بررسي عددي ساختار موج ضربه اي متحرك در كانال حلقوي

Numerical Simulation of Shock Waves Structure in an Annular Channel

موتور هاي دتونيشن چرخشي RDEs به دليل استفاده از موج احتراقي توام با افزايش فشار، داراي پتانسيل براي دستيابي به بازده بيشتر نسبت به موتورهاي معمولي مي باشد . در اين پژوهش، ساختار موج ضربه‌اي ناشي از احتراق، درون¬محفظه‌اي با هندسه حلقوي به قطر 76 ميلي‌متر و طول 101 ميلي‌متر، مورد بررسي گرفته است. انتظار مي‌رود در آينده موتورهاي دتونيشني در دسته پيشرانه‌هاي هوافضايي قرار گيرند. انواع مختلفي از موتورهاي دتونيشني در حال حاضر تحت بررسي هستند، از جمله موتور دتونيشن چرخشي، كه در اين پژوهش طراحي يك نمونه آزمايشگاهي آن امكان‌سنجي شد. روش عددي استفاده شده توسط نرم افزار فلوئنت، با حل ميدان جريان يك هندسه مشابه و مقايسه با نتايج تجربي، صحت‌سنجي شده است. با توجه به تغييرات ناچيز پارامترهاي ترموديناميكي در راستاي شعاعي ميدان جريان محفظه و كاهش هزينه‌هاي محاسباتي، از مدل دوبعدي هندسه طراحي شده، جهت شبيه‌سازي عددي استفاده شده ‌است. پس از شناخت و تحليل ساختار موج دتونيشن چرخشي، به مطالعه پارامتريك از نظر هندسي پرداخته شد. با توجه به نتايج به دست آمده، وقتي يك موج ضربه‌اي دتونيشن به داخل يك مخلوط واكنش‌دهنده محصور با گاز بي‌اثر (محصولات سيكل قبلي)، منتشر مي‌شود، يك موج ضربه‌اي مايل در بالاي موج دتونيشن جهت هماهنگ كردن فشار پشت جبهه دتونيشن و منطقه گاز بي‌اثر، تشكيل مي‌شود و ساختار دتونيشن- موج ضربه‌اي را ايجاد مي‌كند. در ادامه به بررسي اثر تغييرات نسبت هم‌ارزي و طول محفظه پرداخته شد. مشاهده شد كه سرعت، فشار و دماي موج دتونيشن در حالت استوكيومتريك بيشينه مي‌باشد. همچنين، افزايش طول محفظه، در فشار تزريق پايين، موجب افزايش ارتفاع جبهه دتونيشن و در فشار تزريق بالا، موجب كاهش ارتفاع جبهه دتونيشن مي‌شود.

In this work, the feasibility study for design of a laboratory sample RDE which has an annular geometry with diameter of 76 mm and length of 101 mm has been performed. Detonation engines are expected to be used as propulsion system in aerospace applications in the future. Several types of detonation engines are currently under examination, including the rotating detonation engine (RDE). First, numerical studies are validated comparing the FLUENT results with the experimental ones. Then, the geometry and equivalence ratio of injection mixture are investigated parametrically. Considering the negligible variations of thermodynamics parameters in the radial direction of flow field to reduce the computational costs, also a 2D model is used for numerical simulations. Results show for the case with the equivalence ratio of 1.2, detonation speed, pressure, and temperature behind detonation front is more than the equivalence ratio of 0.8. Also, maximum detonation speed and pressure behind detonation take place in stoichiometric conditions. The parametric study of the chamber length effects was also conducted using a length 0.5 and 2 times of the main chamber. Because the chamber outflow is subsonic at some regions, chamber length change has a significant effect on the engine performance and flow field. The results point out that increasing the chamber length in low injection pressure and high injection pressure leads to increasing and decreasing the height of detonation front, respectively.