مطالعه عددی دینامیک فرایند اختلاط فرابحرانی در انژکتورهای پیچشی هم محور

یک پژوهش عددی، به منظور ارزیابی مشخصه های پاشش و اختلاط کرایوژنیکی یک انژکتور پیچشی هم محور، در شرایط فشاری فرابحرانی انجام شده است. بدین منظور از یک روش ترکیبی موسوم به شبیه سازی تطبیق مقیاسی (جهت مدل سازی عبارات آشفته)، معادله حالت سواو-ردلیک-وانگ (برای محاسبه خواص ترمودینامیکی)، پایگاه داده nist (برای تخمین خواص انتقالی سیال کرایوژنیکی) و الگوریتم piso (برای کوپلینگ سرعت-فشار) در حلگر جریان استفاده شده است. پژوهش حاضر که با درنظر گرفتن توامان پیچیدگی‌های هندسی انژکتور و رفتار کاملا غیرخطی ترمودینامیکی سیال از بسیاری از مطالعات پیشین متمایز است، دینامیک فرایند اختلاط فرابحرانی جت‌های پیچشی هم‌محور را با تحلیل کمی عبارات مولد ورتیسیته مشخصه‌بندی کرده است. نتایج حاکی از آن است که تنها عامل مولد ورتیسیته در محفظه چرخش انژکتور عبارت کج‌شدگی/ کشیدگی ورتیسیته است که اندازه آن در این ناحیه به صورت متوسط از مرتبه 106 است. در انتهای نازل انژکتور نیز اندازه دو عبارت گشتاور باروکلینیک و اتساع حجمی به مرتبه 108 می رسد که یک مرتبه بزرگتر از اندازه عبارت کج شدگی/کشیدگی ورتیسیته در مقطع محوری مفروض است؛ بدین ترتیب در انتهای نازل مکانیزم اختلاط توسط دو عبارت گشتاورباروکلینیک و اتساع حجمی کنترل می شود. مشاهدات عددی حاکی از آن است که اثرات گردابه های بازچرخشی تولید شده در مقابل دهانه خروجی انژکتور قابل توجه بوده و موجب تحریک و افزایش ده برابری سهم کشیدگی/ کج شدگی گردابه در تولید ورتیسیته نسبت به ناحیه انتهایی نازل انژکتور می‌شود. این مهم به همراه ناپایداری های هیدرودینامیکی کلوین-هلمهولتز نقش مهمی در اختلاط بهینه سوخت و اکسنده در مقابل دهانه انژکتور دارند.

numerical investigation of supercritical mixing dynamics of the coaxial swirl injectors

a numerical study has been conducted to identify the cryogenic injection and mixing characteristics of a coaxial swirl injector under supercritical pressure. an improved formulation of the reynolds-averaged navier-stokes turbulence models (to close the governing equations), soave-redlich-kwong equation of state (to estimate thermodynamic properties), nist database (to estimate transport properties) and piso algorithm (for velocity-pressure coupling) are employed in the flow solver. the present study –distinguished from many other studies by considering real injectors’ geometrical complexities and propellants’ thermodynamic nonlinearities–characterizes supercritical mixing dynamics of the coaxial swirl jets through vorticity budget analysis. results highlight the tilting/stretching term as the only mechanism of vorticity generation within the injector vortex chamber. at the injector nozzle, the baroclinic torque and volume dilatation terms control the mixing dynamics, too. numerical observations indicate that the effects of recirculating bubbles (in front of the injector exit plane) are significant and improve the contribution of vortex stretching/tilting in terms of vorticity generation. in addition, the kelvin-helmholtz hydrodynamic instabilities also play an important role in the mixing process in the injector nearfield.