بررسی عددی اثرات هندسه تخلخل در طراحی بستر تجزیه پیشران‌های تک‌سوخت

ایده طراحی هندسی بستر متخلخل کاتالیستی برای محفظه تجزیه سوخت در پیشران‌های تک‌سوخت با به کارگیری شبیه‌سازی عددی جریان توربولنت در مقیاس حفره در این مقاله ارائه شده است. روش عددی شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ (ال. ای. اس.) به منظور شبیه‌سازی ساختارهای جریان توربولنت در میدان جریان به کار رفته است. کارآیی و قابلیت اطمینان نتایج به دست آمده از روش شبیه‌سازی عددی با حل یک مساله نمونه مشخص شده است. نتایج در مقایسه با داده‌های تجربی همخوانی بسیار مناسبی را نشان می‌دهند که بیانگر صحت روند حل عددی و مدل‌های استفاده شده است. ویژگی‌های جریان توربولنت در دو هندسه مختلف با روش عددی بررسی شده است. نتایج با هدف سنجش اثربخشی تغییرات هندسی بر پارامترهای مرتبط با واکنش کاتالیستی ارائه و تحلیل شده است. تمام شبیه‌سازی‌ها بدون در نظر گرفتن واکنش شیمیایی و به شکل جریان سرد انجام گرفته است و میزان دقیق اثربخشی بهبود هندسه بر ویژگی‌های جریان واکنشی در قالب مقادیر عددی ارائه نشده است. با توجه به شناخته شده بودن اثرگذاری اتلاف و مقیاس‌های طولی بر نرخ واکنش و اختلاط، این کمیت‌ها به عنوان پارامترهای اصلی مورد بررسی قرار گرفته است. تفاوت مقیاس‌های طولی و نرخ اتلاف در جریان‌های بررسی شده در دو هندسه مختلف به طور آشکار نشان‌گر اثربخشی تغییرات هندسی بستر متخلخل بر ویژگی‌های جریان است. علاوه بر ایجاد ساختارهای منظم و قابل کنترل در هندسه ارائه شده، تنش برشی روی دیواره به طور چشمگیری کاهش می‌یابد که باعث افزایش عمر لایه کاتالیستی روی سطح بستر متخلخل خواهد شد.

Numerical Investigation of Pore-Structure in Design of Catalytic Beds for Mono-Propellant Thrusters

The idea of designing new geometries for catalytic bed in the decomposition chamber of monopropellant thrusters is introduced with numerical simulations of porescale turbulent flows. The LES numerical technique is used for simulation of turbulent structures in the flowfield. The efficiency and reliability of the results obtained from numerical simulation have been determined by solving a benchmark problem of turbulent flow over the pack of cubes. The results show very good agreement with the experimental data, indicating the accuracy of the used model and numerical solution process. The characteristics of turbulent flow over two different geometries have been investigated using the numerical method. The results have been analyzed to evaluate the effectiveness of geometrical changes on the parameters associated with the catalytic reaction. All simulations have been conducted for cold flow, and the exact effects of the geometrical design of porous bed on reactive flow have not been quantified. The eddy dissipation and length scales of turbulence have been considered as the main parameters, because of their effect on rates of turbulent mixing and rate of reaction. The difference between the turbulent dissipation and length scales in the investigated flows in two different geometries indicates the effectiveness of the geometrical changes of the porous bed on the flow characteristics. Coherent structures are seen in the new geometry and the wall shear stress is reduced significantly, which increases the life of the catalytic coating.