طراحي نازل اسپايك و مقايسه مدل هاي آشفتگي براي شبيه سازي عددي ميدان جريان آن در شرايط طراحي و خارج طرح

Design of Spike Nozzle and Comparison of Turbulence Models in Numerical Simulation of its Flow-field in Design and Off-design Conditions

اين پژوهش، تلاشي براي طراحي نازل اسپايك و شبيه‌سازي عددي ميدان جريان آن در شرايط مختلف است. به اين منظور روش‌هاي طراحي اين نوع نازل بررسي و كد طراحي پروفيل آن تدوين شد. سپس به كمك ديناميك سيالات محاسباتي، رفتار جريان اين نازل به‌صورت عددي شبيه‌سازي گرديد. براي انجام شبيه‌سازي‌ها از چهار مدل‌ آشفتگي مناسب براي فيزيك نازل اسپايك استفاده شد تا علاوه بر مدل‌سازي عملكرد نازل در شرايط طراحي و خارج طرح و نيز مقايسه تفاوت‌هاي جريان در حالت‌هاي مختلف، بهترين مدل آشفتگي از لحاظ دقت و صحت نتايج مشخص شود. براي اطمينان از صحت شبيه‌سازي‌ها، نتايج عددي با نتايج تجربي موجود مقايسه شد و مشخص گرديد كه مدل‌هاي مذكور در صورت بهره‌مندي از شبكه محاسباتي با كيفيت و با ابعاد مناسب در نزديكي ديواره نازل، مي‌توانند جريان اطراف آن را با تقريب قابل قبولي شبيه‌سازي كنند. همچنين اين مقايسه‌ها نشان داد كه مقدار فشار روي ديواره اسپايك در مدل k-ε,Realizable به طور معمول منطبق بر نتايج تجربي و در بدترين شرايط با اختلاف 15 درصد محاسبه شده است و بر اين اساس نسبت به ساير مدل‌ها نتايج نزديك‌تري به داده‌هاي تجربي دارد. از طرف ديگر مقايسه عكس‌هاي گرفته شده از جريان حول نازل در طول آزمايش‌هاي تجربي با كانتورها و نمودارهاي حاصل از تحليل‌هاي عددي، حاكي از توانايي بالاي روش عددي مورد استفاده در پيش‌بيني فيزيك جريان حول نازل اسپايك است. بنابراين مي‌توان ادعا كرد كه اجراي روند پيموده شده در اين پژوهش، محققان را از انجام تست‌هاي سرد در طول طراحي و ساخت نازل اسپايك بي‌نياز مي‌سازد.

This study is an attempt to design a spike nozzle and simulate its flow-field in different conditions. Hence, spike nozzle design methods were studied and accordingly the design code was developed. Then the behavior of flow in this type of nozzle was simulated numerically by means of computational fluid dynamics. In order to conduct the simulations, four turbulence models suitable for solving the flow-field of spike nozzle were used, not only to model the performance of the nozzle in design and off-design conditions, but also to identify the best model for the accuracy of the solutions. To ensure the accuracy of the simulations, numerical results and experimental data were compared. It was found that applied models in case of using high quality grids with proper dimension near the nozzle walls, can predict the nozzle flow pattern with acceptable approximation. Also, the comparisons revealed that the amount of pressure on the spike wall calculated by Realizable k-ε model, is generally identical with experimental results and in the worst condition the difference between them is 15%, so this model has the best agreement with experimental results. Besides, comparison of photos taken during experiments and extracted contours from numerical analysis, shows the high ability of applied numerical method to predict spike nozzle flow-field. Therefore, it can be claimed that by using the proposed method in this research, there is no need to perform cold-flow tests during the design and construction of spike nozzles.