شبیه سازی عددی سه بعدی جریان سیمولنت ژل در یک انژکتور فشاری پیچشی بر اساس مدل توانی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی / مجتمع دانشگاهی شیمی و مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

2 دانشجوی دکتری / مجتمع دانشگاهی شیمی و مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

3 دکتری / مجتمع دانشگاهی شیمی و مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

4 دکتری / دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی، دانشکده مهندسی هوافضا

چکیده

پیشرانه های ژل به علت برخورداری از مزایای هر دو پیشرانه جامد و مایع آینده امید بخشی را در صنایع هوا فضا دارند. پیشرانه های ژل بر خلاف پیشرانه مایع مادر، دارای رفتاری غیر نیوتونی هستند که باعث پیچیدگی رفتار آن-ها در سیستم پیشرانش به خصوص در فرآیند اتمیزاسیون می شود. در این مقاله جریان داخلی انژکتور فشاری پیچشی برای پیشرانه ژل بر اساس مدل توانی به کمک دینامیک سیالات محاسباتی مورد مطالعه قرار گرفت. شبیه سازی ها به صورت 3 بعدی و بر اساس مدل حجم سیال (VOF) در مقادیر مختلف شاخص تطابق و شاخص جریان رفتار سیال در دبی ورودی ثابت انجام شد. نتایج به دست آمده نشان داد که با افزایش مقدار شاخص رفتار جریان سیال (n) فشار تزریق مورد نیاز در دبی جرمی یکسان کاهش پیدا می کند. فشار تزریق مورد نیاز برای دبی kg/s 0/063 برای n=0.2،1/8  مگاپاسکال و برای n=0.6، 0/45 مگاپاسکال به دست آمد. همچنین نتایج نشان داد که افزایش شاخص تطابق، از نظر الگوی جریان بیشترین تاثیر را در بخش محفظه چرخش انژکتور دارد به طوری که طول هسته هوای تشکیل شده در راستای محور انژکتور، با افزایش شاخص تطابق، کاهش می یابد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

3D Numerical simulation of gel simulant flow in a pressure swirl injector based on power-law model

نویسندگان [English]

  • Ali Aaberi Moghaddam 1
  • Farhad Mansourizadeh 2
  • Mohammad Mahdi Bahri Rasht Abadi 3
  • Esmaeil Valizadeh 4
1 Professor, Falucty of Chemistry and Chemical Enhineering, Malek-Ashtar University of Technology, Tehran
2 Ph.D. Student, Falucty of Chemistry and Chemical Enhineering, Malek-Ashtar University of Technology, Tehran
3 Ph.D. Falucty of Chemistry and Chemical Enhineering, Malek-Ashtar University of Technology, Tehran
4 Ph.D. Falucty of Aerospace Enhineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran
چکیده [English]

Gel propellants are promising in the aerospace industry due to the benefits of both solid and liquid propellants. Unlike their base liquid propellants, the gel propellants have a non-Newtonian behavior that complicates their behavior in the propulsion system, especially in the atomization process. In this paper, the internal flow of a pressurized swirl injector for gel propulsion was studied using computational fluid dynamics based on the power law model. The simulations were performed in 3D mode and based on the volume of fluid model (VOF) in different values of the consistency and flow index of the fluid behavior at a constant inlet flow rate. The results showed that by increasing the value of fluid flow behavior index (n), the required pressure decreases for a same mass flow rate. The required pressures of the fluid flow of 0.063 kg /s were obtained as 1.8 and 0.45 MP for n = 0.2 and n = 0.6 respectively. The results also showed that increasing the consistency index, in terms of flow pattern, has the greatest impact on the injector swirl chamber so that the length of the air core formed along the injector axis decreases with increasing the conformity index.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Pressure Swirl Injector
  • Gel Propellant
  • Atomization
  • Power-law model
  • Shear thinning

