علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

بررسی عددی نوسان جریان ‌مافوق‌صوت در دیفیوزر و محفظه تست شبیه‌ساز تست ارتفاع بالا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 پژوهشکده سامانه های حمل و نقل فضایی، پژوهشگاه فضایی ایران
2 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف
3 دانشکده مهندسی هوافضا/ دانشگاه صنعتی شریف
چکیده
پژوهش حاضر به منظور شبیه‌سازی عددی و پدیده‌شناسی نوسانات جریان مافوق‌صوت در یک شبیه‌ساز ارتفاع بالای مجهز به دیفیوزر با نسبت سطح ورودی دیفیوزر به خروجی نازل برابر 1.91 انجام شده‌است. شبیه‌سازی عددی در دو حالت پایا و ناپایا انجام شده‌است. اعتبارسنجی حل عددی به کمک داده‌های تست تجربی گاز سرد شبیه‌ساز ارتفاع بالای موجود در پژوهشکده سامانه‌های حمل و نقل فضایی انجام شده‌است. بررسی‌ها حاکی از آن است که دو نوع استارت پایدار و ناپایدار در سامانه رخ می‌دهد. در استارت پایدار، که در فشارموتورهای بالا رخ می‌دهد، جریان در بخش زیادی از طول دیفیوزر مافوق‌صوت است. حال آنکه در استارت ناپایدار، جریان در اکثر طول دیفیوزر مافوق‌صوت نیست و ضخامت لایه مرزی در ناحیه مافوق‌صوت به طور قابل توجهی زیاد است. همین امر سبب انتقال اغتشاشات پایین‌دست دیفیوزر به بالادست می‌شود. اغتشاشات مزبور غالباً ناشی از ساختارهای ناپایدار جدایش جریان آشفته در ‌پایین‌دست دیفیوزر است. اثر اغتشاشات انتقالی، نوسان نواحی جدایش رخ داده در دیفیوزر است که باعث نوسان ساختار‌ قطار شوک در داخل دیفیوزر‌ می‌شود. تغییر ساختار شوک‌ها و همچنین ناپایداری‌های ایجاد شده در قطار شوک‌ها و حرکت آن‌ها به سمت بالادست جریان، باعث ایجاد ناحیه جدایش جریان در ورودی محفظه ‌‌خلأ می‌شود و مکش جرمی به داخل محفظه رخ می‌دهد که نتیجه آن خارج شدن دیفیوزر از شرایط کاری راه‌اندازی است. با گذر زمان و افزایش فشار محفظه خلاء، مومنتوم جریان خروجی از نازل دوباره غالب شده و حالت شبه استارت را در دیفیوزر ایجاد می‌کند و این حلقه تکرار به طور متناوب ادامه پیدا می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1]   R. Ashokkumar, S. Sankaran, K. Srinivasan, and T. Sundararajan, “Effects of vacuum chamber and reverse flow on supersonic exhaust diffuser starting,” J Propuls Power, vol. 31, no. 2, pp. 750–754, 2015.
[2]   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, 2016.
[3]   P. F. Massier and E. J. Roschke, “Experimental investigation of exhaust diffusers for rocket engines,” Progress in Astronautics and Rocketry: Liquid Rockets and Propellants, vol. 2, pp. 3–75, 2013.
[4]   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, 2016.
[5]   H.-W. Yeom, S. Yoon, and H.-G. Sung, “Flow dynamics at the minimum starting condition of a supersonic diffuser to simulate a rocket’s high altitude performance on the ground,” Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 23, pp. 254–261, 2009.
[6]   S. Afkhami, N. Fouladi, and M. P. Fard, “Experimental and numerical investigation of transient starting of pre-evacuated exhaust diffuser in high altitude ground test,” Aerosp Sci Technol, vol. 133, p. 108111, 2023.
[7]   G. Bharate and A. Kumar, “Starting transients in second throat vacuum ejectors for high altitude testing facilities,” Aerosp Sci Technol, vol. 113, p. 106687, 2021.
[8]   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,” Int J Heat Fluid Flow, vol. 29, no. 5, pp. 1369–1379, 2008.
