تحليل و شبيه سازي عددي توزيع حرارتي موتور پالس جت

Thermal Analysis and Numerical Simulation of the Pulse Jet Engine

موتور پالس͏ جت از جمله ساده ترين موتورهاي جت مي͏باشد. اين موتورها توربين، كمپرسور و يا شفت ندارد و احتراق در آنها به صورت تناوبي صورت مي پذيرد. موتورهاي پالس͏جت در ابتدا جهت استفاده در مقاصد نظامي توسعه و به كار گرفته شد. اما در عصر حاضر با توجه به اينكه روش ساخت و هزينه صرف شده براي توليد آنها بسيار ساده و اندك مي͏باشد از پالس͏جت͏ها به عنوان پيشرانه موشك͏هاي بالستيك، پهپادها و يا مقاصد آموزشي استفاده مي͏شود. در اين مطالعه با شبيه͏سازي عددي احتراق پالسي در يك موتور پالس͏جت بدون دريچه، نمونه و با استفاده از نرم افزار Ansys CFX، توزيع حرارتي و انتقال حرارت روي بدنه يك موتور پالس͏جت نمونه با سوخت پروپان شبيه͏سازي شده و همچنين در راستاي توسعه عملكرد موتورهاي پالس͏جت اثرات تغيير هندسه و نوع سوخت، دو نمونه پالس͏جت يكي با طول 2/1 برابر و ديگري با سوخت متان، مورد تحليل و بررسي قرار گرفته است. در اين شبيه͏ سازي از روش حل معادلات جداگانه استفاده شده و احتراق با گسسته͏سازي اويلر مرتبه دوم عقب͏رو، مدل گرديده͏اند. معادله مومنتوم نيز از مدل آشفتگيK-Ɛ استاندارد به صورت ناپايا حل شده و مدل واكنش تك مرحله͏اي وستبروك͏دراير همراه با EDM، نيز جهت شبيه͏ سازي فرآيند احتراق، در نظر͏گرفته شده است. در ورودي دامنه محاسباتي شرط مرزي دبي ورودي براي تعيين شار جرمي و از مقادير دماي محيط و فشار يك اتمسفر براي شرايط مرزي ورودي استفاده شده است. شبكه توليد شده از نوع سازمان يافته و استقلال حل از شبكه نيز انجام گرفته است. نتايج حاصل از مطالعات عددي نشان داد كه بيشينه دماي پوسته در انتهاي اگزوز به وجود آمده و توزيع حرارتي براي متان باعث انتقال منطقه اكسترمم دمايي به سمت محفظه احتراق گرديده است. همچنين افزايش طول مجراي خروجي تغيير محسوسي را در توزيع حرارتي ايجاد شده روي پوسته موتور ايجاد نمي͏كند و تنها باعث افزايش فركانس فرآيند احتراق پالسي در موتور مي͏گردد. با توجه به دماي پوسته و شار حرارتي انتقال يافته از محفظه احتراق، براي بدنه پالس͏جت مي͏توان از فولادهاي ضدزنگ با گريدهاي SS316،SS310 ، SS304 و نيز سوپر آلياژهاي كرم- نيكل وكربن استفاده نمود.

Pulse jet engine are the simplest jet engines. These engines have no turbine, compressor or shaft and their combustion are periodic. The pulse jet engine originally was developed and deployed for military purposes. However, nowadays due to the method of manufacture and low cost of production, the pulse jet engines are deployed as driver for Ballistic missiles, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) and educational purposes. In this study, by exploiting numerical simulation of pulse combustion in a sample of pulse jet engine and using Ansys CFX, heat distribution and heat transfer on the body of a pulse jet motor with Propane as the fuel have been simulated. Moreover, in order to consider the effects of fuel type and motor geometry on the performance development of pulse jet, two samples of pulse jet engines have been analyzed and investigated: one engine with length of 1.2 times of the other; and the other engine with Methane as the fuel. In this simulation, solution of differential equations were applied and combustion has been modeled by the backward Second order Euler Discretization. The momentum equation was solved using standard k-Ɛ turbulence model in unsteady mode and Westbrook–Dryer single-step reaction model with EDM is also employed for simulation of the combustion process. To determine the mass flux boundary, the boundary condition is in the inlet amplitude of inlet discharge and ambient temperature values and pressure of one atmospheric in engine inlets is assumed as a boundary condition. The production grid is structured and independency of solution from the grid have been also performed. The results of numerical analysis indicate that maximum temperature of shell has occurred at the exhaust end and heat distribution for Methane has led to the transfer of thermal extremum to combustion chamber. In addition, the length increase of urethra does not affect the heat distribution on the shell and it only leads to frequency increases of pulse combustion process in the engine. By taking into consideration of skin temperature and heat flux transferred from the combustion chamber, the body of pulse jet can be made of stainless steel with grades of SS316, SS310, SS304 and Super alloys such as Chromium-nickel and carbonate.