بررسی جریان پیشران در نازل همگرا واگرا با شرایط خروجی جو به وسیله شبیه‌سازی عددی و صحه‌گذاری نتایج با آزمون تجربی

جریان برگشتی پدیده‌ای است که به علت افزایش فشار بالادست جریان نسبت به فشار پایین دست ایجاد می‌شود. در نازل‌های همگرا واگرا با افزایش فشار در خروجی نسبت به فشار طراحی، پدیده جریان برگشتی در قسمت واگرا مشاهده می‌شود که باعث کاهش سرعت خروجی و نیروی رانش می‌شود. در این مقاله ابتدا یک نازل همگرا واگرا با ابعاد مناسب فشار خلاء انتخاب شد و جریان پیشران که در این پژوهش بوتان در نظر گرفته شده است، برای فشارهای خروجی برابر با فشار خلاء و فشار جو با روش حجم محدود شبیه‌سازی شد. مشاهدات حاکی از آن است که در شرایط فشار جو، جریان برگشتی در نازل به وجود می‌آید. به منظور تعیین نسبت انبساط‌ سطح مناسب برای نازل به منظور کارکرد در شرایط فشار جو، جریان در داخل نازل برای نسبت انبساط‌ سطح‌های مختلف شبیه‌سازی شد و سرعت محوری میانگین در خروجی این نازل‌ها به دست آمد. با توجه به نتایج حاصل، مناسب‌ترین نسبت انبساط‌ سطح دارای بیشترین سرعت محوری میانگین است. همچنین، به منظور صحه‌گذاری نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی عددی، چهار نازل با نسبت‌های انبساط‌ سطح متفاوت ساخته شد و نیروی رانش به دست آمده از آزمون تجربی آنها بر روی استند اندازه‌گیری با نتایج معادل حاصل از شبیه‌سازی مقایسه شدند

investigating propellant flow in the converging diverging nozzle with atmospheric outlet conditions by means of numerical simulation and validating the results with experimental tests

backflow is a phenomenon that occurs due to the increase of upstream pressure compared to downstream pressure. in converging diverging nozzles, by increasing the outlet pressure compared to the design pressure, the phenomenon of backflow is observed in the divergent part, which causes a decrease in the output velocity and thrust. in this paper, a converging diverging nozzle with suitable expansion ratio for vacuum condition is selected and the propellant flow, which is considered as butane in this research, is simulated by finite volume method for output pressure equal to vacuum pressure and atmospheric pressure conditions. it has seen that in the atmospheric pressure, backflow occurs in the nozzle in order to determine the appropriate expansion ratio for the nozzle operating in atmospheric pressure, the flow inside the nozzle is simulated for the different expansion ratios and the average outlet axial velocity at the output of theses nozzles is obtained. according to the results, the most suitable expansion ratio of the surface has the highest average axial velocity. also, to verify the obtained results from finite element simulation, four nozzles with different surface expansion ratios were manufactured and the thrust force obtained from experimental test on the measuring stand with equivalent results obtained from the simulations were compared