بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله به طراحی هندسی و تحلیل انژکتور نمونه مناسب برای یک سامانه1 LITVC پرداخته شده است. هدف از بکارگیری سیستم LITVC در سامانه های پروازی، کنترل و انحراف بردار تراست به روش پاشش ثانویه سیال میباشد. بدین منظور، پس از مطالعه و دستهبندی انواع انژکتورها بر اساس ساختمان هندسی و شرایط عملکردی، انژکتور نوع گریز از مرکز تکپایه، به دلیل قابلیت انتقال دبیهای بالاتر، انتخاب و طراحی بر مبنای آن صورت پذیرفت.
در این طراحی سه گروه پارامتر هندسی بدونبعد تعریف شد و برای هر گروه، طراحی، مدلسازی، شبیهسازی نرمافزاری و تحلیل نتایج انجام گردید. این طراحی بر مبنای دو روش: -1 محاسبات مهندسی بر اساس روابط و معادلات تلفیقی و -2 شبیهسازی و حل عددی در نرمافزار فلوئنت به انجام رسیده است. در نهایت برای هر یک از سه گروه پارامترهای بدونبعد، با توجه به رابطه محاسبه تراست، انژکتوری که بیشترین نیروی تراست و کمترین میزان افت فشار را ایجاد نموده، به عنوان انژکتور برتر برگزیده شد.
.1 مقدمه
در سیستم های موتورهای پروازی یا جت، نیروی حاصل از گازهای در حال احتراق، که موجب حرکت موشک به جلو می گردد، تراست نامیده می شود. شکل 1 نمایی از مجموعه نیروهای اعمالی به محفظه احتراق و نازل را نشان می دهد.
شکل-1 نیروها و فشارهای وارد بر نازل پرنده
در فرآیند کنترل بردار تراست با پاشش ثانویه سیال، جت تزریق شده مانند یک سد بر سر راه جریان سیال مافوق صوت در داخل نازل قرار می گیرد که همین امر منجر به ایجاد شوک قوی می شود. این شوک قوی عامل اصلی 80 تا 90درصد از نیرو های جانبی است که تشکیل می شوند و همین نیروهای جانبی عامل اصلی از بین رفتن تقارن در توزیع فشار می باشند، .[2] این پدیده را می توان به صورت شماتیک در شکل 2 مشاهده کرد.
شکل - 2 افزایش فشاردر داخل نازل با سیستم تزریق تزریق سیال ثانویه
از آنجائی که توزیع نامتقارن فشار در داخل نازل شروع می شود، لذا در اثر ایجاد مقدار کمتری نیروی جانبی می توان انحراف بیشتری ایجاد کرد؛ در نتیجه در روش تزریق سیال ثانویه به ایجاد نیروهای جانبی قوی نیازی نیست و از این رو نسبت نیروهای جانبی به نیروی محوری در این روش محدود می باشد
در اجزای یک سیستم LITVC ، انژکتورهای پاشش سیال از اهمیت به سزائی برخوردارند . و طراحی بهینه و مناسب انژکتورها ، تأثیر فراوانی بر عملکرد سامانه پروازی خواهد داشت. در این تحقیق به دنبال تعیین پارامترهای هندسی و طراحی انژکتوری هستیم که بتواند نیروی تراست اصلی را به مقدار قابل قبول و تحت شرایط معین، منحرف نماید. مقدار این انحراف در مراجع قبل ، [5]، تعیین گردیده است. در واقع چنانچه زاویه به عنوان زاویه انحراف تراست اصلی معرفی گردد، نسبتی خواهد بود از نیروی جانبی ایجادی در اثر تزریق جت جانبی - - F به تراست اصلی - - F ، که در رابطه - 2 - چگونگی محاسبه آن بیان شده است. شکل 3 تعبیر هندسی این فرآیند را نمایش می دهد.
شکل-3زاویه به عنوان زاویه انحراف تراست اصلی
.2 تاریخچه
با وجود اینکه تاکنون تحقیقاتی پیرامون مسئله طراحی انژکتور انجام پذیرفته است، اما موضوع طراحی هندسی انژکتورهای سیستم های LITVC یکی از موضوعاتی است که در مبحث کنترل بردار تراست، به آن پرداخته نشده است.
