بررسي عددي اثر محدود كننده جريان برگشتي در عملكرد راه اندازي آزمايشگاه شبيه ساز ارتفاع

Numerical investigation of back flow arrester effect on altitude test simulator starting performance

غالباً، در لحظه روشن شدن يك موتور در آزمايشگاه شبيه‌ساز ارتفاع، جريان گازهاي احتراقي از هد ديناميكي كافي براي برقراري جريان مافوق‌ صوت در ديفيوزر خروجي گاز اين آزمايشگاه برخوردار نيست. در اين حالت، وقوع پديده جريان برگشتي به داخل محفظه خلاء اجتناب‌ناپذير است. جريان برگشتي گازهاي دما بالا به محفظه خلاء، علاوه بر از بين بردن خلاء مطلوب و كاهش دقت اندازه‌گيري‌ها، زمان راه‌اندازي ديفيوزر را نيز به تعويق مي‌اندازد و ممكن است به سيستم‌هاي اندازه‌گيري آسيب برساند. در تحقيق حاضر ابتدا با شبيه‌سازي عددي فرآيند روشن شدن موتور در داخل يك آزمايشگاه شبيه‌ساز ارتفاع، پديده جريان برگشتي در اين سيستم مورد مطالعه قرار گرفته است. در گام بعدي، با نصب مانع محدود كننده جريان برگشتي با ارتفاع مختلف در محل ورودي محفظه خلاء، تاثير آن در كاهش نرخ جريان برگشتي و عملكرد راه‌اندازي ديفيوزر مورد بررسي قرار گرفته است. در ادامه، راهكار مانع جريان برگشتي يكطرفه براي اولين بار در اين تحقيق ارائه شده و ميزان بهبود عملكرد راه‌اندازي ديفيوزر با راهكار مزبور مورد ارزيابي قرار گرفته است. بررسي‌هاي عددي حاضر نشان مي‌دهد كه استفاده از مانع جريان برگشتي عادي علي‌رغم تاثير قابل توجه آن در كاهش بيشينه فشار و دماي محفظه خلاء، كاهش چشم‌گيري در زمان راه‌اندازي ديفيوزر ايجاد نمي‌كند. حتي با حضور اين مانع حالت پاياي مطلوب در محفظه خلاء با تاخير ايجاد مي‌شود. در حاليكه بكارگيري مانع جريان برگشتي يكطرفه علاوه بر حفظ مزيت‌هاي روش عادي، كاهش قابل توجهي در زمان راه‌اندازي ديفيوزر و رسيدن به فشار مطلوب در محفظه خلاء ايجاد مي‌كند.

During transient phase of motor burning in an altitude test simulator, the low momentum exhaust combustion gases could not establish supersonic flow in the exhaust diffuser. This leads to a reverse flow of the exhaust gases into the vacuum chamber through the annular gap between nozzle and diffuser walls. This spoils the vacuum in the chamber and it is potentially dangerous for measurement instruments inside the vacuum chamber. In this research, at first, the physics of the flow at initial transient phase of motor burning is investigated numerically and the backflow phenomenon is illustrated. Then, the influences of backflow arrester (BFA) in variations of vacuum chamber pressure and temperature are studied at the transient starting phase. It has been found that applying BFA to decrease the backflow to the vacuum chamber has no significant effect on starting time of the diffuser but it has strong effect on peak pressure and temperature reduction of the vacuum chamber. Also, it is found that reaching steady condition in vacuum chamber is delayed with this instrument. However; using one-way backflow arrester of reasonable size, both the starting time of diffuser and the peak temperature of the vacuum chamber experience a strong reduction. Moreover, the vacuum chamber steady condition is accelerated with this alternative. Therefore, this device is more suitable than conventional BFA for transient starting phase of the altitude test simulators.