طراحي و تحليل عددي ديفيوزر مافوق صوت در سكوي شبيه ساز ارتفاع

Numerical design and analysis of supersonic exhaust diffuser in altitude test simulator

در تحقيق حاضر الگوريتم طراحي ديفيوزر خروجي گاز مافوق صوت از نوع گلوگاه ثانويه براي تست زميني موتورهاي مورد استفاده در ارتفاعات جوي بالاتر از Km 100 ارائه شده است. در اين الگوريتم پارامترهاي هندسي ديفيوزر به دو دسته اصلي و فرعي دسته بندي مي شوند. پارامترهاي اصلي از روش موج ضربه اي قائم با اعمال ضريب تصحيح محاسبه شده و پارامترهاي فرعي از نتايج تجربي گزارش شده از مراجع مختلف تعيين مي گردد. نهايتاً جهت تاييد طراحي و نهايي سازي ضريب تصحيح از شبيه-سازي عددي جريان استفاده مي شود. در تحليل جريان از معادلات تراكم پذير ناوير-استوكس به فرم تقارن محوري به همراه مدل توربولانسي Kω-SST استفاده شده است. روش تحليل عددي حاضر، يك روش تركيبي متشكل از حل فشار-مبناي ناپايا جهت سرعت بخشيدن به همگرايي حل عددي و چگالي-مبناي پايا جهت افزايش دقت تحليل عددي مي باشد. در اين تحقيق، اعتبارسنجي روش تحليل عددي با استناد به يك مرجع تجربي معتبر انجام شده است. در ادامه، شبيه سازي عددي ديفيوزر طراحي شده براي تست زميني موتور مورد نظر با فشارهاي احتراق مختلف انجام شده است. نتايج تحليل عددي در قالب تشريح برخي از كميت هاي ميدان جريان، مانند عدد ماخ و فشار استاتيك مورد تشريح قرار گرفته و عملكرد ديفيوزر طراحي شده مورد تاييد قرار گرفته است.

In this paper, the design algorithm of a second throat exhaust diffuser applicable in altitude tests of large expansion ratio nozzles is presented. In this algorithm, the geometric parameters of the exhaust diffuser are classified into primary and secondary parts. The primary geometric parameters are calculated from normal shock theory incorporating with a correction coefficient. However, the secondary parameters are selected from the previously reported experimental results. Numerical simulation tool is utilized to satisfy the design candidates and to finalize the correction factor. Axis-symmetric compressible Navier– Stokes equations incorporated with two equation k􀈦-SST turbulence model are solved to extract the supersonic exhaust diffuser flow features. As a first stage of numerical analysis, we use an unsteady pressure-based solver to accelerate the solution procedure. In the second stage, steady density-based solver is used to enhance the accuracy of our solutions. The current numerical method is properly validated by experimental reported results in the literature. Finally, we focused on simulation results of a designed diffuser and described the flow futures at different boundary conditions. The simulation results confirm that the designed diffuser is suitable for proposed altitude test.