اثرات ضریب تصحیح دمش بر ضریب انتقال حرارت جابه جایی در مدل سازی عایق های حرارتی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 پیشرانش/پژوهشگاه هوافضا

2 پژوهشگاه هوافضا وزارت علوم تحقیقات و فناوری

چکیده

در این مقاله، به بررسی انتقال حرارت و فناشوندگی عایق­های حرارتی مورد استفاده در موتور و نازل پرداخته شده است. معادلات انتقال حرارت و جرم در دو بعد در یک نازل همگرا-واگرا در نظر گرفته شده است. برای حل این معادلات از روش حجم محدود و از روش ضمنی برای وابستگی زمانی استفاده شده است. معادلة تجزیه که به فرم آرنیوس نوشته شده با استفاده از روش رانگ-کوتا حل شده و چگالی و شار جرمی گاز تولیدی در هر گام زمانی بدست آمده است. همچنین، مدلی برای لحاظ نرخ پسروی ارائه شده است. اعتبار­سنجی مدل با نتایج تجربی رایز در عایق سیلیکافنولیک مقایسه شده و نشان از انطباق خوب نتایج حاصل از شبیه‌سازی با مشاهدات تجربی می­باشد. پس از صحه­گذاری نتایج بدست آمده به بررسی تأثیر ضریب تصحیح دمش پرداخته شده و نتایج نشان‌دهندة حائز اهمیت بودن این ضریب برای طراحی دقیق عایق‌های فناشونده است. ضریب تصحیح دمش باعث کاهش ضریب انتقال حرارت جابه­جایی، کاهش پسروی سطح و در نتیجه کاهش دمای پشت عایق می­شود. بنابراین، در مواردی که ضخامت عایق قابل توجه یا گرمای فناشوندگی عایق پایین باشد، این پارامتر می­تواند حائز اهمیت بوده و نتایج نهایی و در نتیجه طراحی نهایی را تحت تأثیر قرار دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Cross, P.G. and Boyd, I.D., "Reduced Reaction Mechanism for Rocket Nozzle Ablation Simulations", 47th AIAA Thermophysics Conference, Denver, Colorado, USA, 2017.
 [2] Hui, W., Bao, F., Wei, X., and Liu. Y., "ABlation Performance of a 4D-braided C/C Composite in a Parameter-variable Channel of a Laval Nozzle in a Solid Rocket Motor", New Carbon Materials, Vol. 32, No. 4, pp. 365-373, 2017.
[3] Swann, R.T. and Pittman, C.M., "Numerical Analysis of the Transient Response of Advanced Thermal Protection Systems for Atmospheric Entry", National Aeronautics and Space Administration (NASA), NASA-TN-D-1370, 1962.
[4] Chung, B.T.F. and Hsiao, J.S. "Heat Transfer With Ablation in a Half Space Subjected to Time-variant Heat Fluxes", Journal of heat transfer, Vol. 105, No. 1, pp. 200-203, 1983.
[5] Blackwell, B., "Numerical Prediction of One-Dimensional Ablation Using a Finite Control Volume Procedure with Exponential Differencing", Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, Vol. 14, No. 1, pp. 17-34, 1988.
[6] Ren, F., Sun, H., and Deng, G., "A Theoretical Calculation Method of Local Ablation in Region of Shock-boundary Layer Interaction", 6th Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Colorado Springs, CO, USA, 1994.
[7] Zien, T.-F. and Wei, C.-Y., "Heat Transfer in the Melt Layer of a Simple Ablation Model", Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 13, No. 4, pp. 450-459, 1999.
[8] Braga, W.F., Mantelli, M.B., and Azevedo, J.L.F., "Approximate Analytical Solution for Onedimensional Ablation Problem with Time-Variable Heat Flux", 36th AIAA Thermophys Conference, Orlando, Florida, USA, 2003.
[9] Kuo, K.K. and Keswani, S.T., "A Comprehensive Theoretical Model for Carbon-Carbon Composite Nozzle Recession", Combustion Science and Technology, Vol. 42, No. 3-4, pp. 145-164, 1985.
[10] Thakre, P. and Yang, V., "Chemical Erosion of CarbonCarbon/Graphite Nozzles in Solid-Propellant Rocket Motors", Journal of Propulsion and Power, Vol. 24, No. 4, pp. 822-833, 2008.
[11] Bianchi, D., Nasuti, F., and Martelli, E., "Coupled Analysis of Flow and Surface Ablation in Carbon-Carbon Rocket Nozzles", Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 46, No. 3, pp. 492-500, 2009.
[12] Bianchi, D. and Nasuti, F., "Analysis of Carbon-Carbon Nozzle Erosion with Shape-Change Effects in Full-Scale Solid-Rocket Motors", Journal of Propulsion and Power, Vol. 28, No. 4, pp. 820-830, 2012.
[13] Riise, J.A.K., Computer Code for Thermal Analysis of Rocket Motors, LAMBERT Academic Publishing (LAP), Chisinau, Republic of Moldova, 2008.
[14] Mohammadiun, H. and Mohammadiun, M., "Numerical Modeling of Charring Material Ablation with Considering Chemical-Reaction Effects, Mass Transfer and Surface Heat Transfer", Arabian Journal for Science and Engineering, Vol. 38, No. 9, pp. 2533-2543, 2013.
[15] Ghaderi Dehkordi, Y., "Investigation of the Effect of Reinforcement on Thermo-Physical Properties of Ablative Heat Shields", Journal of Space Science & Thechnology, Vol. 3, No. 2, pp. 2533-2543, 2010 (In Persian).
[16] Mohan Kumar, L., Usha, K.M., Anandapadmanabhan, E.N., and Chakravarthy, P., "Development of a Novel Ablative Composite Tape Layup Technology for Solid Rocket Motor Nozzle and Liquid Engine Liners", Materials Science Forum, Vol. 830, pp. 417-420, 2015.
[17] Hauser, J. and Xia, Y., "Modern Introduction to Grid Generation", COSMASE Shortcourse Notesk EPF Lausanne, Salzgitter, Deutschland,1996.
[18] Cross, P.G., and Boyd, I.D., "Two-Dimensional Modeling of Ablation and Pyrolysis with Application to Rocket Nozzles", Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 54, No. 1, pp. 212-224, 2016.
[19] Kato, S., Okuyama, K., Gibo, K., Miyagi, T., Suzuki, T., Fujita, K., Sakai, T., Nishio, S., and Watanabe, A., "Thermal Response Simulation of Ultra Light Weight Phenolic Carbon Ablator by the Use of the Ablation Analysis Code", Transactions of The Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Space Technology Japan, No. 10, pp. 31-39, 2012.
[20] Kulhanek, S.L., "Design, Analysis, and Simulation of Rocket Propulsion System", PhD Dissertaion, University of Kansas, Kansas, USA, 2012.
[21] Anderson, J.D., Computational Fluid Dynamics the Basic with Applications, McGraw-Hill, New York, USA, 1995.
[22] Kargar, A., "Numerical Analysis of Supersonic-Subsonic Flow in the Convergent-Divergent Nozzle Along with the Shock and Comparison with Analytical Results", Department of Mechanical Engineering, Quchan Branch, Islamic Azad University, Quchan, Iran, 2013.
[23] Ewing, M.E., Laker, T.S., Walker, D.T., "Numerical Modeling of Ablation Heat Transfer", Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 27, No. 4, pp. 615-32, 2013.