و 1 ص. ص. 32-23 تحليل دوبعدي سيستم كنترل بردار تراست توسط نازل داراي دو گلوگاه طراحي شده بر مبناي آنالوژي هندسي حسين مهدوي مقدم و* 1 2 محمد هادي حامدي - 2 دانشكدة مهندسي هوافضا دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي * تهران كد پستي: 16569-83911 mahdavy@kntu.ac.ir استفاده از نازلهاي داراي دو گلوگاه و تزريق جريان ثانويه از بالادست گلوگاه روشي نوين براي كنترل بردار تراست است. بهطوريكه اين روش بدون تا ثير منفي در عملكرد نازل از بازدهي بالايي برخوردار است. هدف اين تحقيق طراحي سيستم كنترل بردار تراست با استفاده از اين روش براي ميكروتوربين «تيتان» است. با توجه به كاربرد وسيع اين موتور در پروژههاي تحقيقاتي و دانشگاهي مطالعة حاضر موجب كسب دانش و تجربه براي طراحي سيستم كنترل بردار تراست موتورهاي بزرگتر شود. بدين منظور نازل داراي دو گلوگاه براي اين موتور بر مبناي آنالوژي هندسي با نازل بهينه ناسا طراحي شد. همچنين پارامترهاي اساسي سيستم كنترل بردار تراست از جمله ضريب تخليه ضريب تراست مقدار زاوية انحراف جريان و بازدهي سيستم مورد تحليل و بررسي قرار گرفتهاند. نتايج بهدست آمده از هندسة طراحي شده صحت عملكرد اين سيستم را در منحرف كردن بردار تراست مطابق با نيازمنديهاي طراحي نشان ميدهد. نازل داراي دو گلوگاه طراحي شده قادر است با تزريق %10 جريان ثانويه نسبت به جريان اوليه بردار تراست خروجي موتور را به مقدار 18 درجه منحرف نمايد. واژههاي كليدي: سيستم كنترل بردار تراست موتور ميكروجت نازل دو گلوگاهه آنالوژي هندسي Fis علاي م و اختصارات 21 A t سطح مقطع گلوگاه نازل (cm2) A e سطح مقطع خروجي نازل (cm2) Cd ضريب تخليه نازل C f ضريب تراست نازل DTN نازلهاي داراي دوگلوگاه F A نيروي محوري (N) F تراست آيزنتروپيك جريان اوليه (N) تراست آيزنتروپيك جريان ثانويه (N) F N نيروي عمودي (N) F r نيروي برآيند (N) F S نيروي جانبي (N) NPR نسبت فشار نازل P a فشار محيط (Pa) T دماي سكون (k) دبي جرمي ايدهآل جريان اوليه 0 W ip دبي جرمي جريان اوليه W p دبي جرمي جريان ثانويه Ws ضريب ميراكننده ويسكوزيته آشفتگي *α ip 1. استاديار (نويسنده مخاطب) 2. دانشجوي دكتري دريافت مقاله: 96/04/29 تا ييد مقاله 96/08/17
فصلنامة علمي- پژوهشي علوم و فناوري فضايي حسين مهدوي مقدم و محمدهادي حامدي / 24 زاوية برداردهي حول محور افقي (درجه) p بازدهي سيستم كنترل بردار تراست زاوية واگرايي حفره نازل (درجه) زاوية همگرايي حفره نازل (درجه) زاوية همگرايي نازل (درجه) 1 2 3 t ويسكوزيتة ديناميكيآشفته (kg/ms) K پراكندگي مو ثر مربوط به انرژي جنبشي آشفتگي پراكندگي مو ثر مربوط به فركانس آشفتگي K عدد پرامتل آشفتگي مربوط به انرژي جنبشي آشفتگي عدد پرامتل آشفتگي مربوط به فركانس آشفتگي فركانس آشفتگي چگالي جريان (kg/m3) در بالادست كمترين سطح مقطع براي كنترل جدايش و افزايش اختلاف فشار در حفره طراحي شده است. در حالت بدون برداردهي هيچ تزريقي رخ نميدهد و خط سونيك و يا گلوگاه در كمترين مقطع خروجي نازل ايجاد ميشود. در حالت برداردهي تزريق سيال ثانويه به كمترين سطح بالادست وارد و سبب ايجاد خط سونيك در بالادست خروجي و افزايش اختلاف فشار در طول ديوارة حفره ميشود. در شكل (1) چگونگي رفتار جريان درون نازلهاي داراي دو گلوگاه و تزريق سيال ثانويه در گلوگاه بالادست نشان داده شده است [1]. ω ρ مقدمه كنترل بردار تراست به كمك سيال به معني تزريقكردن جريان سيال ثانويه به لاية مرزي جت اوليه و يا خارج كردن از آن است. كنترل بردار تراست به كمك سيال يك روش مفيد در عين حال سبك ساده ارزان و بدون نياز به قطعات متحرك (هندسه ثابت) است. تزريق سيال براي كنترل زاوية بردار تراست و كنترل سطح مقطع نازل بيش از چندين دهه است كه مورد مطالعه قرار گرفته است. برخلاف برداردهي مكانيكي كه با استفاده از سختافزارهاي سنگين انجام ميشود كنترل بردار تراست به كمك سيال از يك جريان ثانويه كه عموما از فن يا كمپرسور موتور تا مين ميشود براي منحرف كردن جريان جت اوليه استفاده ميكند. بهطوركلي عملكرد سيستم كنترل بردار تراست با دو پارامتر زاوية انحراف بردار تراست ) p δ) و بازدهي برداردهي (η) بيان ميشود. زاوية برداردهي بيانگر مقدار زاوية انحراف بردار تراست نسبت به محور تقارن نازل و بازدهي برداردهي بيانگر ميزان برداردهي نسبت به درصد تزريق جريان ثانويه در نازل است. اما عملكرد نازلها با دو پارامتر ضريب تراست ) f C) و ضريب تخليه ) d C) بيان ميشود. در سال 2005 محققان در مركز تحقيقات لانگلي در ناسا يك روش جديد برداردهي تراست را طراحي كردند [1]. اين روش بدون اينكه در نسبت تراست سيستم تغييري ايجاد كند بازدهي برداردهي بيشتري نسبت به ساير روشهاي سنتي دارد. اين طراحي جديد نازل بهوسيلة كنترل كردن جدايش و بيشينه تغييرات فشار در يك حفره فرورفته كه بين دو گلوگاه (مقاطع با كمترين سطح) ايجاد ميشود قابليت برداردهي تراست را فراهم ميكند. طراحي نازلهاي داراي دو 3 گلوگاه (DTN) در راستاي ارتقا روش جابهجايي گلوگاه با تزريق سيال شكل 1 - نمايش عملكرد نازلهاي DTN و تزريق جريان ثانويه [1] در سال 2005 كد ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) با شبكهبندي ساختاريافته براي كمك به طراحي كنترل بردار تراست با 4 جريان سيال بهصورت دوبعدي توسط ديري و همكاران توسعه پيدا 5 كرد [1]. در همان سال فلام و همكاران مفاهيم نازلهاي داراي دو گلوگاه را بهصورت آزمايشگاهي در مركز تحقيقات لانگلي ناسا اعتبارسنجي نمودند [2]. پس از گذشت دو سال آنها مدل تقارن محوري يك نازل داراي دو گلوگاه را با نسبت انبساط مختلف و تا ثير آن بر كنترل بردار تراست و عملكرد نازل بهصورت تجربي مورد آزمايش قرار دادند [3]. ديري و همكاران [4 5] با استفاده از روشهاي عددي نازل داراي دو گلوگاه را براي كاربرد در هواپيماهاي مافوق صوت با تغيير در متغيرهاي هندسي نازل بررسي كردهاند. بررسي نتايج آنها نشان ميدهد كه افزايش زاوية واگرايي حفره تا ثير منفي بر ضريب تراست و زاوية برداردهي ) p ) در تمامي نسبت فشارهاي نازل (NPR) دارد. هنگاميكه زاوية واگرايي افزايش پيدا ميكند ضريب تخليه نيز به مقدار اندكي كاهش مييابد. در شكل (2) شماتيكي از نازل داراي دو گلوگاه متقارن محوري به همراه مقطع تزريق جريان ثانويه 6 براي انحراف بردار تراست در جهت پيچ نشان داده شده است. 4. Karen A. Deere 5. Jeffrey D. Flamm 6. Pitch 3. Dual Throat Nozzle (DTN)
25 / تحليل دو بعدي سيستم كنترل بردار تراست توسط نازل داراي دو گلوگاه طراحي شده بر مبناي آنالوژي هندسي فصلنامة علمي- پژوهشي علوم و فناوري فضايي جلد / 10 شمارة / 2 تابستان 1396 شكل 2 - نمايش مقطع تزريق جريان ثانويه بهصورت تقارن محوري [5] روش و مقايسة نتايج حاصل از آن به روشي دست پيدا كنند تا بتواند با وارد كردن ابعاد هندسي نازل موتور مورد نظر سيستم كنترل بردار تراستي بهعنوان خروجي به كاربر اراي ه كند بهگونهايكه هم از نظر عملكرد كنترل بردار تراست (مقدار زاوية انحراف و بازدهي سيستم) و هم عملكرد نازل (ضريب تخليه و تراست) از كارآمدي بالايي برخوردار باشد. بهعبارتديگر تحقيقات صورت گرفته تا به امروز (منظور تحقيقاتي كه در اين حوزه به چاپ رسيدهاند) سعي بر اراي ة مفهومي سيستم دارند تا اينكه به جزي يات طراحي وارد شوند. درحاليكه تحقيق حاضر يك پژوهش كاربردي در اين حوزه است بهگونهايكه سعي دارد از اين روش بهصورت عملي بهره گيرد و عملكرد آن را بهصورت واقعي بر روي يك موتور ميكروجت و يا در ادامه بر روي يك موتور مينيجت با كاربرد معين مورد ارزيابي قرار دهد. در تحقيق حاضر ضمن معرفي نازل DTN با ابعاد مشخص هب( عنوان هندسة بهينة (ايدهآل ناسا) نازل DTN براي موتور تيتان با استفاده از آنالوژي هندسي نسبت به هندسة ايدهآل طراحي شده است. براي مقياسگيري هندسي پارامتر اساسي قطر ورودي نازل اوليه مورد تحليل و بررسي قرار گرفت. همچنين در اين تحقيق سعي بر آن است كه با افزايش مقدار دبي جرمي جريان ثانويه تزريق شده در بالادست گلوگاه نازل مقدار ضريب تخليه ضريب تراست مقدار زاوية انحراف و بازدهي سيستم كنترل بردار تراست طراحي شده مورد تحليل و ارزيابي قرار گيرد. مدل آشفتگي k-w 10 مدل انتقال تنش برشي كه توسط منتر توسعه پيدا كرده است مدلي دقيق و كارامد در معادله نويسي نواحي نزديك ديواره است [11]. تعريف ويسكوزيتة آشفتگي در اين مدل با انتقال تنش برشي آشفته تصحيح ميشود. معادلات مربوط به انرژي جنبشي آشفتگي و نرخ پراكندگي در رابطههاي (1) و (2) بيان شدهاند [12]. مدل آشفتگي SST k-w براي تعيين موقعيت جدايش جريان و تعيين مكان ايجاد موج ضربه بسيار كارآمد است. از اينرو در تحقيق حاضر نيز از اين مدل استفاده شده است. لازم به ذكر است كه اين مطلب توسط حامدي و جهرمي به طور مفصل بررسي شده و همچنين به تحقيقات مشابهي هم كه در اين زمينه كار شده بود نيز 11 اشاره شده است [13]. بالابل و همكاران نيز 6 مدل آشفتگي Shear-stress transport k ω Extended k ε Standard k ε ) (v 2 f model v 2 f model realizable Reynolds stress model 10. F. R. Menter 11. A. Balabel 7 شين و همكاران [6] عملكرد نازلهاي داراي دو گلوگاه را با تغيير در دبي جرمي جريان ثانويه در نسبت فشارهاي مختلف نازل بهصورت عددي مورد بررسي قرار دادند. نتايج عددي حاصل از كار آنها نشان ميدهد كه ضريب تخلية نازل با افزايش دبي جرمي جريان ثانويه كاهش مييابد و مقدار زاوية برداردهي تراست افزايش مييابد. حامدي و همكاران [7] عملكرد نازل داراي دو گلوگاه و سيستم كنترل بردار تراست را بهصورت عددي مورد ارزيابي قرار دادند. آنها تا ثير سطح مقطع تزريق جريان ثانويه بر پارامترهاي عملكردي نازل را مورد بررسي قرار دادند. بررسي نتايج عددي حاصل از مطالعة آنها نشان ميدهد كه با كاهش سطح مقطع تزريق جريان ثانويه زاوية برداردهي و بازدهي سيستم كنترل بردار تراست افزايش و مقدار ضريب تخليه و ضريب تراست نازل كاهش مييابد. 8 جو و همكاران [8 9] تا ثير حفره بر عملكرد نازل داراي دو گلوگاه را هنگامي كه سيستم كنترل بردار تراست شروع به فعاليت 9 ميكند مورد تحليل و بررسي قرار دادند. اخيرا لي و همكاران [10] بهصورت عددي و تجربي برهمكنش بين جريان اولية نازل و و جريان ثانويه را بررسي كردند. آزمايش آنها بر عملكرد سيستم كنترل بردار تراست نشان ميدهد كه انحراف بردار تراست به نسبت فشار نازل و نسبت فشار جت ثانويه وابسته است. تا به حال تمامي مقالات و تحقيقاتي كه در حوزة كنترل بردار تراست و به روش نازل داراي دو گلوگاه در مراكز تحقيقاتي انجام شده است بحث بهينهسازي با استفاده از مطالعة پارامتريك و بررسي اثر چند پارامتر بر عملكرد سيستم است كه هم بهصورت عددي و هم بهصورت تجربي اين مطالعات را انجام دادهاند [8-1]. درحاليكه در تحقيق حاضر بحث «طراحي» و «روش طراحي» و آن هم براي موتوري مشخص با ابعاد نازل معين است. فراتر از آن هم اينكه نويسندگان مقالة حاضر سعي دارند با بهكارگيري چندين 7. Choon Sik Shin 8. R. Gu 9. L. Li
فصلنامة علمي- پژوهشي علوم و فناوري فضايي حسين مهدوي مقدم و محمدهادي حامدي / 26 (1) را براي جريان درون نازل همگرا واگرا در موتورهاي سوخت مايع بررسي كردهاند [14]. نتايج آنها نشان ميدهد كه مدل آشفتگي SST k-w به بهترين صورت مكان دقيق جدايش و موج ضربه را پيشبيني ميكند. از اينرو اين روش براي تحليل عددي جريان درون نازل مناسب هستند. () + ( ) = + + () + ( ) = + + (2) در معادلات فوق G k نشاندهندة توليد انرژي جنبشي آشفتگي مربوط به گراديان سرعت و G w نشاندهنده توليد ω است. پارامترهاي Υ Γ و S بهترتيب بيانگر پراكندگي مو ثر پراكندگي آشفتگي و ترم تعريف شده توسط كاربر است. در مدل k-ω پراكندگي مو ثر از طريق معادلات (3) و (4) بهدست ميآيد [12]. جدول 1- جزي يات هندسة نازل شبيهسازي شده[ 3 ] پارامتر d (cm) مقدار 6/15 6/15 0/234 13/36 10 30 20 29/69 1 d (cm) d (cm) L (cm) θ (deg) θ (deg) θ (deg) A (cm ) A /A =+ (3) =+ (4) در اين روابط σ k و σ ω بهترتيب بيانگر عدد پرانتل آشفتگي مربوط به k وω هستند. ويسكوزيته آشفتگي از رابطه (5) محاسبه ميشود. = (5) روابط مربوط به تعيين ضريب ميراكنندة ويسكوزيتة آشفتگي (*α) به طور كامل در مرجع [12] بيان شده است. شرايط مرزي مطالعة شبكه و اعتبارسنجي مروري كلي بر مطالعات انجام شده بهصورت عددي و آزمايشگاهي توسط محقيق در دهة اخير نشان ميدهد كه بهينهترين هندسة نازل داراي دو گلوگاه شامل هندسة نازل اصلي و نازل ثانويه متصل به آن هندسهاي است كه جزي يات ابعاد آن در شكل (3) و جدول (1) آمده است [7-1]. بهعبارتديگر هندسة معرفي شده بهعنوان هندسة بهينه و يا هندسة مبنا هندسهاي است كه سابقا توسط محققين ناسا مورد تحقيق و بررسي قرار گرفته و در مراجع متعدد بر روي پارامترهاي هندسي مختلف آن اعم از زواياي همگرايي واگرايي طول حفره نسبت سطح خروجي به گلوگاه قطر گلوگاه و غيره هم بهصورت آزمايشگاهي و هم بهصورت عددي دوبعدي و سه بعدي مطالعه پارامتريك انجام دادهاند [7-1]. شكل - 3 نمايش پارامترهاي هندسي نازل داراي دو گلوگاه هندسهاي كه بهعنوان هندسة مبنا (هندسة بهينة ناسا) در نظر گرفته شده است تمامي مقادير پارامترهاي عملكردي نازل و سيستم كنترل بردار تراست شامل ضريب تراست ضريب تخليه زاوية انحراف تراست و بازدهي برداردهي را در محدودة مناسبي تا مين ميكند. بهعبارتديگر هندسة بهينه نازلي است كه بخش حفرة آن به بهينهترين شكل ممكن با نازل اولية آن متناسب است. در واقع براي نازل اوليه با ابعاد هندسي مشخص ابعاد حفره اين DTN به گونهاي است كه كمترين افت را در ضريب تراست و يا ضريب تخليه ايجاد مينمايد در حالي كه منجر به بيشترين انحراف بردار تراست با بيشترين بازدهي خواهد شد. به همين دليل در اين تحقيق نيز هندسة فوق بهعنوان هندسة مبنا درنظر گرفته شده است. همچنين نازل DTN بهعنوان سيستم كنترل بردار تراست برحسب نسبتهاي هندسي آن نسبت به هندسة مبنا به كمك ديناميك
27 / آنالوژي هندسي طراحي شده بر مبناي تحليل دو بعدي سيستم كنترل بردار تراست توسط نازل داراي دو گلوگاه پژوهشي علوم و فناوري فضايي فصلنامة علمي- / تابستان 1396 جلد / 10 شمارة 2 مرزي شده به همراه شرايط نمايش شبكه ايجاد شكل - 5 كنترل بردار تراست به كمك عملكرد سيستم در اين بخش جريان ثانويه بررسي شده است. نازلهاي داراي دو گلوگاه و تزريق عنوان معياري از ريز بودن سلولهاي نزديك نمودار + y ديواره به شكل (6) نشان دو گلوگاهه در ديواره بر روي ديوارة بالايي نازل شكل مشهود است مقدار اين داده شده است. همانطوركه در اين (SST k-w) پارامتر در بازة 1-12 است كه براي مدل آشفتگي شبيهسازيها مناسب است. بهكار گرفته شده در سيالات محاسباتي و با مدل آشفتگي انتقال تنشهاي برشي SST k-ω براي موتور مورد نظر طراحي و سپس تحليل عددي ميشود. مورد نظر در مطالعة حاضر هندسة نازل داراي دو گلوگاه مدنظر با سه اندازة (هندسة مبنا ( مدلسازي شده است. هندسة و بهترتيب با تعداد 0/3 ميليمتر) مختلف (0/8 0/6 و سلول باسازمان شبكهبندي 32000 و 40000 بهصورت مربعي و 13000 شده است. براي تحليل دقيقتر جريان در نزديكي ديواره شبكهبندي ريزتر شده به گونهاي