طراحي و تحليل انژكتور سوخت پاش فشاري-چرخان با اسپري توپر براي رانشگر كاتاليستي

Design and Analysis of Pressure- Swirl Fuel Injector with Full- Cone Spray for Catalytic Thruster

رانشگرهاي تك‌مولفه‌اي سيستم كنترل وضعيت، يك نياز براي توسعه و كاربردي‌سازي ماهواره‌ها و كپسول هاي فضايي مي‌باشند كه از فناوري بالا و گران‌قيمتي نيز برخوردارند. در اين مقاله، طراحي و محاسبات يك انژكتور فشاري-چرخان با اسپري مخروطي توپر به عنوان انژكتور سوخت يك رانشگر تك مولفه اي كم‌پيشران، ارائه شده است. براي اين انژكتور، شبيه سازي جريان داخلي به‌منظور پيش‌بيني مشخصه‌هاي جريان خروجي آن انجام گرفته است. اين مشخصه‌ها شامل زاويه مخروط پاشش، توزيع سرعت خروجي، دبي جرمي، الگوي پاشش و غيره است. بدين منظور از روش حجم سيال VOF استفاده شده و آشفتگي جريان نيز با استفاده از مدل k-3 شبيه‌سازي شده است. نتايج اين بررسي‌ها در مقاله به تفصيل ارائه و بحث شده است. اين نوع انژكتور در واقع تركيبي از انژكتور جريان مستقيم و انژكتور گريز از مركز مي باشد. جريان مستقيم در مركز انژكتور و جريان چرخشي در كنار ديواره انژكتور جريان دارد. هر دو رژيم جريان در محفظه چرخش با يكديگر تركيب شده و چتر پاشش به صورت مخروط توپر در نازل تخليه انژكتور تشكيل مي گردد. اگر نسبت دهانه هاي خروجي به درستي انتخاب شود، توزيع شعاعي و محيطي جت مايع يكنواخت مي شود. اين انژكتور براي سامانه هاي كم پيشران نسبت به نوع كاپيلاري (جريان مستقيم) و نوع جريان چرخشي ارجحيت دارد. زيرا هم چتر پاشش بزرگتري نسبت به نوع جريان مستقيم دارد كه پوشش دهي كاتاليست را بهتر مي كند و در عين حال چتر پاششي كه ايجاد مي كند به بزرگي حالت انژكتور جريان پيچشي نيست كه ابعاد شعاعي محفظه را بزرگ كند و نيز توپر است كه پوشش دهي بهتر كاتاليست را تامين مي كند.

The monopropellant thrusters of the situation control system are a requirement for the development and application of satellites and space capsules in space, which are high-tech and expensive. In this paper, the design and simulation of a pressure- swirl injector with full-cone spray as a fuel injector of a monopropellant thruster are presented. For this injector, internal flow simulation was performed in order to predict its output flow characteristics including spray cone angle, output velocity distribution, mass flow rate, spray pattern, etc. For this purpose, VOF fluid volume method is used and the flow turbulence is simulated using the k-eps model. This type of injector is actually a combination of straight flow injector and swirl flow injector. Jet straight flow in the center of the injector and swirl flow along the injector wall are flowed. Both flow regimes are combined in the swirl chamber and the spray is formed as a full-cone. If the ratio of the outlets is selected correctly, the radial and environmental distribution of the liquid jet will be uniform. This injector is preferred to the capillary type (straight flow) and the swirl type. The pressure-swirl injector spray angle is larger than the capillary type, which improves the coverage of the catalyst bed, at the same time, spray angle is not as large as the swirl injector, which enlarges the radial dimensions of the decomposition chamber. Based on the results, it was ensured that the injector provides the desired mass flow rate (about 5.8 gr/s) at a certain design pressure difference (3 bar) and determines a suitable spray pattern. It also provides the desired spray angle (about 35°).