[9]   A. Mittal, G. Rajesh, V. Lijo, and H. D. Kim, “Starting transients in vacuum ejector-diffuser system,” J Propuls Power, vol. 30, no. 5, pp. 1213–1223, 2014.
[10] L. Crocco, “One-dimensional treatment of steady gas dynamics,” Fundamentals of gas dynamics, pp. 64–349, 1958.
[11] K. Matsuo, Y. Miyazato, and H.-D. Kim, “Shock train and pseudo-shock phenomena in internal gas flows,” Progress in aerospace sciences, vol. 35, no. 1, pp. 33–100, 1999.
[12] R. L. Hunt and M. Gamba, “On the origin and propagation of perturbations that cause shock train inherent unsteadiness,” J Fluid Mech, vol. 861, pp. 815–859, 2019.
[13] J. L. Wagner, K. B. Yuceil, A. Valdivia, N. T. Clemens, and D. S. Dolling, “Experimental investigation of unstart in an inlet/isolator model in Mach 5 flow,” AIAA journal, vol. 47, no. 6, pp. 1528–1542, 2009.
[14] H. Sugiyama, H. Takeda, J. Zhang, K. Okuda, and H. Yamagishi, “Locations and oscillation phenomena of pseudo-shock waves in a straight rectangular duct,” JSME international journal. Ser. 2, Fluids engineering, heat transfer, power, combustion, thermophysical properties, vol. 31, no. 1, pp. 9–15, 1988.
[15] R. YAMANE, M. TAKAHASHI, and H. SAITO, “Vibration of pseudo-shock in straight duct: 2nd report, calculation of static pressure fluctuation,” Bulletin of JSME, vol. 27, no. 229, pp. 1393–1398, 1984.
[16] R. YAMANE, E. KONDO, Y. TOMITA, and N. SAKAE, “Vibration of pseudo-shock in straight duct: 1st report, fluctuation of static pressure,” Bulletin of JSME, vol. 27, no. 229, pp. 1385–1392, 1984.
[17] B. Xiong, X.-Q. Fan, Y. Wang, and Y. Tao, “Experimental study on self-excited and forced oscillations of an oblique shock train,” J Spacecr Rockets, vol. 55, no. 3, pp. 640–647, 2018.
[18] C. Cheng, C. Wang, and K. Cheng, “Response of an oblique shock train to downstream periodic pressure perturbations,” Proc Inst Mech Eng G J Aerosp Eng, vol. 233, no. 1, pp. 57–70, 2019.
[19] N. Fouladi, S. Afkhami, and M. P. Fard, “Experimental and comprehensive investigation of second throat diffuser area effect on ground test of a thrust optimized parabolic nozzle with different expansion ratios,” Acta Astronaut, vol. 209, pp. 146–158, Aug. 2023, doi: 10.1016/j.actaastro.2023.05.004.
[20] S. Afkhami, N. Fouladi, and M. PasandidehFard. “Evaluation of generalized k-ω turbulence model in strong separated flow estimation of thrust optimized parabolic nozzle.” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering vol. 237 (14), p 3143-3155, 2023:
[21] N. Fouladi, M. Farahani, A. Parsa Delivand, 'Experimental investigation of supersonic diffuser starting performance in conical nozzle test with different area ratio',Space Science, Technology and Applications, (2024). doi: 10.22034/jssta.2024.437401.1149
[22] A. F. T. Guide, “18.(2018),” ANSYS Fluent Tutorial Guide, vol. 18.
[23] N. Fouladi, S. Afkhami, M. Pasandideh Fard ‘Starting transient analysis of second throat exhaust diffuser in high-altitude test of a thrust optimized parabolic nozzle.’ Physics of Fluids. 2023 Jun 1;35(6).
[24] S. Afkhami, N. Fouladi ‘Gas dynamics at starting and terminating phase of a supersonic exhaust diffuser with a conical nozzle.’ Physics of Fluids. 2024 Mar 1;36(3).
[25] N. Li, J. Chang, K. Xu, D. Yu, and W. Bao, “Instability of shock train behaviour with incident shocks,” J Fluid Mech, vol. 907, p. A40, 2021.

  • تاریخ دریافت 21 خرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 20 تیر 1403
  • تاریخ پذیرش 27 بهمن 1403