است كه در نزديكي ديواره اندازه سلولها عددي از شبكه مورد ارزيابي دقيق است. همچنين استقلال حل قرار گرفته است. نمايش استقلال محاسبات از شبكه با استفاده از فشار استاتيكي محلي بر فشار مطلق SST براي نسبت مدل k-ω كل ورودي (P/Pt)) بر حسب نسبت فاصلة محوري از مقطع ورودي براي سه فوقاني نازل روي ديوارة كل نازل (x/l) بر بر طول (4) نشان داده شده است. با توجه به مختلف در شكل شبكهبندي نتايج بهدست آمده از دو شبكة آخر بهدليل صرفهجويي در مطابقت جريان اندازه سلول 6/ /0 براي تحليل هزينة محاسباتي از شبكه با درون نازل استفاده شده است. شبكة توليد شده شكل - 4 نمايش استقلال حل عددي از شرايط هندسة نازل و عددي ابعاد در شكل (5) دامنه حل شده براي شبيهسازي جريان تراكمپذير مختلف در نظر گرفته مرزي اعمال شده در مقطع درون نازل نشان داده شده است. شرايط مرزي در مقطع خروجي دامنة ورودي نازل شرط مرزي فشار ورودي است. دوردست با عدد ماخ كوچك و براي حل عددي شرط مرزي فشار گرفته شده در نظر ديوارههاي نازل شرايط آدياباتيك و عدم لغزش جرمي ورودي ايجاد جريان ثانويه نازل با شرط مرزي دبي است. شرايط كه جريان ثانويه نيز هوا در لازم به ذكر است شده است. گلوگاه نازل است كه با دبي جرمي مختلف در بالادست استاندارد تزريق ميشود. نازل روي ديواره بالايي نمودار توزيع +y بر شكل 6- آشفتگي و معادلات نرخ ويژه معادلات جريان انرژي جنبشي حل مرتبة اول تحليل شده اضمحلال درون كانال برمبناي روش ناشي از حل معادلات تا مرتبة است. شرط همگرايي كاهش خطاي مقايسة دبي جرمي در مقطع ورودي و خروجي صدهزارم و همچنين در نظر گرفته شده است. دقت يك هزارم تا در شكلهاي (7) و (8) نمودار مقايسة نتايج عددي بهدست فلام و همكاران [3] بهترتيب آمده از تحقيق حاضر با نتايج تجربي طراحي نازل بر ضريب تخليه و تراست نازل با نسبت فشار براي حسب دبي جرمي جريان ثانويه از صفر تا 10 درصد جريان اولية نشان داده شده است. همانطوركه در اين دو شكل مشاهده نازل
فضايي فصلنامة علمي- پژوهشي علوم و فناوري تجربي %7 با نتايج ميشود نتايج عددي حاصل با اختلاف كمتر از ضريب با افزايش درصد دبي جرمي ثانويه مقدار مطابقت دارند. مييابد. تراست و ضريب تخلية نازل كاهش حسين مهدوي مقدم و محمدهادي حامدي (9) مشاهده ميشود نتايج همانطور كه شكلهاي (7) (8) و كمتر از %10 با نتايج تجربي مطابقت دارند. حاصل با اختلاف عددي و ضريب جرمي ثانويه مقدار ضريب تراست درصد دبي با افزايش تخلية نازل كاهش مييابد. / 28 طراحي نازل داراي دو گلوگاه ضريب تخليه و تجربي براي 7- مقايسة نتايج عددي شكل و تجربي براي ضريب تراست 8- مقايسة نتايج عددي شكل كميت براي بررسي بهتر اعتبارسنجي حل عددي يك شكل غيرانتگرالي با حساسيت بيشتر مورد ارزيابي قرارگرفته است. در استاتيك به فشار توزيع نسبت فشار (9) نتايج بهدست آمده از نمودار شبيهسازي عددي و طول بيبعد نازل براي دو حالت سكون برحسب يكديگر مقايسه شدهاند. مرجع [3] موجود با ددادههاي تجربي كوچكي هستند كه براي ميكروتوربينهاي پيشرفته توربين گازهاي كنترل راديويي و بهعنوان در هواپيماهاي نيروي پيشران ايجاد 12 موتور سساستينر در گلايدرها و ژنراتورهاي توليد توان و گرما در توربوجت مراكز تحقيقاتي و دانشگاهي توسعه يافتهاند. اولين 13 تراست 90 سال 1991 و 1992 نيروي MK-1 در پگاسوس سال 2004 ميكرد. در بر دقيقه توليد نيوتون در 90000 دور 14 توسعه پيدا 235 نيوتن با نيروي تراست اليمپيوس HP موتور آخرين نسخه از اين طراحيها ميباشند كرد. موتورهاي AMT تيتان اين موتورها توانايي توليد 392 نيوتون تراست در كه مدل دور بر دقيقه را داراست. نسخة 2008 توربوجت تيتان 97500 از نظر عملكردي و ابعاد هندسي نسبت طراحي بهينهتري داراي به كار رفته در موتورهاي به ديگر موتورها است. تمامي مواد AMT براساس محاسبات دقيق و تستهاي عملكردي انتخاب بهصورت در جدول (2) خصوصيات موتور AMT تيتان شدهاند. كامل بيان شده است. ميكروجت تيتان و ابعاد نقشه بدنه موتور در شكل (10) به همراه پارامترهاي طراحي نازل آن شامل طول كل هندسي آن نشان داده شده است موتور قطر موتور و قطر نازل خروجي ابعاد هندسي نازل خروجي موتور در جدول همچنين جزي يات.