بررسي عددي ساختار موج ضربه‌اي متحرك در كانال حلقوي

Numerical Investigation of a Moving Shock Wave’s Structure in an AnnularChannel

موتورهاي دتونيشن چرخشي (RDEs) به دليل استفاده از موج احتراقي توام با افزايش فشار، داراي پتانسيل براي دستيابي به بازده بيشتر نسبت به موتورهاي معمولي مي باشند. در اين پژوهش ساختار يك موج ضربه‌اي متحرك مافوق صوت ناشي از احتراق، درون محفظه‌اي با هندسه حلقوي و نسبت طول به قطر (l/d) 3/1 ميلي‌متر توسط نرم افزار فلوينت بررسي شده است. همچنين طراحي يك نمونه آزمايشگاهي آن امكان‌سنجي شد و به دليل وابستگي شديد ايجاد و پايداري موج دتونيشن چرخشي به دبي جرمي و فشار تزريق سوخت و اكسنده، يك سامانه تغذيه به صورت كاملا اتوماتيك طراحي شد. با توجه به تغييرات ناچيز پارامترهاي ترموديناميكي در راستاي شعاعي ميدان جريان محفظه و كاهش هزينه‌هاي محاسباتي، از مدل دوبعدي هندسه طراحي شده استفاده شده ‌است. نتايج شبيه‌سازي ميدان جريان با نتايج تجربي مقايسه و صحت‌سنجي شده است. نتايج حاكي از آن است كه وقتي يك موج ضربه‌اي دتونيشن به داخل يك مخلوط واكنش‌دهنده محصور با گاز بي‌اثر (محصولات سيكل قبلي) منتشر مي‌شود، يك موج ضربه‌اي مايل در بالاي موج دتونيشن جهت هماهنگ كردن فشار پشت جبهه دتونيشن و منطقه گاز بي‌اثر، تشكيل مي‌شود و ساختار دتونيشن- موج ضربه‌اي را ايجاد مي‌كند. همچنين مشاهده شد كه سرعت، فشار و دماي موج دتونيشن در حالت استوكيومتريك بيشينه مي‌باشد و افزايش طول محفظه، در فشار تزريق پايين و بالا، به ترتيب موجب افزايش و كاهش ارتفاع جبهه دتونيشن مي‌شود.

Rotating detonation engines, due to utilizing pressure gained combustion wave, are capable of reaching higher efficiency in comparison with ordinary engines. In this research, structure of a combustion induced moving supersonic shock wave in an annular channel possessing a length-to-diameter ratio (l?d) of 1.3 is investigated numerically using FLUENT software. Furthermore, feasibility study for a laboratory exclusively devoted to studying rotating detonation engines (RDEs) has been performed during which due to the high sensitivity of the formation and stability of the rotating detonation waves to mass flow rate and fuel and oxidizer injection pressures, a completely automated system has been designed to handle the difficulties encountered in feeding system. Considering negligible variations of thermodynamic parameters in radial direction, a 2-D model was employed to reduce computational costs, results of which were verified with those of the experiments. Obtained results suggest that when a detonation shock wave propagates into an entrained mixture of reactants or inert gas (exhausts from previous cycle), an oblique shock wave forms above the detonation wave to regulate the pressure behind the detonation wave and the inert gas region, which itself leads to formation of a detonation-shock wave structure. Maximum speed of the detonation waves and maximum pressure behind them can be achieved using stoichiometric mixtures. Furthermore, increasing channel length at low and high injection pressures would lead to an increase and decrease of the detonation front height, respectively.