احتراق و ترکیب فوق بحرانی در نیروی محرکه موشکی
1. انگیزه و اهداف
مدلسازی ترکیب فرابحرانی و فوق بحرانی چالش های قابل ملاحظه ای برای شبیه سازی های پیشگویانۀ احتراق موشک را مطرح می کند. خواص ترموفیزیکی سیالات نزدیک نقطۀ بحرانی دستخوش تغییرات چشم گیری می شود که در صورت عدم تغییر فازی رخ می دهد. در تمام این شرایط حاد فشار، نیروهای اتمی دافع به اندازه ایی اهمیت پیدا می کنند که بر تنش سطحی چیره می شوند و یک سیال چگال تک فازی ایجاد می کنند که خواص گاز (مثل قابلیت انتشار بالا) و مایع (مثلاً چگالی بالا) هر دو را با هم دارند. در رژیم فرابحرانی، ترکیب عمدتاً شامل یک فرایند منتج از انتشارات که خواص ترموفیزیکی در این فرایند توابع غیرخطی فشار و دمای محلی می باشند. با توجه به چگالی مایع شکل نزدیک نقطۀ جوش، سیال در معرض شیب های چگالی شدید در محیط پیوستۀ دیگر می باشد. به عنوان مثال، در فشار 505 μpa، چگالی اکسیژن به طور میانگین تا بیش از 46 kg/m3 در هر درجه کلوین بین 150 K و 160 K کاهش میابد. مشابهاً، حرارت ویژه در فشار ثابت توسط عامل 10 در همین رنج متغیرات است به شکل 1 مراجعه کنید. این رفتار بسیار غیرخطی در نزدیکی نقطه بحرانی فقط یک نمونه از ناتوانی قانون گاز ایده آل برای به هم مرتبط ساختن حالات ترموفیزیکی به هم می باشد.
ضرورت جریان های فرابحرانی و فوق بحرانی در موتورهای موشک مایع (LRE) که احتراق های برودتی با چگالی بالا و اکسید کننده به اطاقک های احتراق پر فشار تزریق می شوند بسیار مهم و حیاتی است. در فشارهای عملیاتی فوق بحرانی، دمای زیر بحرانی احتراق مایع و اکسید کننده باید قبل از وقوع احتراق یا احتراق به حالت فوق بحرانی – با تغییرات ترمودینامیکی پی در پی – افزایش یابد (به نمایش نمودار فازی در شکل 2 مراجعه کنید). مدلسازی دقیق و صحیح تأثیرات واقعی جریان بر ترکیب احتراق / اکسنده برای تعیین ویژگی های احتراق بعدی در این موتورها اهمیت دارد. با این حال، تأثیرات واژگون رفتار غیرخطی قوی سیال از نقطه نظر طرح مستلزم توجه ویژه می باشد.
1. Motivation and objectives
The modeling of trans- and supercritical mixing and combustion introduces considerable challenges for predictive rocket combustion simulations. Near the critical point, the thermo-physical properties of fluids undergo drastic changes that occur in the absence of a phase change. At these extreme pressure conditions, the repulsive atomic forces become important enough to overcome the surface tension and create a single-phase, dense fluid that shares the properties of a gas (e.g., high diffusivity) and a liquid (e.g., high density). In the transcritical regime, mixing is primarily a diffusion driven process in which the thermo-physical properties are non-linear functions of local pressure and temperature. Given the liquid-like density near the critical point, the fluid is prone to extreme density gradients in an otherwise continuous medium. For example, at a pressure of 5.5 MPa, the density of transcritical oxygen decreases, on average, by over 46 kg/m3 per degree Kelvin between 150 K and 160 K. Similarly, the specific heat at constant pressure varies by a factor of 10 within this same range, see Figure 1. This highly non-linear behavior near the critical point is just one example of the inability of the ideal gas law to relate the thermo-physical states. This strongly non-linear behavior is at the heart of the challenges in real fluid modeling and simulation.
The need to accurately model trans- and supercritical flows is particularly acute in liquid rocket engines (LRE) where high-density cryogenic fuels and oxidizers are injected into high-pressure combustion chambers. At supercritical operating pressures, the subcritical temperature of the liquid fuel and oxidizer must increase to a supercritical state —with the consequential thermo-physical variations —before combustion can occur (see the phase diagram representation in Figure 2). The accurate modeling of the real fluid effects on the fuel/oxidizer mixing is important for characterizing the subsequent combustion in these engines. However, from a design standpoint, the subversive effects of the strong non-linear behavior of the fluid require special consideration.
1 انگیزه و اهداف
2 مدلسازی تاثیرات سیال واقعی
الف معادله حالت
ب خواص ترمودینامیکی و انتقالی
3 اجرای عددی
3-1 ترکیب خالص سیالات چندگونه ایی
3-2 احتراق و تسطیح شعله
4 شبیه سازی های عددی
4-1 مورد غیرواکنشی
4-2 مورد واکنش: یک مورد واکنشی انژکتور واحد
5 نتیجه گیری و مطالعات آینده
1. Motivation and objectives
2. Modeling the real fluid effects
2.1. Equation of state
2.2. Thermodynamic and transport properties
3. Numerical implementation
3.1. Pure-mixing of multi-species fluids
3.2. Combustion and flamelet tabulation
4. Numerical simulations
4.1. Non-reacting case: Transcritical nitrogen jet
4.2. Reacting case: Single injector Penn State combustor
5. Conclusion and future work
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه