شبیه سازی تأثیر نانوذره‌ها بر بهبود خنک کاری بازیافتی در موتور پیشرانه مایع

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 مجتمع دانشگاهی شیمی و مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

2 مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

چکیده

وجود دمای بالای به‌دست آمده از احتراق نیازمند روش ­های مؤثر خنک ­کاری در محفظه احتراق می­باشد. اغلب محفظه ­ها در موتورهای پیشرانه مایع، دارای خنک­ کاری از نوع  بازیافتی هستند. یک روش جدید برای بهبود عملکرد انتقال گرما در فرایند خنک ­کاری بازیافتی، افزودن نانوذره‌ها به سیال خنک ­کننده است. در این تحقیق، خنک­ کاری بازیافتی در یک موتور پیشرانه مایع با فلوئنت به صورت عددی شبیه ­سازی شده است. این موتور برای کار بر روی مخلوط کروسین به­ عنوان سوخت و اکسیژن مایع به عنوان اکسید­ کننده با تراست 300 کیلو نیوتن طراحی شده است. در ادامه از نانوذره‌های آلومینا و نانولوله کربنی (CNT) در کسر حجمی­ های 2% و 5% برای افزودن به کروسین برای تولید نانوسیال استفاده شده است. در این مسئله جریان سیال در کانال خنک ­کننده سه بعدی، پایا و آشفته فرض شده است و همچنین از مدل آشفتگی k-ε برای جریان آشفته استفاده شده، و نانوسیال نیز به صورت تک ­فاز مدل ­سازی شده­ است. افزودن نانوذره‌های آلومینا و نانولوله کربنی در کروسین به عنوان سیال خنک ­کننده به ترتیب باعث افزایش 8% و 15% در ضریب انتقال گرما سیال خنک ­کننده شده است. با توجه به نتیجه‌ها، نانولوله­ های کربنی از توانایی بالاتری برای افزایش ضریب انتقال گرما و بهبود خنک ­کاری بازیافتی نسبت به نانوذره آلومینا برخوردار هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

[1] Huzel D.K., Huang D.H., "Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines", AIAA, (1992).
[2] Carlile J., Quentmeyer R., An Experimental Investigation of High-Aspect-Ratio Cooling Passages, 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit, 3154 (1992).
[3] Ulas A., Boysan E., Numerical Analysis of  Regenerative Cooling in Liquid Propellant Rocket  Engines,  Aerospace Science and Technology, 24: 187-197 (2013).
[4] Agarwal D.K., Vaidyanathan A., Kumar S.S., Experimental Investigation on Thermal Performance of Kerosene–Graphene Nanofluid, Experimental Thermal and Fluid Science, 71: 126-137 (2016).
[5] Pak B.C., Cho Y.I., Hydrodynamic and Heat Transfer Study of Dispersed Fluids With Submicron Metallic Oxide Particles, Experimental Heat Transfer an International Journal, 11: 151-170 (1998).
[6] Jokhakar J., Naraghi M., A CFD-RTE Model for Thermal Analysis of Regeneratively Cooled Rocket Engines, in 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 4557 (2008).
[7] Iqbal M., Sheikh N.A., Ali H.M, Khushnood S., Arif M., Comparison of Empirical Correlations for The Estimation of Conjugate Heat Transfer in a Thrust Chamber, Life Science Journal, 9: 708-716 (2012).
[8] Barbosa F., Zaparoli E., Andrade C., Unified Approach for Conjugate  Heat-Transfer Analysis of High Speed Air Flow Through a Water-Cooled Nozzle, The Aeronautical Journal, 120: 355-373 (2016).
[9] Bartz D.R., A Simple Equation for Rapid Estimation of Rocket Nozzle Convective Heat Transfer Coefficients, Jet Propulsion,  27: 49-51 (1957).
[10] Anderson J.D., "Fundamentals of Aerodynamics", McGraw-Hill series in aeronautical and aerospace engineering, New York (2001).
[11] Bianco V., Manca O., Nardini S., Vafai K., "Heat Transfer Enhancement With Nanofluids", Florida, CRC Press, (2015).
[12] Shope F.L., Conjugate Conduction-Convection Heat Transfer With a High-Speed Boundary Layer, Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 8: 275-281 (1994).
[13] Engblom W., Fletcher B., Georgiadis N., Conjugate Conduction-Convection Heat Transfer for Water-Cooled High-Speed Flows, in 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 4653 (2008).
[14] Kang Y.D., Sun B., Numerical Simulation of Liquid Rocket Engine Thrust Chamber Regenerative Cooling, Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 25: 155-164 (2011).
[15] Tariq R., Khalid S., Zafar H.A., Numerical Simulation of a Regenerative Cooling System in a Cryogenic Rocket Engine, Fifth International Conference on Aerospace Science and Engineering, 1-7 (2017).
[16] Winterton R.H., Where Did the Dittus and Boelter Equation Come From?, International Journal of Heat and Mass Transfer, 41: 809-810 (1998).

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار