بررسی عددی تاثیر مدل‌های احتراقی و آشفتگی در تخمین مشخصه‌های احتراقی پیشرانه غنی از سوخت- مطالعه موردی: سامانه رم‌جت

تنوع پدیده‌های فیزیکی چندگانه در محفظه احتراق نظیر سینتیک شیمیایی، انتقال حرارت (همرفت و تابش)، تعدد فاز‏، تجزیه حرارتی در غیاب اکسیژن (پیرولیز) مربوط به سوخت جامد با تجمع و انباشتگی ذرات و فیلم مایع از چالش‌های احتراق در سامانه‌های احتراقی هواتنفسی (رم‌جت)می‌باشند. درک فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی درگیر در احتراق برای پیش‌بینی فرایندهای فیزیکی حاکم بر جریان سیال، شروع احتراق، نرخ آزاد شدن حرارت، تشکیل شعله، نرخ پسروی سوخت و غلظت گونه‌های تولیدشده در طول احتراق موردنیاز است. به‌موجب الزام در حل هم‌زمان مدل‌های احتراقی و آشفتگی اعمال روش‌های عددی در تحلیل معادلات حاکم، زمینه‌ساز حصول برخی نتایج شامل پیش‌بینی تاثیر متغیرها، خصوصیات عملکردی و ویژگی‌های احتراقی و در نهایت دسترسی به بازده احتراق پیشرانه غنی از سوخت در سامانه‌های رم‌جتی است. در بررسی واکنش‌های شیمیایی محفظه احتراق، پیرولیز پلی‌بوتادین خاتمه ‌یافته با هیدروکسیل (htpb) مدنظر بوده و نهایتاً احتراق برای محصول پیرولیز بر پایه مدل و مکانیسم سینتیک‌های شیمیایی کاهش‌یافته ادامه می‌یابد. سپس به‌منظور تشخیص مدل‌های برتر در پیش‌بینی مناسب مشخصه‌های احتراق با به‌کارگیری هر دو مدل احتراقی نظیر اضمحلال گردابه‌ای و شیمی نرخ محدود، همراه با بررسی عددی مدل‌های آَشفتگی شاملk-ɛ استاندارد و k-ω sst برای محفظه احتراق، یک مقایسه تطبیقی میان نتایج شبیه‌سازی با داده‌های محیط محاسباتی تعادل شیمیایی ناسا (cea) انجام شد. نتایج نشان دادند که مدل نرخ محدود به دلیل نادیده گرفتن اثرات آشفتگی جریان و میزان اختلاط سوخت و هوا در محفظه احتراق، مشخصات احتراقی رمجت سوخت جامد را با خطای زیادی نسبت به مدل اتلاف گردابه‌ای پیش‌بینی می‌کند. با توجه به نتایج ترمودینامیکی و احتراقی، وضعیتk-ω /eddy dissipation مطابقت خوبی با نتایج cea داشت.

numerical investigation of the effect of combustion and turbulence models in estimating the combustion characteristics of a fuel-rich propellant -case study: ramjet

the variety of multiple physical phenomena in the combustion chamber like chemical kinetics, heat transfer (convection and radiation), multiple phases, and thermal decomposition in the absence of oxygen (pyrolysis) related to solid fuel with the accumulation of particles and the liquid film are combustion challenges in the air-breathing combustion systems (ramjet). understanding the physical and chemical processes involved in combustion is required to predict the physical procedures governing fluid flow, combustion initiation, regression rate, heat release rate, flame, and concentration of species generated during combustion. according to simultaneously solving the combustion and turbulence models, applying the numerical methods in analyzing the governing equations leads to some results, including the effect of variables, performance characteristics, combustion properties, and finally, access to fuel-rich propulsion combustion efficiency in solid fuel ramjet systems. the chemical reactions in the combustor, pyrolysis of hydroxyl-terminated polybutadiene (htpb), and the combustion of the pyrolysis products are investigated based on the reduced kinetic mechanisms. then, by eddy dissipation and finite-rate chemistry models accompanied by k-ε standard and k-ω-sst models in the modeling of solid fuel ramjet combustor, the simulation results are compared with cea data to identify the best models for accurate combustion prediction. the results showed that the finite-rate model predicts the combustion characteristics of the solid fuel ramjet with much error compared to the eddy dissipation model due to ignoring the effects of flow turbulence and the amount of fuel and air mixing in the combustion chamber. according to the thermodynamic and combustion results, the k-ω/eddy dissipation case was in good agreement with cea results..