بررسي عددي اثرات هندسه تخلخل در طراحي بستر تجزيه پيشران هاي تك سوخت

Numerical Investigation of Pore-Structure in Design of Catalytic Beds for Mono-Propellant Thrusters

ايده طراحي هندسي بستر متخلخل كاتاليستي براي محفظه تجزيه سوخت در پيشران هاي تك سوخت با به كارگيري شبيه سازي عددي جريان توربولنت در مقياس حفره در اين مقاله ارائه شده است. روش عددي شبيه سازي گردابه هاي بزرگ (ال. اي. اس.) به منظور شبيه سازي ساختارهاي جريان توربولنت در ميدان جريان به كار رفته است. كارآيي و قابليت اطمينان نتايج به دست آمده از روش شبيه سازي عددي با حل يك مساله نمونه مشخص شده است. نتايج در مقايسه با داده هاي تجربي همخواني بسيار مناسبي را نشان مي دهند كه بيانگر صحت روند حل عددي و مدل هاي استفاده شده است. ويژگي هاي جريان توربولنت در دو هندسه مختلف با روش عددي بررسي شده است. نتايج با هدف سنجش اثربخشي تغييرات هندسي بر پارامترهاي مرتبط با واكنش كاتاليستي ارائه و تحليل شده است. تمام شبيه سازي ها بدون در نظر گرفتن واكنش شيميايي و به شكل جريان سرد انجام گرفته است و ميزان دقيق اثربخشي بهبود هندسه بر ويژگي هاي جريان واكنشي در قالب مقادير عددي ارائه نشده است. با توجه به شناخته شده بودن اثرگذاري اتلاف و مقياس هاي طولي بر نرخ واكنش و اختلاط، اين كميت ها به عنوان پارامترهاي اصلي مورد بررسي قرار گرفته است. تفاوت مقياس هاي طولي و نرخ اتلاف در جريان هاي بررسي شده در دو هندسه مختلف به طور آشكار نشان گر اثربخشي تغييرات هندسي بستر متخلخل بر ويژگي هاي جريان است. علاوه بر ايجاد ساختارهاي منظم و قابل كنترل در هندسه ارائه شده، تنش برشي روي ديواره به طور چشمگيري كاهش مي يابد كه باعث افزايش عمر لايه كاتاليستي روي سطح بستر متخلخل خواهد شد.

The idea of designing new geometries for catalytic bed in the decomposition chamber of monopropellant thrusters is introduced with numerical simulations of pore-scale turbulent flows. The LES numerical technique is used for simulation of turbulent structures in the flowfield. The efficiency and reliability of the results obtained from numerical simulation have been determined by solving a benchmark problem of turbulent flow over the pack of cubes. The results show very good agreement with the experimental data, indicating the accuracy of the used model and numerical solution process. The characteristics of turbulent flow over two different geometries have been investigated using the numerical method. The results have been analyzed to evaluate the effectiveness of geometrical changes on the parameters associated with the catalytic reaction. All simulations have been conducted for cold flow, and the exact effects of the geometrical design of porous bed on reactive flow have not been quantified. The eddy dissipation and length scales of turbulence have been considered as the main parameters, because of their effect on rates of turbulent mixing and rate of reaction. The difference between the turbulent dissipation and length scales in the investigated flows in two different geometries indicates the effectiveness of the geometrical changes of the porous bed on the flow characteristics. Coherent structures are seen in the new geometry and the wall shear stress is reduced significantly, which increases the life of the catalytic coating.