بررسی عددی تأثیر مدل‌های احتراقی و آشفتگی در تخمین مشخصه‌های احتراقی پیشرانه غنی از سوخت- مطالعه موردی: سامانه رمجت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی شیمی - دانشکده فنی و مهندسی - دانشگاه جامع امام حسین (ع)

2 دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه امام حسین (ع)، تهران، ایران

چکیده

تنوع پدیده‌های فیزیکی چندگانه در محفظه احتراق نظیر سینتیک شیمیایی، انتقال حرارت (همرفت و تابش)، تعدد فاز‏، تجزیه حرارتی در غیاب اکسیژن (پیرولیز) مربوط به سوخت جامد با تجمع و انباشتگی ذرات و فیلم مایع از چالش‌های احتراق در سامانه‌های احتراقی هواتنفسی (رم‌جت)می‌باشند. درک فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی درگیر در احتراق برای پیش‌بینی فرایندهای فیزیکی حاکم بر جریان سیال، شروع احتراق، نرخ آزاد شدن حرارت، تشکیل شعله، نرخ پسروی سوخت و غلظت گونه‌های تولیدشده در طول احتراق موردنیاز است. به‌موجب الزام در حل هم‌زمان مدل‌های احتراقی و آشفتگی اعمال روش‌های عددی در تحلیل معادلات حاکم، زمینه‌ساز حصول برخی نتایج شامل پیش‌بینی تأثیر متغیرها، خصوصیات عملکردی و ویژگی‌های احتراقی و در نهایت دسترسی به بازده احتراق پیشرانه غنی از سوخت در سامانه‌های رم‌جتی است. در بررسی واکنش‌های شیمیایی محفظه احتراق، پیرولیز پلی‌بوتادین خاتمه ‌یافته با هیدروکسیل (HTPB) مدنظر بوده و نهایتاً احتراق برای محصول پیرولیز بر پایه مدل و مکانیسم سینتیک‌های شیمیایی کاهش‌یافته ادامه می‌یابد. سپس به‌منظور تشخیص مدل‌های برتر در پیش‌بینی مناسب مشخصه‌های احتراق با به‌کارگیری هر دو مدل احتراقی نظیر اضمحلال گردابه‌ای و شیمی نرخ محدود، همراه با بررسی عددی مدل‌های آَشفتگی شاملK-ɛ استاندارد و sst K-ω برای محفظه احتراق، یک مقایسه تطبیقی میان نتایج شبیه‌سازی با داده‌های محیط محاسباتی تعادل شیمیایی ناسا (CEA) انجام شد. نتایج نشان دادند که مدل نرخ محدود به دلیل نادیده گرفتن اثرات آشفتگی جریـان و میـزان اخـتلاط سـوخت و هـوا در محفظه احتراق، مشخصات احتراقی رمجت سوخت جامد را با خطای زیادی نسبت به مدل اتلاف گردابه‌ای پیش‌بینی می‌کند. با توجه به نتایج ترمودینامیکی و احتراقی، وضعیتK-ω /Eddy dissipation مطابقت خوبی با نتایج CEA داشت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical investigation of the effect of combustion and turbulence models in estimating the combustion characteristics of a fuel-rich propellant -case study: ramjet

نویسندگان [English]

  • Ali Akbar Jamali 1
  • Abolfazl Yazdani 2
1 Chemical Engineering Department - Faculty of Engineering - Imam Hossein University
2 Faculty of Engineering, Imam Hossein University, Tehran, Iran
چکیده [English]