[15] (3) نشان داده شده است. AMT تيتان[ 15 ] ابعاد هندسي موتور شكل 10-12. Sustainer 13. Pegasus 14. Olympus سكون نتايج عددي و تجربي توزيع نسبت فشار استاتيك به فشار شكل 9- مقايسة
29 / آنالوژي هندسي طراحي شده بر مبناي تحليل دو بعدي سيستم كنترل بردار تراست توسط نازل داراي دو گلوگاه پژوهشي علوم و فناوري فضايي فصلنامة علمي- / تابستان 1396 جلد / 10 شمارة 2 براي طراحي با معيار قطر ورودي نازل تمامي متغيرهاي محاسبه شده هندسي نازل و حفره نسبت به قطر ورودي نازل اصلي ورودي نازل موتور ديگر پارامترهاي آن شامل است. با داشتن قطر زاوية واگرايي و همگرايي نازل ثانويه طول نازل ثانويه و قطر نازل طراحي شده در نازل ثانويه ثانويه بهدست ميآيند. ابعاد هندسي جدول (4) نشان داده شده است. شده جدول 4 - جزي يات ابعاد نازل DTN طراحي اندازه پارامتر طول نازل ثانويه ) c L) ( مقطع ) نسبت سطح 10 /3 (cm) 1 1/89 7 /2 (cm) 9 (cm) 7 /7 (deg) 24 (deg) 0 /19 (cm) طراحي نازل ) d (NPR نسبت فشار نازل ثانويه ) ) قطر خروجي قطر نازل ثانويه ) ) ( نازل ثانويه ) زاويه واگرايي ( زاويه همگرايي نازل ثانويه ) جريان ثانويه طول شيار تزريق ( ) در شرايط تزريق عملكرد مناسب به هندسه با براي دستيابي نتايج حاصل از هندسة طراحي مختلف و تصديق جرمي ثانوية دبي طراحي برمبناي پارامترهاي شده محدودة مقادير مورد انتظار سيستمي مورد انتظار پرنده يا بهعبارتي مقادير پارامترهاي هدف در است. جدول (5) اراي ه شده جدول 5 - محدوده پارامترهاي مورد انتظار طراحي كمينه پارامتر 0 0/75 0/70 0 1 %WW s /(w s +w p ) C d C f δ p (º) η مقدار 147 مميليمتر 385 مميليمتر 3645 گرم 5211 گرم 392 نيوتن دور بر دقيقه 96000 13 نيوتن 3/8:1 گرم بر ثانيه 660 850 درجه سانتيگراد 1020 گرم بر دقيقه گرم بر كيلونيوتن ثانيه 43/3 كروسين مستقيم با استارت طراحي در اين تحقيق قطر ورودي نازل موتور به عنوان معيار به هندسه ايدهآل در دو گلوگاه براي آنالوژي هندسي نسبت نازل داراي هندسة نظر گرفته شده است. براي طراحي و محاسبة پارامترهاي اصلي دو گلوگاه به كمك نرم افزار برنامهنويسي متلب كد نازل داراي نازل اولية كردن ابعاد كامپيوتري نوشته شده است. اين برنامه با وارد انتخاب معيار موتور اصلي ) (كه هر موتور و با هر ابعادي ميتواند باشد) و خروجي (معيار قطر نازل) ابعاد هندسة نازل DTN را به عنوان طراحي شكل (11) هم بهصورت عدد و هم بهصورت نمودار نشان ميدهد. در خروجي كد نوشته شده براي موتور مورد نظر نشان داده شده است. بيشينه 10 0/9 0/85 20 3 تيتان AMT عملكردي موتور جدول 2- مشخصات پارامتر قطر موتور طول موتور وزن موتور وزن كامل موتور به همراه متعلقات تراست در شرايط استاندارد در دور بيشينه دور بيشينه تراست در دور كاري در دور بيشينه نسبت فشار هوا دبي جرمي گازهاي خروجي از نازل دماي مصرف سوخت مصرف سوخت ويژه استارت روش جدول 3- جزي يات ابعاد هندسي نازل خروجي موتور تيتان AMT پارامتر مقدار 5 /2 (cm) 9 /6 (cm) 7 /2 (cm) 13 (deg) طول نازل ) N (L قطر ورودي نازل ) i d) قطر گلوگاه نازل ) t (d (θ زاويه همگرايي نازل ) مقدار زاوية برآيند حول محور عرضي ايجاد شده توسط سيستم كنترل بردار تراست با رابطة (6) محاسبه ميشود [3]. = (6) به همراه نازل موتور شكل 11- نمايش هندسه DTN طراحي شده بازدهي برداردهي تراست با رابطة 7 بر حسب درجه بر درصد تزريق بيان ميشود [3].
