بررسی روش‌های محاسبه ضریب انتقال حرارت جابجایی در محفظه‌های احتراق و در نازل‌های همگرا-واگرا

نوع مقاله : علمی- ترویجی

نویسندگان

1 پژوهشگاه هوافضا وزارت علوم تحقیقات و فناوری

2 پیشرانش/پژوهشگاه هوافضا

چکیده

این مقاله شامل بررسی و مقایسه روش‌های محاسبه ضریب انتقال حرارت جابجایی در محفظه احتراق و در نازل همگرا-واگرا می‌باشد. به این منظور، ابتدا تاریخچه‌ای از روش‌های مختلف محاسبه ضریب انتقال حرارت جابجایی بیان شده و سپس جریان داخلی نازل به روش صریح مک-کورمک حل شده است. روش‌های بارتز، استانتون، پریکسورن و آدمی در بین روش‌های مطرح این حوزه انتخاب شده و با استفاده از CFD در نازل باتس (BATES) مقایسه شده است. در ادامه، در یک موتور سوخت جامد، با در نظر گرفتن پارامترهای جریان در محفظه موتور، ضریب انتقال حرارت جابجایی محاسبه و نشان داده شده که هر چه به سمت نازل حرکت شود، با افزایش سرعت، ضریب انتقال حرارت افزایش می‌یابد. این بررسی نشان می‌دهد که ماکزیمم ضریب انتقال حرارت جابجایی در روش‌های تحلیلی در گلوگاه نازل اتفاق می‌افتد، در حالیکه آنالیز CFD نشان می‌دهد که حداکثر ضریب انتقال حرارت در بالادست نازل است. اگرچه CFD از دقت بالاتری برای محاسبه ضریب انتقال حرارت، نسبت به روش‌های تحلیلی، برخوردار است، اما نیازمند زمان محاسباتی بسیار است. بنابراین، در طراحی اولیه می‌توان از روش‌های تحلیلی به علت زمان محاسبات سریع استفاده نمود، به ویژه در گلوگاه. در نهایت، با بررسی انجام شده، نشان داده شد که راهکار ابتکاری ترکیب روش‌های آدمی و بارتز کمترین خطا را نسبت به CFD دارد.

کلیدواژه‌ها


[1]   Darabi, H., Roshanian, J., and Zare, H., "Design of Liquid Propellant Engine, Using  Collaborative Optimization and Evolutionary Algorithms", The Institution of Mech. Engineers, Part G: J. Aerospace Eng., Spain, 2014.
[2]   Thakre, P., Chemical Erosion of Graphite and Refractory Metal Nozzles and Its Mitigation in Solid-Propellant Rocket Motors, Proquest, Umi Dissertation Publishing, Ann Arbor, Michigan, USA, 2008.
[3]   Bartz, D.R., "Turbulent Boundary-Layer Heat Transfer from Rapidly Accelerating Wow of Rocket Combustion Gases and of Heated Air", Jet Propulsion Lab., California, Tech. Rep. NASA-CR-62615, 1963.
[4]   Back, L.H., Massier, P.F., and Gier, H.L. "Convective Heat Transfer in a Convergent-Divergent Nozzle", Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol. 7, No. 5, pp. 549-568, 1964.
[5]   Swann, R.T. and Pittman, C.M., "Numerical Analysis of the Transient Response of Advanced Thermal Protection Systems for Atmospheric Entry", NASA-TN-D-1370, L-1359, 1964.
[6]   Chung, B.T.F., Chang, T.Y., Hsiao, J.S., and Chang, C.I., "Heat Transfer with Ablation in a Half Space Subjected to Time-Variant Heat Fluxes", J. Heat Transfer, Vol. 105, No. 1, pp. 200-203, 1983.
[7]   Torres, Y., Stefanini, L., and Suslov, D., "Influence of Curvature in Regenerative Cooling System of Rocket Engine", Propulsion Physics, Vol. 1, pp. 171-184, 2009.
[8]   Pizzarelli, M., Nasuti, F., and Onofri, M., "Trade-off Analysis of High-Aspect-Ratio-Cooling Channels for Rocket Engines", Int. J. Heat and Fluid Flow, Vol. 44, pp. 458-467, 2013.
[9]    Coetzee, N., "Heat Transfer Coefficients of Smooth Tubes in the Turbulent Flow Regime", Dissertation, University of Pretoria, South Africa, 2015.
[10]  Żyluk, A. and Pietraszek, M., "Investigation of an Additional Oxidizer Chage Effect on Elected Characteristics of a Solid-Fuel Rocket Engine", J. Theoretical and Appled Mech., Vol. 52, No. 1, pp. 139-149, 2014.
[11] Adami, A., Mortazavi, M., and Nosratollahi, M., "Heat Transfer Modeling of Bipropellant Thrusters for using in Multidisciplinary Design Optimization Algorithm", J. Fluid Flow, Heat and Mass Transfer, Vol. 2, pp. 40-46, 2015.
[12]  Moore, S.S., "Ballistics Modeling of Combustion Heat Loss Through Chambers and Nozzles of Solid Rocket Motors", Dissertation, California State University, USA, 2010.
[13]  Kays, W., Crawford, M. E., and Weigand, B., Convective Heat and Mass Transfer, 4th Ed., McGraw-Hill, New York, USA, 2005.
[14] Ahmad, R.A., "Convective Heat Transfer in the Reusable Solid Rocket Motor of the Space Transportation System", Heat Transfer Engineering, Vol. 26, No. 10, pp.30-45, 2005.
[15]  Huzel, D.K. and Huang, D.H., "Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines", Volume 147 of Progress in Astronautics and Aeronautics, AIAA, 1992.
[16]  Cross, P.G. and Boyd, I.D., "Two-dimensional Modeling of Ablation and Pyrolysis with Application to Rocket Nozzles.", The 46th AIAA Thermophysics Conf., p. 3383, 2016.
[17]  Faridani, M. M., "Mathematical Modeling of Transpiration Cooling in Cylindrical Domain", Dissertation, Eastern Mediterranean University (EMU)-Doğu Akdeniz Üniversitesi (DAÜ), Turkey, 2015.
[18]  Anderson, J. D., Computational Fluid Dynamics the Basic with Applications, McGraw-Hill, New York, USA, 1995.
[19]  Ruffin, A., "Numerical Investigation of Nozzle Thermochemical Behaviour in Hybrid Rocket Motors (M.Sc. Thesis)", University of Padova, Italy, 2015.
[20]  Razmjooei, M., Shahbazi, M., and Ommi, F.", Quasi-one-dimensional Modeling of Internal Ballistic in Solid Propellant Rocket, Considering Saderholm Erosive Burning Model", Iranian Scientific Association of Energetic Material, Vol. 13, No. 3, pp. 197-208, 2019.