بررسي عددي سه بعدي خنك كاري بازيابي در موتور موشك سوخت مايع

Numerical investigation of three-dimensional regenerative cooling in liquid propellant rocket engines

در اين مقاله، خنك‌كاري بازيابي در موتور موشك سوخت مايع مطالعه و بررسي شده است. مدلسازي هندسي سه‌بعدي و مش بهينه توسط نرم‌افزار تجاري گمبيت و تحليل عددي سه‌بعدي، كه با نوشتن UDF همراه بوده است، توسط نرم‌افزار انسيس فلوئنت ويرايش 15 انجام شده است. اين تحليل براي دو سيال خنك‌كنندة آب و هيدروژن مايع، همچنين براي سه سوخت هيدروژن مايع، RP-1 و JP-4 انجام و نتايج با هم مقايسه شده است. اين نتايج نشان مي‌دهند كه در ناحية گلوگاه، شار حرارتي عبوري از ديوارة محفظة تراست و دماي ديواره به حداكثر مقدار خود مي‌رسد. در صورت استفاده از سيال خنك‌كنندة هيدروژن مايع به‌جاي آب به 97 درصد دبي كمتر براي رسيدن به دماي مطلوب نياز است. همچنين با افزايش فشار محفظة پيشران موتور موشك سوخت مايع، شاهد افزايش دماي گازهاي محترقه بوده و در نتيجه شار ورودي به ديوارة محفظه افزايش مي‌يابد. در نهايت، تأثير استفاده از مواد مدرج تابعي (اف. جي. ام.) بر دماي ديواره مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته و مشاهده مي‌شود كه در صورت استفاده از اين مواد در ساخت محفظة پيشران، با توجه به استفاده از سراميك در اين مواد و ماهيت عايق‌بودن سراميك، دماي ديواره حدود 25 درصد افزايش، انتقال حرارت از محفظة پيشران به مقدار قابل توجهي كاهش و نهايتاً رانش افزايش خواهد يافت.

In this paper, regenerative cooling in liquid propellant rocket engine has been studied and investigated. Gambit® is used for mesh generation and 3D modeling. Ansys Fluent® 15 is used for 3D numerical analysis by writing UDF code. This analysis has been done and compared for water and liquid hydrogen as liquid cooler and also liquid hydrogen, RP-1 and JP-4 as a rocket fuel. Results have shown that maximum heat flux and wall temperature occurred in nozzle throat. If used liquid hydrogen coolant instead of water we need 97% less flow to reach the desired temperature. Also by increasing thrust chamber pressure, the heat flux and wall temperature have been increased. Finally the effect of using functionally graded material (FGM) in wall temperature has been studied and investigated. If these materials used in construction of thrust chamber and due to the use of ceramics in this materials and the nature of ceramics insulator, wall temperature increased about 25 percent and the heat transfer will decrease significantly from the thrust chamber wall and therefore increase the thrust.