سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

استفاده از نظریه زمان تاخیر دوگانه برای تحلیل ناپایداری احتراق فرکانس پایین در موتورهای سوخت مایع

نویسندگان
مسعود قدیمی 1
علیرضا رمضانی 2
1 دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
2 پژوهشکده سامانه های حمل و نقل و انتقال فضای تهران ایران
چکیده
در پژوهش حاضر، ناپایداری احتراق فرکانس پایین در موتورهای سوخت مایع مدلسازی شده و نرم‌افزاری برای تحلیل و پیش‌بینی این پدیده ایجاد شده‌ است.برای تعیین معادله مشخصه­ حاکم، تداخل بین نوسانات جریان در انژکتور به عنوان نماینده سیستم تغذیه و نوسانات فشار ناشی از احتراق در محفظه، مورد بررسی قرار گرفته است. مدلسازی دینامیک احتراق با استفاده از مدل تاخیر زمانی انجام شده ‌است. برای افزایش دقت و تشابه مدل با واقعیت دینامیک احتراق، مدل تاخیر زمانی دوگانه یا تبخیر همراه با اختلاط استفاده شده ‌است. با استفاده از مدل ارائه شده، ناپایداری فرکانس پایین در موتورهای مایع-گاز و مایع- مایع بررسی و مرزهای پایداری و فرکانس­ های مربوط به آن در حالت­ های مختلف بررسی شده ‌است. نشان داده شده که افزایش افت فشار انژکتورها و افزایش زمان اقامت گاز در محفظه اثرات پایدارکنندگی دارند. کاهش زمان اختلاط در موتورهای مایع-گاز اثر پایدارکنندگی دارد، اما در موتورهای مایع- مایع می‌تواند روندهای متفاوتی را به دنبال داشته باشد. همچنین احتمال وقوع ناپایداری فرکانس پایین فقط در بازه‌های فرکانسی خاصی که گسسته است، وجود دارد. نتایج به دست آمده، تطابق قابل قبولی با نتایج تجربی و نظری موجود داشته و دینامیک ناپایداری احتراق فرکانس پایین را به خوبی پیش‌بینی می‌کند.

تازه های تحقیق

در کار حاضر مدلی ارائه شده که توانایی پیش‌بینی ناپایداری احتراق فرکانس پایین در موتور سوخت مایع را دارد. این مدل با استفاده از ایده زمان تأخیر و فرض گاز کامل ارائه شده و در آن از اثر نوسانات سیستم بالادست انژکتورها بر نوسانات سیستم صرف­نظر شده است. نتایج به دست آمده در این نرم‌افزار نشان می‌دهد که احتمال وقوع ناپایداری فرکانس پایین فقط در بازه‌های فرکانسی خاصی که گسسته است، وجود دارد. گرچه کاهش زمان اختلاط در موتورهای مایع-گاز اثر پایدارکنندگی دارد، اما در موتورهای مایع- مایع می‌تواند روندهای متفاوتی را به دنبال داشته باشد. همچنین افزایش زمان اقامت محفظه که معادل با افزایش طول و قطر محفظه و یا کاهش قطر نازل است، در موتورهای مایع-گاز ناحیه پایداری را افزایش می‌دهد اما تعداد پرش­های فرکانسی و فرکانس­های مربوط به آنها تقریباً ثابت است. نتایج به دست آمده و مقایسه آنها با نتایج نظری و تجربی موجود نشان‌دهنده قابلیت این نرم‌افزار در پیش‌بینی ناپایداری احتراق فرکانس پایین در موتورهای سوخت مایع است.