فضايي فصلنامة علمي- پژوهشي علوم و فناوري حسين مهدوي مقدم و محمدهادي حامدي شده مقدار هندسة طراحي شده است (13) نشان داده شكل ضريب تراست را كمتر از مقادير هدف نشان ميدهد و اين به آن معني است كه سيستم طراحي شده مقدار تراست موتور را نسبت ميدهد. بهعبارتديگر طراحي سيستم حالت ايدهآل آن كاهش هندسي بر معيار قطر به روش آنالوژي كنترل بردار تراست ورودي نازل سبب افت ضريب تراست ميشود. عملكرد سيستم كنترل در شكلهاي (14) و (15) نتايج شده براي پارامترهاي مقدار زاوية انحراف بردار تراست طراحي دبي جرمي برداردهي بر حسب درصد بردار تراست و بازدهي با مقادير هدف مقايسه شدهاند. در اين ثانويه با يكديگر و شكلها به خوبي مشهود است كه هندسة DTN طراحي شده مناسبي منجر به توليد زاوية برداردهي و بازدهي برداردهي نشان از عملكرد مناسب نسبت به مقادير هدف اراي ه ميدهد كه كه هر چه اين هندسه است. همچنين نتايج نشان ميدهد جريان ثانويه افزايش يابد مقدار انحراف درصد تزريق مقدار بازدهي آن كمتر ميشود. بردار تراست بيشتر ولي ƞ = ( ايدهآل و تخليه مقادير تراست براي محاسبه ضرايب تراست ip F) و دبي جرمي ايدهآل عبوري از نازل (Wip) به ترتيب از ) معادلات 8 و 9 بهدست ميآيند [13 14]. در اين معادلات γ بيانگر نرخ گرماي ويژه (1.4=γ) و R ثابت جهاني گازها و P 0 و T 0 بيانگر فشار و دماي سكون ميباشند. = = ) 100 () 1 / 30 (7) (8) (9) طراحي دو گلوگاه جهت ارزيابي صحت عملكرد نازل داراي سيستم نازل و شده مقادير حاصل براي پارامترهاي عملكردي كنترل بردار تراست با مقادير مورد انتظار (هدف) هر كدام مقايسه جريان سيال اوليه به همراه تزريق همين منظور جريان ششدهاند. به ثانوية درون هندسة طراحي شده بهصورت دوبعدي در نرم افزار بهدست شبيهسازي عددي شده است. در شكل (12) نتايج فلوي نت دو گلوگاه طراحي شده با مقادير آمده از ضريب تخلية نازل داراي كه شكل به خوبي مشاهده ميشود هدف مقايسه شده است. در اين را انتظار طراحي شده اين توانايي ارضاي مقادير مورد نازل طراحي طراحي شده مقادير ددارد. در تمامي دبي جرميهاي تزريق شده نازل را ايجاد مينمايد. بهعبارتديگر ضريب تخلية بيشتر از حد انتظار مناسب شده در ميزان تخلية دبي جرمي عملكردي هندسة طراحي به شده ميتوان سيستم كنترل بردار تراست طراحي ددارند. از مزاياي كاهش ضريب تخلية سيستم به مقدار اندكي اشاره كرد. دو گلوگاه طراحي شده تراست نازل داراي شكل 13- ضريب طراحي شده شكل 12- ضريب تخلية نازل داراي دو گلوگاه مقايسه نتايج ضريب تراست بهدست آمده از هندسة در داده شده است. همانطوركه شكل (13) نشان طراحي شده در شده شكل 14- زاوية انحراف تراست نازل داراي دو گلوگاه طراحي
31 / آنالوژي هندسي طراحي شده بر مبناي تحليل دو بعدي سيستم كنترل بردار تراست توسط نازل داراي دو گلوگاه پژوهشي علوم و فناوري فضايي فصلنامة علمي- / تابستان 1396 جلد / 10 شمارة 2 شكل 15- بازدهي نازل داراي دو گلوگاه طراحي شده طراحي آمده از نازل عدد ماخ بهدست در شكل (16) كانتور تزريق جريان ثانويه در نسبت فشار حالتهاي مختلف شده براي ميزان تغيير در زاوية طراحي نازل مقايسه شده است. در اين شكل بردار تراست بر حسب افزايش درصد دبي جرمي ثانويه انحراف نشان داده شده است. بهعنوان معيار قطر ورودي نازل است. در فرآيند طراحي از پارامتر طراحي براي آنالوژي هندسي استفاده شده است. هندسة طراحي تحليل عددي مورد شبيهسازي شده مدلسازي شد و در نرمافزار قرار گرفت. نتايج حاصل از عملكرد نازل DTN طراحي شده با مقايسه شده با مقادير مورد انتظار از طراحي يكديگر و همچنين زير است. است. برخي از مهمترين نتايج بهدست آمده به شرح ثانويه مقدار ضريب تراست با افزايش تزريق دبي جرمي كنترل بردار تراست كاهش و ضريب تخلية نازل و بازدهي سيستم بردار تراست افزايش مييابد. سيستم كنترل ميزان زاوية انحراف شده با روش آنالوژي هندسي بر مبناي قطر بردار تراست طراحي ورودي نازل سيستمي است كه مقادير مورد انتظار طراحي (هدف) كنترل بردار تراست (بازدهي و در پارامترهاي عملكردي سيستم خوبي ارضا ميكند. اما هندسة تراست) را به مقدار انحراف بردار ضريب تخلية منجر به افت كم اراي ه ميكند كه طراحي شده نتايجي طراحي را برآورده ميسازد. درحاليكه اين هندسه شده و هدف نازل طراحي ارضا با مقادير هدف نميتواند ضريب تراست را متناسب نمايد. بهعبارتديگر از مزاياي سيستم كنترل بردار تراست طراحي ضريب تخلية سيستم است و در از 10 درصدي شده كاهش كمتر شده حدود 18 درجه انحراف % 10 دبي جرمي جريان ثانوية تزريق عملكرد مناسب اين نشان از در