احتراق ابرصوتی در اسکرم جت، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

توضیحات

شرح پروژه احتراق ابرصوتی در اسکرم جت

هدف از این مسأله، شبیه سازی عددی یک احتراق ابرصوتی (hypersonic combustion) در یک اسکرم جت (scramjet) همراه با گرمایش ویسکوز با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

هندسه مدل را به صورت دو بعدی با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (design Modeler) طراحی کردیم. هندسه شامل دو بخش است؛ بخش پایینی پیش‌گرم می‌شود و بخش بالایی به عنوان یک منطقه سوختن پایدار است.

سپس مش بندی را با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) انجام دادیم. مش بندی از نوع با سازمان (Structured) بوده و تعداد 16320 سلول ایجاد شده است.

با توجه به ماهیت مسأله حاضر که حل آن وابسته به زمان است، از حلگر گذرا (transient) استفاده کردیم.

روش‌های استفاده شده

اسکرم جت (Scramjet) نوعی از رم جت (ramjet) هست که می‌تواند با سرعت ابرصوتی صوت حرکت کند؛ در حالی که هیچ وسیله حرکتی در موتور آن وجود ندارد. فناوری اسکرم جت از توسعه رم جت شروع شده است.

رم جت ممکن است به سرعت فراصوتی (supersonic) دست پیدا نکند؛ در حالی که اسکرام جت با سرعت ابرصوتی (hypersonic) پرواز می‌کند. سرعت فراصوتی به معنای عدد ماخ (Mach) بیش از 1 است؛ در حالی که ابرصوتی نشان دهنده بیش از 5 است.

در این پروژه، احتراق ابرصوتی در موتور اسکرم جت شبیه سازی شده است. عدد ماخ هوای ورودی روی 6 تنظیم شده است و دمای کل دامنه محاسباتی برابر با 300 کلوین است.

در قسمت میانی نازل که عدد ماخ در آن به 1 می‌رسد، هیدروژن با عدد ماخ بیش از 1 به جریان تزریق می‌شود و درنتیجه، احتراق در نازل رخ می‌دهد.

مدل انتقال گونه‌ها (species transport) و گزینه حجمی (volumetric) برای مدل‌سازی فرآیند احتراق فعال هستند. هوا یک گاز ایده آل برای تغییر چگالی در حین احتراق در نظر گرفته می‌شود.

دقت مرتبه اول (first-order) برای پارامترها انتخاب می‌شود تا به یک همگرایی مناسب برسند و ضرایب وزنی (under-relaxination factor) در مقدار کمتری نسبت به مقدار پیش فرض در نرم افزار تنظیم می‌شوند. علاوه براین، مدل توربولانسی k-epsilon standard برای حل معادلات سیال آشفته استفاده می‌شود.

نتایج

در پایان فرآیند حل، کانتورهای (contour) دوبعدی و بردارهای (vector) فشار جریان، دما، سرعت، عدد ماخ، چگالی و شدت توربولانسی به دست می‌آیند.

درابتدا جریان هوا از طریق صفحه ورودی وارد دامنه محاسباتی می‌شود و به سمت قسمت احتراق حرکت می‌کند؛ درحالی که سرعت به عدد ماخ معادل یک کاهش می‌یابد. سپس با سرعت بالاتری به سمت خروجی می‌رود.

در اثر احتراق، مقدار دما از 4000 کلوین می‌گذرد. همچنین، اثر گرمایش ویسکوز (viscous heating) در سلول‌های نزدیک دیواره قابل مشاهده است.