دانلود ترجمه مقاله ترکیب و احتراق فوق بحرانی در نیروی محرکه موشک – 2013

ترکیب و احتراق فوق بحرانی در نیروی محرکه موشک

Supercritical mixing and combustion in rocket propulsion

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- انگیزه و اهداف

مدلسازی ترکیب فرابحرانی و فوق بحرانی چالش های قابل ملاحظه ایی 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.

5- نتیجه گیری و مطالعات آینده

در این مقاله، اجرای تعمیم های سیال واقعی به Char LES را گزارش می کنیم. یک اجرای متمایز برای ترکیب خالص و مورد احتراق مدل FPV لازم بود. درخصوص شبیه سازی های غیرواکنشی، یک الگوریتم تکرار شوندۀ مبتنی بر Neweton – Raphson جهت تعیین دما از چگالی و انرژی انتقال یافته استفاده می گردد. درخصوص شبیه سازی های واکنشی، یک جدول شعلۀ توسعه یافته استفاده می شود که توابع حرکت، ویسکوسیته و همچنین فاکتور تراکم پذیری را تسطیح می کند. این پارامترهای تسطیح در راستای اصلاح خواص ترمودینامیکی انتقال یافته استفاده می شوند. این رویکرد در واقع ادامۀ کار تراپون و دیگران (2010) می باشد. گسترش سیال واقعی به Char LES در جهت بررسی یک مورد واکنشی و یک مورد غیرواکنشی استفاده شد. این کار مقدماتی قابلیت Char LES در اتخاذ فیزیک قابل توجه در یک پیکربندی موتور موشکی را نشان می دهد. از دیدگاه عددی، ثبات اعداد همچنان دقیق و ضعیف است و مستلزم طرح های ساطعی جهت اجتناب از نوسانات عددی نادرست می باشد. با وجود این که طرح های ساطعی موضوع ثبات عددی را حل و فصل می کنند اما انتشار افزودۀ فیزیک جریان زیربنائی به ویژه در جریان های گذرا را به طور قابل ملاحظه ایی اصلاح و تعدیل می کند. در مورد احتراق، فرضیات اساسی مورد نیاز برای اصلاح معادلۀ انرژی مستلزم تعیین کمیت سراسری تر خطا به ویژه در رژیم های برودتی و فرابحرانی می باشد. علاوه براین شبیه سازی ها باید در دستگاه های فوق بحرانی انجام شوند. هرچند داده های روایی کمی وجود نداشته باشد. این مطالعه فرصت های جدیدی برای درخواست های آینده درخصوص احتراق و ترکیب فوق بحرانی فراهم می کند.

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.

5- Conclusion and future work

In this brief, we report on the implementation of the real fluid extensions to CharLESx . A conceptually distinct implementation was needed for the pure-mixing and the FPV model combustion case. For the non-reacting simulations, a Newton-Raphson based iterative algorithm is used to determine the temperature from the transported density and energy. For the reacting simulations, an extended flamelet table is used that tabulates the departure functions, viscosity as well as the compressibility factor. These tabulated parameters are used to correct the transported thermodynamic properties, the approach is an extension of the work by Terrapon et al. (2010). The real fluid extension to CharLESx was used to investigate a non-reacting and a reacting case. This preliminary work illustrates the capability CharLESx to capture the important physics in a typical rocket engine configuration. Several aspects require further consideration. From a numerical point of view, the stability of the numerics remains tenuous and requires dissipative schemes to avoid spurious numerical oscillations. Although the dissipative schemes solve the numerical stability issue, the added dissipation drastically modifies the underlying flow physics —especially in transitioning flows. In the combustion case, the underlying assumptions needed for the correction of the energy equation requires a more thorough quantification of the error, particularly in the transcritical and cryogenic regimes. In addition, simulations need to be conducted on supercritical setups, despite the lack of quantitative validation data. This work opens the opportunities for future inquiries for supercritical mixing and combustion.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

ترکیب و احتراق فوق بحرانی در نیروی محرکه موشک

Supercritical mixing and combustion in rocket propulsion