تأثير هندسه داخلي انژكتور سوخت يك رانشگر تك مولفه اي هيدرازيني 10 نيوتني بر مشخصه هاي لايه سيال خروجي از آن

The Effect of internal geometry of the fuel injector of a 10N Monopropellant Hydrazine Thruster on the outlet liquid sheet characteristics

رانشگرهاي هيدرازيني، پركاربردترين رانشگرهاي سامانه‌هايِ هدايت و كنترل وضعيت محموله‌هاي بازگشتي و سرنشين‌دار ميباشند. در اين مقاله، تأثير هندسه داخلي انژكتور بر مشخصه هاي لايه سيال خروجي از آن نظير ضخامت لايه، زاويه مخروط پاشش، سرعت ميانگين و همچنين دبي جرمي آن، مطالعه شده است. مطالعات پارامتري پيرامون هندسه پايه انژكتور مورد مطالعه مربوط به يك رانشگر تك مولفه اي هيدرازيني 10 نيوتني است. اين انژكتور، به­گونه­اي طراحي شد كه يك زاويه پاشش متوسط و ضخامت لايه خيلي كم به ­دست مي­ دهد كه با توجه به محدوديت طول محفظه­ كاتاليستي مناسب بوده و پودرسازي ريزتري به­ دست ­دهد. بدين منظور، شبيه سازي جريان داخلي انژكتور بر پايه ديناميك سيالات محاسباتي با استفاده از روش حجم سيال (VOF) به‌منظور پيش بيني مشخصه هاي جريان انجام شد و آشفتگي جريان نيز با استفاده از مدل k-e شبيه‌سازي شد. سپس مطالعات پارامتريك براي بررسي تأثير هندسه صورت گرفت. شبيه سازي به كمك نرم افزارهاي انسيس-وركبنچ و انسيس-فلوئنت انجام شد. نتايج اين بررسي ها نشان داد كه ساختمان داخلي انژكتور و فاكتورهاي مختلف هندسي آن، تأثير قابل توجهي بر كنترل مشخصه هاي لايه سيال خروجي دارد. نتايج نشان داد بيشترين تأثير را بر روي مشخصات اسپري خروجي، نسبت شعاع گردش سيال به شعاع نازل و به شعاع مجراي ورودي دارند. به‌طوري كه سرعت ميانگين كمينه در نسبت هاي بالاي شعاع گردش سيال به شعاع نازل و به شعاع مجراي ورودي محقق گرديده و سرعت ميانگين بيشينه در نسبت هاي كوچك آن به‌دست مي آيد.

Hydrazine monopropellant thrusters are most widely used for navigation and control systems of re-entry and manned payloads. In this paper, the effect of the internal geometry of the injector on the characteristics of the outlet liquid sheet, such as the liquid sheet thickness, the spray cone angle, the average output velocity, and its mass flow rate, has been studied. The injector chosen for the case study is the fuel injector of a 10N monopropellant hydrazine thruster. This injector was designed in such a way to achieve a medium spray angle and a very small sheet thickness, which is suitable considering the limited length of the catalytic chamber and leads to finer atomization. For this purpose, simulation of the internal flow based on the computational fluid dynamics is performed to predict the output flow characteristics, and then parametric studies are conducted to investigate the effects of geometry. The results of these studies show that the internal structure of the injector has a great influence on the control of the characteristics of the liquid sheet, and the ratios of fluid swirl radius to the nozzle radius/inlet duct radius have the greatest effect on the output spray characteristics, so that minimum average speed is achieved at larger ratios and maximum average speed is obtained at smaller ratios.