نادا و هاشم در سال 2012 با هدف بهینه سازی و افزایش راندمان، نظریه طراحی انژکتورهای گریز از مرکز را ارائه نموده و به طراحی و سپس ساخت این انژکتورها پرداختند. 3 نمونه ساختی از این انژکتورها با اعمال تغییرات در پارامترهای هندسی، مورد آزمایش قرار گرفت و در نهایت نتایج تجربی به صورت جداولی تدوین و ارائه گردید
بچ و همکارانش در سال 2013 در خصوص بهبود و افزایش راندمان سیستم پاشش، به انجام محاسبات تئوری انژکتور پرداخته و یک هندسه ی بهبود یافته از انژکتور را ارائه نمودند،
تانی و همکاران در سال 2015 به مطالعه تاثیر هندسه انژکتورهای برخوردی با مولفه های غیرهم نام در موشک های سوخت مایع تحت فشارهای بحرانی پرداختند. آنها ضمن تعیین پارامترهای طراحی این انژکتور، مانند قطر دهانه پاشش، زاویه مخروط پاشش و ضخامت دیواره نازل پاشش، به آزمایش تجربی نمونه های ساخته شده پرداختند و نتایج حاصل را بیان نمودند
اُمی و همکارانش در سال 1386، به طراحی، ساخت و آزمایش انژکتور گریز از مرکز دو پایه جهت کاربرد در موشک های سوخت مایع پرداختند. آنها مراحل طراحی یک انژکتور گریز از مرکز را به دقت بیان نمودند و با رعایت مراحل چندین گانه، به طراحی، مدلسازی، ساخت و آزمایش چند نمونه انژکتور گریز از مرکز با هندسه متفاوت پرداختند. سپس انژکتورها مورد آزمایش عملی قرار گرفتند
نتایج حاصل از آزمون عملی با نتایج محاسبات تئوری مقایسه گردید و مشاهده گردید که نتایج حاصل از آزمایش عملی، با نتایج تئوری همخوانی دارد، .[9] در سال 1390، محمدرضا حیدری و علیرضا پورامیر در زمینه شبیه سازی کنترل بردار تراست به روش پاشش تک انژکتوره سیال مایع به تحقیق و بررسی پرداخته و نتایجی را نیز ارائه نمودند. در این شبیه سازی، جریان آشفته همراه با پاشش ذرات مایع مدل گردیده است. برای این منظور معادلات مومنتوم، انرژی، آشفتگی و معادلات مربوط به فاز گسسته مدل شده است. به منظور مدل سازی آشفتگی جریان از مدل k-Ɛ استفاده گردید. همچنین در صفحه ای که پاشش انجام می شود توسط نرم افزار فلوئنت سلول ها برای بهینه سازی ریزتر و تنظیم شده اند تا از خطا بکاهند
حسینعلی پور و همکارانش در سال 1393 به طراحی، شبیه سازی عددی و آزمایش تجربی یک انژکتورگریز از مرکز با ورودی مماسی پرداختند. آنها برای طراحی یک انژکتور گریز از مرکز تک پایه معادلات حاکم را دسته بندی نمودند. آنها با بیان فاکتورهای هندسی طراحی انژکتور و دسته بندی معلومات و مجهولات طراحی، چهارچوب کار را مشخص نمودند و طراحی هندسی را انجام دادند. در تحلیل عددی، معادلات ناویراستوکس به صورت تراکم ناپذیر، پایا، سه بعدی و تقارن محوری با صرف نظر از معادله انرژی در نظر گرفته شد و حل به کمک نرم افزار Ansys Fluent 13 انجام پذیرفت
.3 روش طراحی انژکتور
طراحی انژکتور در این مقاله، بر پایه دو روش محاسبات مهندسی بر اساس روابط تلفیقی و شبیه سازی و حل عددی در نرم افزار فلوئنت استوار است. بدین ترتیب که ابتدا به کمک روابط تلفیقی تئوری مهندسی - تجربی و بر اساس فرضیات معلوم، تعدادی از پارامترهای هندسی و ابعادی یک انژکتور محاسبه و مشخص می گردد. سپس در بخش شبیه سازی و حل عددی ، سایر ابعاد هندسی باقی مانده از انژکتور مورد آزمون و محاسبه قرار می گیرند و تأثیر مقادیر مجاز آنها بر عملکرد نهائی انژکتور و ایجاد انحراف در تراست اصلی مورد سنجش قرار می گیرد
