بررسي عددي/تجربي حضور برآمدگي نامتعارف در يك نازل همگرا-واگرا در رژيم مافوق صوت براي كنترل بردار پيشرانش

Numerical/Experimental Investigation of the Presence of a Protuberance in a Convergent – Divergent Nozzle in Supersonic Regime to Control the Thrust Vector

در اين پژوهش اثر يك برآمدگي استوانه‌اي شكل بر بردار پيشرانش يك جت مافوق صوت به عنوان يك روش جديد در كنترل بردار پيشران مورد بررسي قرار گرفت. براي اين منظور يك نازل همگرا-واگرا طراحي و ساخته شد. اين نازل به صورتي است كه عدد ماخ اسمي خروجي آن در شرايط انبساط كامل 2 مي‌باشد. ديواره اين نازل براي اندازه‌گيري تغييرات فشار مجهز به سوراخ‌هاي فشار شده است. همچنين، در ديواره نازل مجرايي براي اعمال يك برآمدگي در درون نازل ايجاد شده است. از سنسورهاي فشار براي اندازه‌گيري فشار و همچنين، از سيستم شلرين براي بررسي ميدان جريان خروجي از نازل بهره برده شده است. فشار كل محفظه آرامش در تمام آزمايش‌ها ثابت بوده و نسبت فشار نارل برابر 6/6 مي‌باشد. از كد عددي سه بعدي و چند بلوكي براي مدل‌سازي جريان استفاده شده است. همچنين، از مدل آشفتگي كا اپسيلون آر ان جي براي مدلسازي جريان درون نازل استفاده شده است. از يك شبكه بي سازمان براي شبكه بندي درون نازل و محيط بيرون استفاده شده است. نتايج حاصل از اين تحقيق نشان مي‌دهد كه عمق نفوذ برآمدگي در ميدان جريان تأثير چشمگيري بر ميزان انحراف و حتي جهت انحراف جريان جت خارج شده از نازل همگرا-واگرا دارد. بيشترين ميزان انحراف جريان جت خروجي از نازل برابر با 9/8 درجه بوده كه در ميزان نفوذ برآمدگي برابر با اتفاق افتاده است. بعلاوه، اين نتايج نشان مي‌دهد كه با افزايش ميزان نفوذ برآمدگي در درون نازل، ميزان پيشرانش محوري نازل اندكي كاهش يافته است.

In this study, the effect of protuberance on the thrust vector of a supersonic jet was investigated as a new method in thrust vector control. For this purpose, a convergent-divergent nozzle was designed and fabricated. This nozzle is such that the nominal Mach number in the nozzle exit in full expansion condition is 2. The wall of the nozzle is equipped with pressure holes to measure pressure variations. Also, there is a hole on the nozzle wall to apply a protuberance inside the nozzle. Pressure sensors for pressure measurement and also the Schlieren system are used to check the outlet flow field. The total pressure in all experiments is constant and equal to NPR=6.6. Three-dimensional and multi-block numerical code is used for flow modeling. Also, the turbulence model k-ε, RNG is used to model the nozzle flow. An unstructured mesh has been used for modeling the flow field within the nozzle and the outside domain. The results of this study show that the depth of penetration of the protuberance in the flow field has a significant effect on the amount of deviation and even the direction of the jet stream exited from the convergent-divergent nozzle. The maximum deviation of the jet outlet from the nozzle is 9.8 degrees, which is equal to a penetration ratio of 0.4. In addition, these results indicate that with the increase in protuberance penetration within the nozzle, the nozzle axial thrust has slightly decreased.