علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

بررسی تجربی عملکرد راه‌اندازی یک دیفیوزر مافوق‌صوت در تست نازل مخروطی با نسبت انبساط مختلف

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 پژوهشکده سامانه های حمل و نقل فضایی، پژوهشگاه فضایی ایران
2 دانشیار، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
3 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
چکیده
یکی از پارامترهای مهم در عملکرد راه‌اندازی دیفیوزر شبیه‌ساز ارتفاع بالا، نسبت سطح مقطع ورودی دیفیوزر به سطح مقطع خروجی نازل است. افزایش این نسبت سطح باعث افزایش طول انبساط جریان مافوق‌صوت و بروز ناپایداری در فرایند راه‌اندازی دیفیوزر می‌شود. در پژوهش حاضر، اثر نسبت سطح مقطع ورودی دیفیوزر به سطح مقطع خروجی نازل مخروطی، بر عملکرد راه‌اندازی تدریجی یک دیفیوزر گلوگاه ثانویه به‏صورت تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. در این بررسی، آزمایش‌ها با چهار نازل با نسبت انبساط مختلف و با در نظر گرفتن رویکرد افزایش تدریجی فشار محفظه نازل توسط یک منبع هوای پرفشار، انجام شده است. بررسی‌ها نشان می‌دهد که در نسبت‌های سطح مقطع بالا قبل از راه‌اندازی دیفیوزر، به‏دلیل ناپایدار شدن جریان در ورودی دیفیوزر نوسانات شدیدی در فشار محفظه آزمون ایجاد می‌شود. با تحلیل فرکانسی فشار محفظه خلاء مشاهده می‌شود که با افزایش نسبت سطح مقطع، تعداد مود‌های نوسانی فشار محفظه خلاء افزایش یافته و فرکانس غالب نوسانات قبل از حالت راه‌اندازی دیفیوزر بزرگ‌تر می‌شود. همچنین مشاهده شد که به‏طورکلی با افزایش نسبت سطح مقطع، مقدار فشار موتور متناظر با شروع نوسانات کاهش می‌یابد. علاوه بر این، مطابق بررسی‌های انجام شده با افزایش نسبت سطح مقطع از 27/1 تا 81/7، کمینه فشار موتور راه‌اندازی دیفیوزر به میزان 33/20 درصد افزایش می‌یابد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1]    P. Ducasse, “Rocket altitude test facilities register,” ADVISORY GROUP FOR AEROSPACE RESEARCH AND DEVELOPMENT NEUILLY-SUR-SEINE (FRANCE), 1987.
[2]    J. N. Sivo, C. L. Meyer, and D. J. Peters, Experimental Evaluation of Rocket Exhaust Diffusers for Altitude Simulation. National Aeronautics and Space Administration, 1960.
[3]    B. H. Park, J. Lim, S. Park, J. H. Lee, and W.-S. Yoon, “Design and Analysis of a Second-Throat Exhaust Diffuser for Altitude Simulation,” Journal of Propulsion and Power, vol. 28, no. 5, pp. 1091–1104, Sep. 2012, doi: 10.2514/1.B34342.
[4]    B. H. Park, J. H. Lee, and W. Yoon, “Studies on the starting transient of a straight cylindrical supersonic exhaust diffuser: Effects of diffuser length and pre-evacuation state,” International Journal of Heat and Fluid Flow, vol. 29, no. 5, pp. 1369–1379, Oct. 2008, doi: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2008.04.006.
[5]    N. Fouladi, “Numerical investigation of flow transient phase of motor burnout in an altitude test simulator,” Modares Mechanical Engineering, vol. 18, no. 7, pp. 10–19, Nov. 2018.
[6]    K. Annamalai, K. Visvanathan, V. Sriramulu, and K. A. Bhaskaran, “Evaluation of the performance of supersonic exhaust diffuser using scaled down models,” Experimental Thermal and Fluid Science, p. 13, 1998.
[7]    J. Lim, B. H. Park, W. Yoon, and Y. Lee, “Parametric Investigation on the Essential Flow Factors Commanding Steady Operations of the Second Throat Exhaust Diffuser,” in 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Hartford, CT: American Institute of Aeronautics and Astronautics, Jul. 2008. doi: 10.2514/6.2008-4784.
[8]    H.-G. Sung, H.-W. Yeom, S. Yoon, S.-J. Kim, and J. Kim, “Investigation of Rocket Exhaust Diffusers for Altitude Simulation,” Journal of Propulsion and Power, vol. 26, no. 2, pp. 240–247, Mar. 2010, doi: 10.2514/1.46226.
[9]    R. Arun Kumar and G. Rajesh, “Flow transients in un-started and started modes of vacuum ejector operation,” Physics of Fluids, vol. 28, no. 5, p. 056105, May 2016, doi: 10.1063/1.4948959.
[10]  R. Arun Kumar and G. Rajesh, “Physics of vacuum generation in zero-secondary flow ejectors,” Physics of Fluids, vol. 30, no. 6, p. 066102, Jun. 2018, doi: 10.1063/1.5030073.
[11]  N. Fouladi, M. Farahani, and A. R. Mirbabaei, “Performance evaluation of a second throat exhaust diffuser with a thrust optimized parabolic nozzle,” Aerospace Science and Technology, vol. 94, p. 105406, Nov. 2019, doi: 10.1016/j.ast.2019.105406.
[12]  N. Fouladi and M. Farahani, “Numerical investigation of second throat exhaust diffuser performance with thrust optimized parabolic nozzles,” Aerospace Science and Technology, vol. 105, p. 106020, Oct. 2020, doi: 10.1016/j.ast.2020.106020.
[13]  N. Fouladi, “Numerical investigation of back flow arrester effect on altitude test simulator starting performance,” Modares Mechanical Engineering, vol. 17, no. 7, pp. 185–196, 2017.
[14]  N. Fouladi, A. Mohamadi, and H. Rezaei, “Numerical design and analysis of supersonic exhaust diffuser in altitude test simulator,” Modares Mechanical Engineering, vol. 16, no. 8, pp. 159–168, Oct. 2016.
[15]  H. L. Merryman and R. M. Brooksbank, “Quality Assurance Test of a Thiokol Chemical Corporation TE-M-364-3 Solid-Propellant Rocket Motor Tested in the Spin Mode at Simulated Altitude Conditions,” ARO INC ARNOLD AFS TN, 1970.
[16]  R. Manikanda Kumaran, K. Vivekanand, T. Sundararajan, S. Balasubramanian, and D. Raja Manohar, “Analysis of Diffuser and Ejector Performance in a High Altitude Test Facility,” in 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Denver, Colorado: American Institute of Aeronautics and Astronautics, Aug. 2009. doi: 10.2514/6.2009-5008.
[17]  E. Mohammadi, N. Fouladi, and A. Madadi, “Design and Analysis of Gas Ejector in High Altitude Test Facility,” Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, vol. 52, no. 11, pp. 3015–3032, 2019.

  • تاریخ دریافت 04 بهمن 1402
  • تاریخ بازنگری 22 اسفند 1402
  • تاریخ پذیرش 16 خرداد 1403