کلیدواژه‌ها
موتور سوخت مایع
ناپایداری احتراق
فرکانس پایین
تأخیر زمانی

عنوان مقاله English

Low Frequency Combustion Instability Analysis in LRE by Using Double Time Lag Theory

نویسندگان English

Masuod Ghadimi 1
Ali Ramezani 2
1 Sharif University of TechnologyTehran Iran
2 Tehran Space Transportation and Transfer Systems Research Institute, Iran
چکیده English

The low frequency instability in LRE is modeled and analyzed using the double time lag model in the present work. To this end, the interaction between the fluctuations of injectors representing feed system oscillations on the one hand, and fluctuations of chamber pressure representing combustion oscillations on the other hand have been considered. The dynamics of chamber pressure is modeled through the double time lag or evaporization and mixing time lag model. This way, the low frequency instability boundary in liquid-gas and liquid-liquid engines is analyzed and their corresponding frequencies are determined. It is shown that increasing the pressure drop of injectors and gas residence time can stabilize the engine. Decreasing the mixing time in liquid-gas engines has a stabilizing effect, but this is not true for liquid-liquid engines. In these engines, the mixing time has different effects on the stability boundaries depending on the evaporization time of fuel and oxidizer. It is also concluded that low frequency instability can be initiated at special domains of frequency. The results are in agreement with the available theoretical and experimental results.

کلیدواژه‌ها English

Liquid Rocket Engines
Combustion Instability
Low Frequency
Time Lag Theory
1-     Harrje, D. T., and Reardon, F. H., “Liquid Propellant Rocket Combustion Instability”, NASA-SP-194, 1972.
2-     Fang, J., “Application of Combustion Time Lag Theory to Combustion Stability Analysis of Liquid and Gaseous Propellant Rocket Engines,” AIAA Paper 84-510, 1984
3-     Crocco, L., and Cheng, S.-I., “Theory of Combustion Instability in Liquid-Propellant Rockets,” AGARDogrph, No. 8, Butterworths Scientific Publications, London, 1956.
4-     Wenzel, L. M., and Szuch, J., “Analysis of Chugging in Liquid-Bipropellant Rocket Engines Using Propellants with Different Vaporizations Rates,” NASA TN D-3080, 1965.
5-     Heidmann, M. F., Sokolowski, D. E., and Diehl, L. A., “Study of Chugging Instability with Liquid-Oxygen and Gaseous-Hydrogen Combustors,” NASA TN D-4005, 1967
6-     Wood, D. J., and Dorsch, R., “Effect of Propellant Feed System Coupling and Hydraulic Parameters on Analysis of Chugging,” NASA TN D-3896, 1967
7-     Kahn, D. R., and et.al., “Orbital Maneuvering Engine- Feed System Coupled Stability Investigation,” NASA CR-150944, 1975.
8-     Lim, K. C., and George, P. E., “Combustion Stability Analysis of Preburners Durng Engine Shutdown,” AIAA Paper 87-1776, 1987.
9-     Ordonneau, G., and et.al., “Analysis and Modeling of VULCAIN Engine Shutdown Transient Chugging,” ONERA TP 2000-143, 2000.
10-  Tamura, H., and et.al., “Observation of LOX/Hydrogen Combustion Flame in a Rocket Chamber During Chugging Instability,” AIAA Paper 2003-4758, 2003.
11-  Anon, J-2 Program Quarterly Progress Report For Period Ending February 28 1962, Rep. No. R-2600-6, Rocketdyne Div., North American Aviation, 1962.
12-  Walter, F., et.al., “M-1 Injector Development Philosophy and Implementation,” NASA TN D-4730, 1968
13-  Priem, R. J., and Heidman, M. F., “Propellant Vaporization as a Design Criterion for Rocket Engine Combustion Chambers,” NASA TR R-67, 1960.
14-  Szuch, J., and Wenzel, L.M., “Experimental Verification of a Double-Dead-Time Model Describing Chugging in  Liquid Bipropellant rocket engines,” NASA TM X-52362, 1967.
15-  Huzel, D.K and Huang, D.H., “Modern Engineering for Design of Liquid Propellant Rocket Engines,” AIAA Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol.147, 1992.