بررسی عددی نوسان جریان ‌مافوق‌صوت در دیفیوزر و محفظه تست شبیه‌ساز تست ارتفاع بالا

پژوهش حاضر به منظور شبیه‌سازی عددی و پدیده‌شناسی نوسانات جریان مافوق‌صوت در یک شبیه‌ساز ارتفاع بالای مجهز به دیفیوزر با نسبت سطح ورودی دیفیوزر به خروجی نازل برابر 1.91 انجام شده‌است. شبیه‌سازی عددی در دو حالت پایا و ناپایا انجام شده‌است. اعتبارسنجی حل عددی به کمک داده‌های تست تجربی گاز سرد شبیه‌ساز ارتفاع بالای موجود در پژوهشکده سامانه‌های حمل و نقل فضایی انجام شده‌است. بررسی‌ها حاکی از آن است که دو نوع استارت پایدار و ناپایدار در سامانه رخ می‌دهد. در استارت پایدار، که در فشارموتورهای بالا رخ می‌دهد، جریان در بخش زیادی از طول دیفیوزر مافوق‌صوت است. حال آنکه در استارت ناپایدار، جریان در اکثر طول دیفیوزر مافوق‌صوت نیست و ضخامت لایه مرزی در ناحیه مافوق‌صوت به طور قابل توجهی زیاد است. همین امر سبب انتقال اغتشاشات پایین‌دست دیفیوزر به بالادست می‌شود. اغتشاشات مزبور غالباً ناشی از ساختارهای ناپایدار جدایش جریان آشفته در ‌پایین‌دست دیفیوزر است. اثر اغتشاشات انتقالی، نوسان نواحی جدایش رخ داده در دیفیوزر است که باعث نوسان ساختار‌ قطار شوک در داخل دیفیوزر‌ می‌شود. تغییر ساختار شوک‌ها و همچنین ناپایداری‌های ایجاد شده در قطار شوک‌ها و حرکت آن‌ها به سمت بالادست جریان، باعث ایجاد ناحیه جدایش جریان در ورودی محفظه ‌‌خلا می‌شود و مکش جرمی به داخل محفظه رخ می‌دهد که نتیجه آن خارج شدن دیفیوزر از شرایط کاری راه‌اندازی است. با گذر زمان و افزایش فشار محفظه خلاء، مومنتوم جریان خروجی از نازل دوباره غالب شده و حالت شبه استارت را در دیفیوزر ایجاد می‌کند و این حلقه تکرار به طور متناوب ادامه پیدا می‌کند.

numerical investigation of flow oscillation in the diffuser and test chamber of a high altitude test simulator

the present research has been conducted to numerical simulation and phenomenology of the pressure fluctuations and instability of the diffuser with the area ratio of the diffuser inlet to the nozzle outlet of 1.91. the numerical simulation has been done with both steady and unsteady methods for the nozzle with an expansion ratio of 30. validation of the numerical solution has been done with the help of the experimental test data of the high-altitude test simulator available in the space transportation research institute. investigations indicate that two types of start occur in the system, stable and unstable start. in the stable start process, which occurs in high motor pressure tests, the flow is supersonic over much of the length of the diffuser. on the contrary and in the unstable start, the flow detection and study shows that the flow is not supersonic in most of the length of the diffuser and the thickness of the boundary layer in the supersonic region is very thick. this causes the downstream disturbances of the diffuser to be transferred to the upstream. these disturbances are mainly caused by unstable structures of turbulence separation in the flow. the fluctuation of the separation zones in the diffuser causes the fluctuation of the internal shock train structure. the change in the structure of the shocks as well as the instabilities created in the shock train and their movement upstream creates a flow separation zone at the entrance of the vacuum chamber and mass suction occurs inside the chamber, which results in the diffuser leaving the starting condition. as the time increases and the pressure of the vacuum chamber increases, the momentum of the exiting flow from the nozzle dominates again and creates a quasi-starting state in the diffuser, and this repetition loop continues intermittently.