اثر هندسه‌ي نازل‌ بر عملكرد آن در حالت خارج از طرح در جريان داراي شوك و جدايش لايه مرزي

Effect of the nozzle shape on its off-design performance in the presence of shock wave and boundary layer separation

در اين مقاله، جريان تراكم‌پذير در هندسه هاي مختلف در نازل همگرا واگرا در شرايط خارج از طرح داراي شوك و جدايش لايه مرزي بررسي شده است. نسبت مساحت سطح خروجي به گلوگاه و فشار كل محفظه احتراق ثابت، ولي نوع هندسه نازل متغير است. معادلات ناويراستوكس براي جريان تراكم‌پذير با روش حجم محدود حل شده است. با مقايسه نتايج با داده‌هاي تجربي موجود، مدل آشفتگي اسپالارت- آلماراس انتخاب شده است. جريان لزج بصورت متقارن محوري وغيرپايا در نظر گرفته شده است. پس از طراحي نازل به روش مشخصه‌ها، جريان در نازل‌هاي مختلف شبيه‌سازي شده است و پارامترهايي نظير عدد ماخ، تنش برشي ديواره، راندمان پيشران، فشار ديواره‌ي نازل، جدايش جريان و موج شوك تحليل بررسي گرديده است. نتايج به دست آمده براي چهار نوع نازل مسير- بهينه، مخروطي 15 درجه، مخروطي 30 درجه و نازل طول كوتاه، نشان مي دهد كه در شرايط طراحي، نازل مسير- بهينه با توليد نيروي پيشران معادل 7889 نيوتن مناسب‌ترين نوع نازل است، اما در شرايط خارج از طرح، نازل مخروطي با 9700 نيوتن، نيروي پيشران بيشتري نسبت به ساير نازل‌ها توليد مي‌كند.

In this paper, compressible flows inside converging-diverging nozzles with different shapes at off-design conditions are investigated. Shock waves and boundary layer separation are present in the flows. The area ratio (outlet to the throat) and the total combustion chamber pressure are constant while the nozzle shape and its length are variable. Compressible Reynolds averaged Navier Stokes equations were solved using the finite volume method. By comparing the results with available experimental data, the Spalaret-Almars model has been selected for simulations. Axisymmetric, unsteady and viscous flow is considered in all simulations. The characteristics method is used to design the nozzle shape and important parameters such as Mach number, wall shear stress, Thrust efficiency, wall pressure, axial pressure and boundary layer separation due to shock wave are studied in detail. By comparing the results for four shapes of the nozzles (i.e. perfect nozzles, 15° conical nozzle, 30° conical nozzle, and minimum length nozzle) it is concluded that at design condition, perfect nozzle gives higher thrust (7889 N). However, at off-design conditions (when the shock wave and boundary layer separation occurs), the conical nozzle gives higher thrust (9700 N).