سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

مدلسازی عددی فرایند احتراق HTPB/O2 در یک موتور موشک هیبریدی به منظور تعیین نرخ پسروی سطح سوخت جامد

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی هوافضا،دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران،ایران
2 دانشکده مهندسی هوافضا،دانشگاه صنعتی شریف،تهران،ایران
چکیده
در این پژوهش یک روش عددی دوبعدی برای حل جریان لزج محترق درون یک موتور موشک هیبریدی به منظور تعیین نرخ پسروی سطح سـوخت جامد به کار گرفته شده است. برای حل جـریان از روند ضـمنی LU-SWبر اساس ترکیب روش تفکیک بردار شار ون­لیر با روش اختلاف بالادست MUSCL که از محدودکنندۀ مین­ مود سود می­ برد، استفاده شده است. با توجه به دیگر پژوهش­های تجربی صورت گرفته، جزء شیمیایی C4H6 به عنوان عمده محصول گازی حاصل از فرایند گرماکافت سوخت جامد HTPB در نظر گرفته شده است. برای تعیین نرخ تولید این جزء شیمیایی از یک رابطۀ تجربی شبه آرنیوسی بهره گرفته شده است. در مرحلۀ بعد، واکنش­های شیمیایی بین C4H6 و اکسیژن گازی توسط یک مدل سینتیکی یازده جزئی بیست مرحله ای توصیف شده است. آشفتگی جریان نیز با به کارگیری روش جبری بالدوین- لومکس مدلسازی شده است. با حل جریان محترق، مشخصه ­های جریان و احتراق درون درگاه گرین (Grain) و نازل از قبیل توزیع دما، عدد ماخ، نرخ پسروی و دمای سطح سوخت تعیین شده است. نتایج شبیه ­سازی عددی برای یک موتور آزمایشگاهی ارائه شده و نرخ پسروی به دست آمده در مقایسه با دیگر نتایج عددی و تجربی تطابق خوبی را نشان می­ دهد.
کلیدواژه‌ها

1.        Sutton, G. P., Rocket Propulsion Elements, 7th edition, John Wiley & Sons Inc., New York, 2001.
2.        Marxman, G., and Gilbert, M., “Turbulent Boundary Layer Combustion in the Hybrid Rocket,” Proceedings of the 9th International Symposium on Combustion, pp. 371-383, Academic Press, New York, NY, USA, 1963.
3.        Estey, P., Altman, D. and McFarlane, J., “An Evaluation of Scaling Effects for Hybrid Rocket Motors,” in AIAA/SAE/ASME 27th Joint Propulsion Conference, Sacramento, June, 1991.
4.        Smoot, L. D., and Price, F. C., “Regression Rate of Nonmetalized Hybrid Fuel Systems,” AIAA Journal, 3, pp. 1408-1413, 1965.
5.        Muzzy, R. J., “Applied Hybrid Combustion Theory,” in Proceedings of the 8th AIAAISAE Joint Propulsion Specialist Conference, Paper No. 72 1143, New Orleans, La, USA, November-December, 1972.
6.        Chiaverini, M. J., Kuo, K. K., Peretz, A., and Harting, G. C., “Regression Rate and Heat Transfer Correlations for HTPB/GOX Combustion in a Hybrid Rocket Motor,” AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 34th, Cleveland, OH, July, 1998.
7.        Cheng, G. C., Farmer, R. C., Jones, H. S., and McFarlane, J. S., “Numerical Simulation of the Internal Ballistics of a Hybrid Rocket Motor,” in 32nd Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, Reno, 1994.
8.        Liang, P.Y., Ungewitter, R. J., and Claflin, S. E., “CFD Analysis of the 24-Inch JIRAD Hybrid Rocket Motor,” in 31st AIAAIASMEISAEIASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, San Diego, 1995.
9.        Venkateswaran, S., and Merkle, C. L., “Size Scale-up in Hybrid Rocket Motors,” AIAA Paper 96-0647, 1996.
10.  Serin, N., and Gogus, Y. A., “Navier-Stokes Investigation on Reacting Flow Field of HTPB/O2 Hybrid Motor and Regression Rate Evaluation,” in 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Huntsville, Alabama, July, 2003.
11.  Lung Lin, J., “Two-Phase Flow Effect on Hybrid Rocket Combustion,” Acta Astronautica, 65, Issues 7-8, Pages 1042-1057, October-November 2009.
12.  Shuen, J. S. and Yoon, S., “Numerical Study of Chemically Reacting Flows Using an LU Scheme,” AIAA Paper No. 88-0436, January, 1988.
13.  Reid, R. C., Prausnitz, J. M., and Sherwood, T. K., Properties of Gases and Liquids, 3rd edition, McGraw-Hill, 1977.
14.  Van Leer, B., Liou, M. S., and Shuen, J. S., “Splitting of lnviscid Fluxes for Real Gases,” Journal of Computational Physics, 87, pp. 1-24, 1990.
15.  Van Leer, B., “Towards the Ultimate Conservative Difference Schemeو V. A Second-Order Sequel to Godunov’s Method,” Journal of Computational Physics, 135, pp. 229-248, 1997.
16.  Yu, S. T., Tsai, Y. L., and Shuen, J. S., “Three-Dimensional Calculation of Supersonic Reacting Flows Using an LU Scheme,” in 27th Aerospace Sciences Meeting, Reno, Nevada, 1989.
17.  Steger, J. L. and Warming, R. F., “Flux Vector Splitting of the Inviscid Gas Dynamic Equations with Application to Finite Difference Methods,” J. Comp. Phys., 40, pp. 263-293, 1981.
18.  Chiaverini, M. J., Harting, G. C., Lu, Y. C., Kuo, K. K., and Peretz, A., “Pyrolysis Behavior of Hybrid-Rocket Solid Fuels Under Rapid Heating Conditions,” Journal of Propulsion and Power, 15, pp. 888-895, November-December, 1999.
19.  Baldwin, B. and Lomax, H., “Thin Layer Approximation and Algebraic Model for Seperated Turbulent Flows,” AIAA Paper 78-257, January, 1978.
20.  Merkle, C. L. and Venkatewaran, S., “Fundamental Phenomena on Fuel Decomposition and Boundary Layer Combustion Processes with Applications to Hybrid Rocket Motors, Part II,” 106 Research Building East, Pennsylvania, Final Report 16801, 1996.
21.  Babushok, V. I., and Dakdancha, A. N., “Global Kinetic Parameters for High-Temperature Gas-Phase Reactions,” Translated from Fizika Goreniya i Vzryva, 29, pp. 48-80, July-August, 1993.
22.  Tsai, Y. L, and Hsieh, K. C., “Comparative Study of Computational Efficiency of Two LU Schemes for Non-Equilibrium Reacting Flows,” in 28th Aerospace Sciences Meeting, Nevada, January, 1990.
23.  Westbrook, C. K., and Dryer, F. L., “Simplified Reaction Mechanisms for the Oxidation of Hydrocarbon Fuels in Flames,” Combustion Science and Technology, 27, pp. 31-43, 1981.
24.  Chiaverini, M. J., Kuo, K. K., Peretz A., and Harting G. C., “Regression-Rate and Heat-Transfer Correlations for Hybrid Rocket Combustion,” Journal of  Propulsion and Power, 17, pp. 99-110, January-February, 2001.
25.  Kuo, K. K. et al., “Fundamental Phenomena on Fuel Decomposition and Boundary Layer Combustion Processes with Applications to Hybrid Rocket Motors, Part I,” 106 Research Building East, University Park, Pennsylvania, Final Report 16801, 1996.
26.  Chiaverini, M. J. and Kuo, K. K., Fundamentals of Hybrid Rocket Combustion and Propulsion, AIAA, 1st ed., 2007.
27.  Arisawa, H. and Brill, T. B., “Flash Pyrolysis of Hydroxyl-Terminated Polybutadiene (HTPB) II: Implications of the Kinetics to Combustion of Organic Polymers,” Combustion and Flame, 106, pp. 144-154, 1996.
28.  Cohen, N. S., Fleming, R. W., and Derr, R. L., “Role of Binders in Solid Propellant Combustion,” AIAA, 12, pp. 212-218, February, 1974.