مراجع

[1] Yang, L.-j., et al., Spray characteristics of gelled propellants in swirl injectors. Fuel, 2012. Vol. 97, p. 253-261.
[2] صابری مقدم، ع و حاجیلری، ن. " پیشرانه های ژل"، تحقیق و توسعه مواد پرانرژی، سال 4، پیاپی 6، 1387.
[3] صابری مقدم، ع. منصوری زاده، ف. ولی زاده، ا. "بررسی تاثیر رئولوژی پیشرانه ژل بر مشخصه های اتمیزاسیون انژکتور جریان پیچشی" فناوری در مهندسی هوافضا. دوره5، پیاپی17. 1400.
[4] Mallory, J., S.J. DeFini, and P. Sojka, Formulation of Gelled Propellant Simulants, 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit.
[5] Saberi Moghaddam, A. Rezaei, M.R, and Tavangar, S. Experimental Investigation of Characteristic Length Influence on a Combustion Chamber Performance with Liquid and Gelled UDMH/IRFNA Bi-Propellants. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2019. Vol 44(9), pp. 1154-1159.
[6] Lee, I. and J. Koo, Break-up characteristics of gelled propellant simulants with various gelling agent contents. Journal of Thermal Science, 2010. Vol 19(6), pp. 545-552.
[7] Yang, L.-j., et al., Atomization of gelled propellants from swirl injectors with leaf spring in swirl chamber. Atomization and Sprays, 2011.
[8] امی، ف. "موتور و پیشرانش فضایی" انتشارات بعثت، تهران؛ 1390.
[9] Amini, G., Liquid flow in a simplex swirl nozzle. International Journal of Multiphase Flow, 2016. Vol 79, pp. 225-235.
[10] Lefebvre, A.H. and V.G. McDonell, Atomization and sprays. 2017: CRC press.
[11] Ashgriz, N., Handbook of atomization and sprays: theory and applications. 2011: Springer Science & Business Media.
[12] Green, J., Rapp, D., and Roncace, J., Flow visualization of a rocket injector spray using gelled propellant simulants. 27th Joint Propulsion Conference. 1991.
[13] Rahimi, S. Air-blast atomization of gel fuels.  37th Joint Propulsion Conference and Exhibit. 2001.
[14] توانگر، س. هاشم آبادی، ح. صابری مقدم، ع. " مطالعه آزمایشگاهی و شبیه‌ سازی عددی اتمایزشدن سیال غیر نیوتنی غیرالاستیک " رساله دکتری، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ایران. 1393.
[15] Dash, S., et al., Formation of air core in nozzles with tangential entry. J. Fluids Eng., 2001. Vol 123(4), pp. 829-835.
[16] حسینعلی پور، م. کریمایی، ح. امی، ف. " طراحی، شبیه سازی و آزمایش یک انژکتور گریز از مرکز با ورودی های مماسی" سوخت و احتراق. 1393.
[17] Mandal, A., et al., Flow of power-law fluids in simplex atomizers. International journal of heat and fluid flow, 2008. Vol 29(5), pp. 1494-1503.
[18] Rezaei moghaddam, M., et al. Modeling of Non-Newtonian Fluid Flow Within Simplex Atomizers. in ASME 2010 10th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis. 2010.
[19] Kim, H., et al., Spray characteristics of aluminized-gel fuels sprayed using pressure-swirl atomizer. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 2017. Vol 249, pp. 36-47.
[20] Fu, Q., et al., Spray characteristics of gel propellants in an open-end swirl injector. Fuel, 2019. 254: p. 115555.
[21] Yang, L., et al., Spray Characteristics of Gel Propellants in Open-End Swirl Injector. 5th Topical Problems of Fluid Mechanics, 2019.
.[22] Kant, K. and R. Banerjee., Assessment of Primary Breakup of Liquid Sheet Emanating from a Pressure Swirl Atomizer for Non-Newtonian Fluids. International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (ICLASS), 2021.
[23] اسکندری، ا. صابری مقدم، ع. امام فرد، ز. " ساخت  و کنترل کیفیت سوخت ژل UDMH و بارگذاری آن با ذرات آلومینیوم و کربن" پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران. 1398.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار