می شود،فشار اتمسفر بالاتراز فشارخروجی پلوم است.دراین حالت که فرامنبسط نامیده می شودف الگوی صاف حلقوی ازجریان بافاصله ازیکدیگردرمجموعه خروجی متورتشکیل می شود.که به عنوان الماس های ضربه ای یادیسک های ماخ نیز شناخته می شود.
شکل -5کانتوردمابانسبت فشار168
