پديد آورندگان :
اسفندياري، اسماعيل نويسنده , , مرادي غريبوند، مهران نويسنده , , قاسمي ، بوذرجمهر نويسنده ,
چكيده فارسي :
در گذشته تلاش هاي بسياري براي بهبود توربين هاي گازي صورت گرفته است كه هدف از آنها افزايش نيروي پيشرانه و همچنين خنك ماندن ديواره موتور بوده است. در اين راستا استفاده از موتورهاي سيكلوني و موتور ورتكسي پيشنهاد شده است. جريان چرخشي دو جهته Bidirectional Swirl، در موتور ورتكسي ايجاد مي شود و با توجه به افزايش راندمان موتور و خنك ماندن ديواره آن، در سالهاي اخير نظر محققين را به خود جلب كرده است. در موتور ورتكسي با توجه به هندسه خاص دو جريان ورتكس (Vortex) ايجاد مي شود كه در ورتكس داخلي احتراق صورت گرفته و ورتكس خارجي از انتقال حرارت به ديواره محافظت مي كند. موتور ورتكسي با سوخت و اكسيد كننده گازي در دانشگاه Virginia Institute of Technology در ابعاد آزمايشگاهي ساخته و تحت بررسي است. استفاده عملي موتور ورتكسي با سوخت مايع و گازي نيز حايز اهميت مي باشد. بررسي و تحليل ميدان جريان در چنين محفظه اي در پنج سال گذشته در مراكز تحقيقاتي مختلف صورت يافته است كه نتيجه قابل ذكر آن، حل تحليلي و عددي ميدان جريان با شرايط بسيار ساده كننده بوده است. انتخاب مواد مناسب، تعيين ابعاد موتور، طراحي صفحه انژكتور و ساير پارامترهاي ساخت موتور نيازمند مدل سازي ميدان جريان در محفظه احتراق مي باشد كه خود مستلزم حل معادلات حاكم است. براي بررسي ميدان جريان در محيط ورتكسي نياز به حل معادلات بقاي جرم، مومنتوم و انرژي مي باشد. در صورت آشفته بودن جريان، معادلات بسيار پيچيده شده و براي حل استفاده از فرضيات بسياري براي ساده سازي مسيله ضروري است. لازم به ذكر است كه با فرض جريان غيرقابل تراكم، معادله انرژي از ساير معادلات جدا خواهد شد. هدف از اين پروژه بررسي حل تحليلي انجام يافته و بهبود آن براي همخواني با ساير نتايج عددي و تجربي با شرايط مشابه، بررسي عددي معادلات حاكم با حداقل فرضيات و مقايسه نتايج عددي و تحليلي با يكديگر مي باشد. با توجه به غير خطي بودن معادلات و همچنين آشفته بودن جريان امكان حل تحليلي آن، با جزييات زياد، وجود ندارد. لذا با استفاده از نتايج حل عددي و در نظر گرفتن مدلهاي متداول، جريان مدل شده و نتايج ارايه خواهند شد. لازم به ذكر است كه در صورت استفاده از سوخت مايع، مدل سازي احتراق اسپري در محيطي با جريان دو فازي (گاز – مايع) نيز مورد نياز است كه در اين مورد نيز توضيحاتي داده خواهد شد. با استفاده از تحليل ميدان جريان، نتايج بررسي پيشرانشي و آيروديناميكي موتور در دسترس قرار مي گيرد كه براي تعيين پارامترهاي طراحي و ساخت بستر آزمون موتور ورتكسي ضروري مي باشند. در ادامه، با تعيين نيازهاي اساسي براي نصب دستگاه مناسب براي آزمايش موتور ورتكسي، به بررسي ساخت بستر آزمون موتور ورتكسي و تجهيزات جانبي آن خواهيم پرداخت. نتايج بدست آمده در اين پروژه شامل بررسي ميدان جريان، طراحي و ساخت بستر آزمون، گام اوليه در راستاي ساخت موتور ورتكسي با سوخت گازي و مايع و در ابعاد صنعتي محسوب مي شود كه با توجه به نوآوري و راندمان بالاي اين موتور از اهميت خاصي برخوردار خواهد بود.
چكيده لاتين :
For a long time, many efforts have been taken on improving gas turbine performance to increase the propulsive force and keep the chamber walls cool. In this regard, implementation of cyclonic and vortex engines have been proposed. According to increasing in the engine efficiency and keeping the chamber walls cool, the bidirectional vortex flow which is exited in the vortex engine, makes researchers more interested in it. In the vortex engine, due to its specific geometry, two vortex layers are established. The combustion occurs in the inner vortex layer, while the outer layer protects the walls from excessive heat transfer. The vortex engine with gas fuel and oxidizer has been manufactured in laboratory scale at Virginia Institute of Technology and it is under investigation. Practical usage of the vortex engine, with both liquid and solid fuels, has its own significance. Investigation and analysis of the flow field in such a chamber have been conducted in different research centers during last five years. The significant results of these studies are the analytical and numerical solution of the flow field by applying many simplifying assumptions. Selecting proper materials, determining the engine dimensions, designing injector plate, and some other parameters in engine manufacturing process require the flow field to be modeled in the combustion chamber which needs the governing equations to be solved. For investigating of the flow field in the vortex engine, the mass conservation, momentum conservation, and energy equations have to be solved. If the flow is turbulent, the equations become more complicated and many assumptions are needed to simplify the problem. Note that, by assuming the flow to be incompressible, the energy equation becomes segregated from the other equations. At the first stage, the goal of this project is to investigate the previous analytical solution and modify it to become compatible with other numerical and experimental results, provide numerical solution of the governing equations with the least possible assumptions, and compare the obtained numerical and analytical results with each other. Since the governing equations are non-linear and the flow is turbulent, it is impossible to solve the problem analytically in details. The flow will be simulated with respect to the result of numerical solution and applying the conventional methods and the results will be presented. It is to be noted that, if the fuel is liquid, modeling the spray combustion in a two-phase (gas-liquid) flow field is required, which will be described in this project as well. According to the flow field analysis, the propulsive and aero-dynamical results of the engine will be available, which are required to determine the designation parameters and manufacturing of the vortex engine test rig. Afterwards, by establishing the fundamental requirements for installing the appropriate test rig for the vortex engine, manufacturing of this test rig with its accessories will be described in details. The obtained results of this project, including the flow field investigation, test rig designation and implementation, are the first steps to achieve mass production of the vortex engine with both liquid and gas fuels which, according to its innovation and efficiency, has its own significance.