بردار تراست ايجاد مينمايد كه تراست است. اما از معايب نازل در انحراف بردار سيستم طراحي شده افت شديد (حدود %30) ضريب شده به اين روش دو گلوگاه طراحي شود نازل دو آتي بايد سعي تراست است. در نتيجه در تحقيقات بالا و انحراف گلوگاه بهينهاي طراحي شود كه ضمن داشتن بازدهي بيش از %10 نبايد منجر به افت بردار تراست از 20 درجهاي بيش تخليه شود. در ضرايب تراست و مراجع [1] Deere, K. A., Berrier, B. L., Flamm, J. D. and Johnson, S. K., A Computational Study of a New Dual Throat Fluidic Thrust Vectoring Nozzle Concept, AIAA-2005-3502, July 2005. [2] Flamm, J. D., Berrier, B. L., Johnson, S. K. and Deere, K. A., An Experimental Study of a Dual Throat Fluidic Thrust Vectoring Nozzle Concept,, AIAA-2005-3503, July 2005. [3] Flamm, J. D., Deere, K. A.., Mason, M. L., Berrier, B. L. and Johnson, S. K., Experimental Study of an Axisymmetric Dual Throat Fluidic Thrust Vectoring Nozzle for a Supersonic Aircraft Application, AIAA-2007-5084, 2007. [4] Deere, K. A., Berrier, B. L., Flamm, J. D. and Johnson, S. K., Computational Study of Fluidic Thrust Vectoring Using Separation Control in a Nozzle, AIAA-2003-3803, 2003. [5] Deere, K. A., Flamm, J. D., Berrier, B. L. and Johnson S. K., Computational Study of an Axisymmetric Dual Throat ماخ براي تزريق دبي جرمي ثانويه مختلف 16- مقايسة كانتور عدد شكل %10(c تزريق (b %5 a) بدون نتيجهگيري اين تحقيق براي ميكروتوربين تيتان يك هندسة نازل در طراحي شد. داراي دو گلوگاه بهعنوان سيستم كنترل بردار تراست هندسة بهينهاي كه سابقا توسط محققان مراجع [7-1] مورد تحقيق گرفته شده و بررسي قرارگرفته بود بهعنوان هندسة ايدهآل درنظر
فصلنامة علمي- پژوهشي علوم و فناوري فضايي حسين مهدوي مقدم و محمدهادي حامدي / 32 [11]Menter, F. R., Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications, AIAA Journal, Vol.32, 1994, pp. 1598-1605. [12]Fluent, User s Guide Fluent 6.3.26, Fluent Incorporated, Lebanon, NH, 2006. [13]Hamedi E M. H. and Jahromi, M. Numerical simulation of turbulent compressible flows in a CD nozzle with different Divergence Angles, Journal of Heat and Mass Transfer Research, Vol.1, 2014, pp. 93-100. [14]Balabel, A., Hegab, A.M., Nasr, M., and Samy M. El- Behery, Assessment of Turbulence Modeling for Gas Flow in Two-Dimensional Convergent Divergent Rocket Nozzle, Applied Mathematical Modelling, Vol. 35, 2011, pp. 3408 3422. [15]Van de Goor, B., Titan Gas Turbine Manual and Engine Log, AMT Netherlands, 2010. [16]Mason, M. L., Putnam, L. E. and Richard, J. R., The Effect of Throat Contouring on Two Dimensional Converging- Diverging Nozzles at Static Condition, NASA Technical Paper 1704, 1980. [17]Geatz, A. M., A Prediction Code for the Thrust Performance of Two Dimensional, Non-Axisymmetric, Converging Diverging Nozzles, (Thesis PhD) Air Force Institute of Technology, 2005. Fluidic Thrust Vectoring Nozzle Concept for Supersonic Aircraft Application, AIAA-2007-5085, 2007. [6] Shin, C.S., Kim, H. D., Setoguchi, T. And Matsuo, S., A Computational Study of Thrust Vectoring Control Using Dual Throat Nozzle, Journal of Thermal Science, Vol, 19, 2010, pp.486 490. [7] M. H. Hamedi, M. Jahromi, M. Mahmodi, J. Pirkandi, Effect of Secondary Flow Injection Area on Thrust Vectoring Angle in Double Throat Nozzles, Modares Mechanical Engineering, Vol.15, No.1, 2015, pp.117-125, (In Persian). [8] Gu, R. and Xu, J., Effects of Cavity on the Performance of Dual Throat Nozzle During the Thrust-Vectoring Starting Transient Process, J. Eng. Gas Turbines Power, Vol. 136, No.1, 2014, pp. 0145021-145026. [9] Gu, R. and Xu, J., Dynamic Experimental Investigations of a Bypass Dual Throat Nozzle, J. Eng. Gas Turbines Power, Vol. 137, No.8, 2015, pp. 084501-084501-6, [10]Li, L., Hirota, M., Ouchi, K. and Saito, T., evaluation of Fluidic Thrust Vectoring Nozzle via Thrust Pitching Angle and Thrust Pitching Moment, Shock Wave, Vol. 27, 2017, pp. 53-61,