مطالعه عددي خنك‌كاري فيلمي در يك رانشگر فضايي

Numerical Investigation of Film Cooling in a Thruster

در اين مقاله، به بررسي مدل­ سازي خنك ­كاري فيلمي يك موتور رانشگر فضايي 10 نيوتني براي دو حالت پروفيل دمايي پيش­فرض ديواره و نيز لحاظ انتقال حرارت در داخل ديواره پرداخته شده است. مطالعه براي چهار نوع مدل فيلم گاز غيرواكنشي، فيلم گاز واكنشي، فيلم مايع غيرواكنشي و فيلم مايع واكنشي انجام شده است. براي مدل ­سازي واكنش ­هاي شيميايي، مكانيزم شيميايي براي مونو متيل هيدرازين و نيتروژن تتروكسيد گردآوري و كاهش داده شده است. بررسي نتايج نشان مي ­دهد كه مكانيزم توسعه داده­شده با 43 گونه شيميايي و 174 واكنش شيميايي قابليت مدل­ سازي تجزيه مونو متيل هيدرازين در لايه مرزي خنك ­شونده را دارد و دمايي با دقت 5 درصد در مقايسه با ساير مراجع براي احتراق مونو متيل هيدرازين و نيتروژن تتروكسيد پيش ­بيني مي­ كند. براي مدل­ سازي جريان خنك­ كننده، در دو حالت مدل ­سازي فيلم گازي و فيلم مايع، لايه سوخت گازي در دماي تبخير مربوط ­به فشار محفظه و يا جريان قطرات سوخت در دبي­ هاي گوناگون به سطح تزريق شده و پارامتر­هاي انتقال حرارت به ديواره گزارش شده ­اند. بر روي دبي خنك­ كن مطالعه پارامتريك صورت گرفته و اثر آن بر خنك­ كاري بررسي شده ­است و پروفيل شار گرمايي محاسبه ­شده با پروفيل شار گرمايي حاصل از روابط تحليلي مقايسه شده ­است. نتايج حاكي از آن است كه براي خنك­ كاري در كامل­ ترين حالت مدل ­سازي (فيلم مايع واكنش ­دهنده) با تزريق 10% سوخت به ­عنوان خنك­ كن، شار گلوگاه در حدود 25% و با تزريق 20% سوخت، در حدود 48% قابل كاهش است. همچنين، نتايج نشان مي ­دهد كه براي حالتي كه انتقال حرارت در ضخامت ديواره لحاظ شود، تزريق حدود 20% سوخت نتيجه نزديكي را به منحني دماي تجربي ديواره به ­دست مي ­دهد.

In this work, film cooling of a 10N thrust chamber is investigated using different numerical models. The thruster is modeled by feeding gas at a chemical equilibrium state from the inlet. Heat flux is computed for different flow rates of the coolant and is compared to the analytical Bartz equation for the no coolant case. In the second part, solid wall heat conduction is modeled, and the computed wall temperature profile is compared to the available experimental data. Chemical dissociation of MMH in the coolant layer is modeled by constructing a chemical mechanism for the reactions of Methyl Hydrazine with Nitrogen Tetroxide. Chemical reactor modeling shows a close prediction to other available data for the combustion of MMH/NTO system. To assess the effect of different cooling mechanisms in the coolant layer, different approaches for heat transfer modeling with different levels of complexity are investigated in this paper. The considered models include cold gas, reactive gas, cold droplets, and a reactive evaporating layer of droplets. For the most sophisticated model considered (reactive evaporating layer of droplets), a 48% reduction of heat flux is computed at the throat when 20% of the fuel is used as the coolant. Also, when solid wall heat conduction is considered, the computed wall temperature profile is closest to the experimental data for the case of 20% of the fuel as coolant.