طراحي بهينه سامانه‌ مديريت پيشرانه (PMD) مخزن حامل سوخت هيدرازين

Propellant Management Device (PMD) Design Optimization of Hydrazine Fuel Tank

هدف از ارائه مقاله، روش بهينه طراحي سيستمي سامانه مديريت پيشرانه يا PMD مخزن حامل سوخت هيدرازين براي استفاده در شرايط بي‌وزني مي‌باشد. براي اين منظور، از روش‌هاي عددي براي تحليل مخزن و رفتار سوخت درون مخزن به همراه PMD براي بهينه‌سازي پارامترهاي طراحي سامانه استفاده شده است. بدينصورت كه، براي بررسي رفتار سوخت، سامانه مديريت پيشرانه با استفاده از روش حجم سيال (VOF) در نرم افزار انسيس ويرايش 17 مدل‌سازي نهايي، مش‌بندي و تحليل شده ‌است. همچنين مدل‌سازي اوليه مخزن و سامانه پيشرانه در نرم افزار ساليدورك ويرايش 2016 صورت پذيرفته است. شبيه‌سازي‌هاي عددي به منظور بررسي عملكرد PMD و اثبات پديده مويينگي براي سوخت‌رساني پايدار در شرايط بي‌وزني انجام شده است. متغيرهاي طراحي در بهينه‌سازي طراحي مخزن و PMD به ترتيب 1- كمينه نمودن نسبت وزن به ضريب اطمينان، 2- مشخصات ابعادي مخزن و PMD (ارتفاع، قطر، ابعاد طول و عرض). پارامترهاي بهينه‌سازي PMD با هدف دست‌يابي به بيشترين مقادير دبي جرمي و نرخ حجمي جريان صورت مي‌پذيرد. به عبارت ديگر، هدف دستيابي به بيشترين مقادير سوخت به PMD مي‌باشد كه در پايان زمان شبيه‌سازي توسط نمودار نرخ جريان قابل اكتساب است. نتايج تحليل عددي بدست آمده عبارتنداز: پارامترهاي سيستمي بهينه مربوط به مشخصات مخزن و سامانه مديريت پيشرانه (دستيابي به كمينه وزن و بيشينه ضريب اطمينان و همچنين بيشينه دبي خروجي از سامانه مديريت پيشرانه). صحه‌گذاري نتايج با مقايسه پارامترهاي سيستمي بهينه بدست آمده از نمونه‌هاي موجود با ابعاد مش متفاوت صورت مي‌پذيرد.

The purpose of this article is to design the optimum method of Propellant Management Device (PMD) of hydrazine fuel tank which is used in zero-gravity conditions. To this end, numerical methods are used for analysis of the tank and the fuel behavior inside the tank with PMD to optimize system design parameters. Hence, Ansys software is used to finalize modeling, analysis, meshing and consideration of fuel behavior in PMD by utilizing the Volume Of Fluid (VOF) method. Also, Solid Works software is used for primary PMD and tank modeling. Then, numerical simulation is performed to consider PMD's performance and to illustrate the capillary phenomenon for continuous fuel transferring in zero-gravity conditions. The design variables in tank and PMD optimization respectively are: minimizing the tank weight to safety factor ratio; dimensional specifications of tank and PMD (height, diameter, length and width dimensions). The objectives of PMD optimization are to achieve maximum volumetric and mass flow rate values, and on the other hand, to achieve the most desirable amount of fuel to PMD so that at the end of the time of simulation it can used by flow rates curves. Numerical analysis results that are obtained include: optimal system parameters related to the specifications of the tank with minimum weight and maximum safety factor and also optimal system parameters related to specifications of PMD with maximum performance of mass and volume flow rates in zero gravity. In conclusion, by comparing the existing systems with the optimal system parameters results will be verified. The outlet mass flow rate in simulations of 4 seconds verified the performance of designed system.