The variety of multiple physical phenomena in the combustion chamber like chemical kinetics, heat transfer (convection and radiation), multiple phases, and thermal decomposition in the absence of oxygen (pyrolysis) related to solid fuel with the accumulation of particles and the liquid film are combustion challenges in the air-breathing combustion systems (ramjet). Understanding the physical and chemical processes involved in combustion is required to predict the physical procedures governing fluid flow, combustion initiation, regression rate, heat release rate, flame, and concentration of species generated during combustion. According to simultaneously solving the combustion and turbulence models, applying the numerical methods in analyzing the governing equations leads to some results, including the effect of variables, performance characteristics, combustion properties, and finally, access to fuel-rich propulsion combustion efficiency in solid fuel ramjet systems. The chemical reactions in the combustor, pyrolysis of Hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB), and the combustion of the pyrolysis products are investigated based on the reduced kinetic mechanisms. Then, by eddy dissipation and finite-rate chemistry models accompanied by K-ε standard and K-ω-SST models in the modeling of solid fuel ramjet combustor, the simulation results are compared with CEA data to identify the best models for accurate combustion prediction. The results showed that the finite-rate model predicts the combustion characteristics of the solid fuel ramjet with much error compared to the eddy dissipation model due to ignoring the effects of flow turbulence and the amount of fuel and air mixing in the combustion chamber. According to the thermodynamic and combustion results, the K-ω/eddy dissipation case was in good agreement with CEA results.
.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Solid fuel ramjet
  • Combustor
  • Thermal decomposition
  • Eddy dissipation model
  • Finite rate model

مراجع

  1. Sarbaz, A. Pishehvar and A. Jamali, " Transient ignition of solid fuel in the sudden expansion combustion chamber," The 9th Iran Fuel and Combustion Conference, Shiraz, IRAN, February 8-10, 2022, https://civilica.com/doc/1452527. [in Persian]
  2. Mohammady, K. Mazaheri and Gh. Heydarinejad, " Numerical simulation of flow inside solid fuel ramjet combustor using a low Reynolds k-ε turbulence model.," 8th Fluid Dynamics Conference, Tabriz, IRAN, September 8-10, 2003, https://civilica.com/doc/30260. [in Persian]
  3. Herfat, M. Mahmoodi and J. Pirkandi, "Simulation and optimization of solid fuel rocket-ramjet considering the effects of chemical reactions and turbulence.," The 19th International Conference of Iranian Aerospace Society, Tehran, IRAN, May 18-20, 2021, https://civilica.com/doc/1362404.
  4. veisy, “Simulation of internal ballistics of the A hybrid-propellant rocket engine with the investigation of the thrust force changing process,” M.Sc. dissertation, Aero. Eng., Khajeh Nasir al-Din Toosi Univ., Tehran, 2013.https://ganj.irandoc.ac.ir/#/articles/bf413687e0900d8d00c57dcd96492659
  5. Kadosh and B. Natan, "Internal Ballistics of a Boron-Containing Solid Fuel Ramjet," Combustion Science and Technology, vol. 193, no. 15, pp. 2672-2691, 2021.
  6. Krishnan and P.George, "Solid fuel ramjet combustor design", Progress in aerospace sciences, vol. 34, pp. 219-256, 1998.
  7. Natan and A. Gany, "Ignition and combustion of boron particles in the flowfield of a solid fuel ramjet," Journal of Propulsion and Power, vol. 7, no. 1, pp. 37-43, 1991.
  8. McCreedy and H. Keskkula, "Effect of thermal crosslinking on decomposition of polybutadiene," Polymer, vol. 20, no. 9, pp. 1155-1159, 1979.
  9. J. Chiaverini, Regression rate and pyrolysis behavior of HTPB-based solid fuels in a hybrid rocket motor. The Pennsylvania State University, 1997.
  10. Sankaran, "Computational fluid dynamics modeling of hybrid rocket flowfields," Progress in Astronautics and Aeronautics, vol. 218, p. 323, 2007.
  11. Fluent 6.3 User’s Guide, Fluent Inc, 2006.
  12. F. Magnussen and B. H. Hjertager, "On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion," Symp. Combust, 16, 1977, pp. 719–29.
  13. E. Launder and N. Shima, "Second-moment closure for the near-wall sublayer-development and application," AIAA journal, vol. 27, no. 10, pp. 1319-1325, 1989.
  14. R. Menter, "Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications," AIAA journal, vol. 32, no. 8, pp. 1598-1605, 1994.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 04 تیر 1401
  • تاریخ بازنگری: 14 شهریور 1401
  • تاریخ پذیرش: 18 آبان 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار