بررسی تجربی سیستم خنک‏ کاری با اسپری آب دیفیوزر خروجی گاز مافوق صوت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه پژوهشی پیشران/پژوهشکده سامانه های حمل ونقل فضایی/ پژوهشگاه فضایی ایران، تهران/ایران

2 دانشکده هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

3 گروه پژوهشی پیشران/پژوهشکده سامانه‌های حمل و نقل فضایی

چکیده

به منظور آزمون عملکرد موتورهای مورد استفاده در ارتفاعات بالا از سکوی شبیه‌ساز ارتفاع مجهز به دیفیوزر ً، دمای گاز خروجی از نازل این موتورها بسیار بالاتر از حد تحمل بدنه فلزی خروجی گاز مافوق‌صوت استفاده می‌شود. غالبا دیفیوزر است. در تست موتورهای سوخت جامد برخورد ذرات اکسید آلومینیوم با دمای بالاتر از 2500 درجه سانتی‌گراد به دیواره دیفیوزر شرایط انتقال حرارت را در محل برخورد بحرانی می‌کند. هدف تحقیق حاضر ارزیابی روش خنک‌کاری با اسپری آب بدنه فلزی یک دیفیوزر با انجام تست‌های تجربی با یک موتور سوخت جامد آزمایشگاهی می‌باشد. ابتدا به منظور شناسایی نقاط بحرانی دمایی، تست موتور با فشار متوسط 60 بار و دمای محفظه 3100 درجه سانتیگراد در شبیه‌ساز خالء بدون خنک‌کاری دیفیوزر فلزی انجام شده است. نتایج حاکی از رسیدن دمای بدنه دیفیوزر در ناحیه ورودی و همگرایی به دمای بالاتر از 1500 درجه سانتی‌گراد است، به طوری‌که منجر به ذوب و سوراخ شدن بدنه دیفیوزر در این ناحیه شده است. در ادامه دو تست دیگر با فشارهای موتور میانگین 33 و 55 بار به همراه خنک‌کاری بدنه دیفیوزر با اسپری آب انجام شده است. نتایج نشان می‌دهد که در دو تست خنک‌کاری انجام شده بیشترین دما در سطح بیرونی دیفیوزر به مقادیری کمتر از 200 و 400 درجه سانتی‌گراد رسیده و تا انتهای تست ثابت مانده است. همگرا شدن بیشینه دماهای ثبت شده در سطح بیرونی دیفیوزر به دماهای مورد انتظار در این تست‌ها تاییدی بر عملکرد مناسب سیستم خنک‌کاری طراحی شده می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental Study of the Supersonic Exhaust Diffuser Spray Cooling System

نویسندگان [English]

  • Nematollah Fouladi 1
  • seyed Ahmadreza Mirbabaei 2
  • Mehdi Khosroanjom 3
1 Space Transportation Research Institute, Iranian Space Research Center, Tehran, Iran
2 Department of Aerospace Engineering, Sharif University of Technology
3 Space Transportation Research Institute, Iranian Space Research Center, Tehran, Iran
چکیده [English]

A supersonic exhaust diffuser provides the required test cell vacuum conditions by self pumping of nozzle exhaust gases to the atmosphere in the high-altitude simulator. However, the plume temperature is often much higher than the allowable temperature of the diffuser structure. In the present study, a spray cooling system design method is presented for a supersonic exhaust diffuser. The method is evaluated by performing several experimental tests. First, in order to identify the critical temperature region, the test of the motor with a chamber pressure of 60 bar and a chamber temperature of 3100 °C is performed with a non-cooled metal diffuser. The results indicate that the temperature of the diffuser body in the inlet and ramp regions reaches a temperature above 1500 °C, which leads to the melting and perforation of the diffuser in these regions. Two other tests are performed with average motor chamber pressures of 33 bar and 55 bar along with the spray cooling of the diffuser body. The results show that the designed cooling system keeps the maximum temperatures of the external surface of the diffuser at the values smaller than 200 and 400 °C in these tests. The achieved critical temperatures are well-matched with the respected ones in the design procedure.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Supersonic exhaust diffuser
  • water spray cooling
  • Experimental test
[1]  K. Schäfer, H. Zimmermann, G. Kruhsel, Altitude simulation bench for VINCI Engine, In 39th AIAA/ ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, (2003) p. 5043.
[2]  R. Manikanda Kumaran, T. Sundararajan, D. Raja Manohar, Simulations of high altitude tests for large area ratio rocket motors, AIAA journal 51(2) (2012) 433-443.
[3]  H. G. Sung, S. Yoon, H. Yeom, J. Kim, Y. Kim, Y. Ko, Y. Kim, S. Oh, Study on design- and operation- parameters of supersonic exhaust diffusers,46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA Paper 2008-855 (2008) 1-11. DOI: 10.2514/6.2008-855
[4]  M.J. Trout, T. Mccoy, A computational model for diffuser heat transfer analysis, 16th Thermophysics Conference, Paper 1981-1123 (1981) 1-7. DOI: .3211-1891.6/4152.01
[5]  K. Yim, K. Kim, S. Kim, A numerical study on flow and heat transfer characteristics of supersonic second throat exhaust diffuser for high altitude simulation, Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, 18(5) (2014) 70-8.
[6]  K. Annamalai, K. Visvanathan, V. Sriramulu, K.A. Bhaskaran, Evaluation of the performance of supersonic exhaust diffuser using scaled down models, Experimental Thermal and Fluid Science, 17(3) (1998) 217-29.
[7]  P. Ducasse, Rocket altitude test facilities register, AGARD-AG-297, ISBN 92-835-0404-6, (1987) 1-74.
[8]  Propulsion research group, Arash 22 motor development serial tests, Tehran, Space Transportation Research Institute, Upper Stage IranSat2 project, Report number: STRI-SC9SDC11Y/01-R-I-03/49, (2016) 1-41.
[9]  I. Mudawar, Recent advances in high-flux, two-phase thermal management, J.Therm. Sci. Eng. Appl. 5 (2013) 021012.
[10] G. Liang, I. Mudawar, Review of spray cooling–Part 1: Single-phase and nucleate boiling regimes, and critical heat flux, International Journal of Heat and Mass Transfer, 115 (2017) 1174-1205.
[11] G. Liang, I. Mudawar, Review of spray cooling–Part 2: high temperature boiling regimes and quenching applications, International Journal of Heat and Mass Transfer 115 (2017) 1206-1222.
[12] M. Langari, Z. Yang, J.F. Dunne, S. Jafari, J.P. Pirault, C.A. Long, J.T. Jose, Multiphase computational fluid dynamics–conjugate heat transfer for spray cooling in the non-boiling regime. The Journal of Computational Multiphase Flows, 10.1 (2018) 33-42.
[13] R. Zhao, W.L. Cheng, Q.N. Liu, H.L. Fan, Study on heat transfer performance of spray cooling: model and analysis, Heat and mass transfer, 46(8-9) (2010) 821-9.
[14] M. Soltani, A. Pola, G.M. La Vecchia, M. Modigell, Numerical method for modelling spray quenching of cylindrical forgings, La Metallurgia Italiana, 7(8) (2015) 33-40.
[15] W.P. Klinzing, J.C. Rozzi, I. Mudawar, Film and transition boiling correlations for quenching of hot surfaces with water sprays, Journal of Heat Treating, 9(2) (1992) 91-103.
[16] N. Fouladi, A. Mohamadi, H. Rezaei, Numerical design and analysis of supersonic exhaust diffuser in altitude test simulator, Modares Mechanical Engineering, 16 (8) (2016) 40-80 (in Persian).
[17] A. Mirbabaei, design and analysis of hot gas diffuser for high altitude simulation, MSc Thesis, Department of Aerospace Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, (2018). (in Persian)
[18] M. Ciofalo, A. Caronia, M. Di Liberto, S. Puleo, The Nukiyama curve in water spray cooling: its derivation from temperature–time histories and its dependence on the quantities that characterize drop impact, International Journal of Heat and Mass Transfer, 50(25-26) (2007) 4948-66.
[19] N. Mascarenhas, I. Mudawar, Analytical and computational methodology for modeling spray quenching of solid alloy cylinders, International Journal of Heat and Mass Transfer, 53(25-26) (2010) 5871-83.
[20] Propulsion research group, Thermal protection of diffuser metal body using a cooling system, Tehran, Space Transportation Research Institute, Report number: STRI-SSD9980-01-R, (2018) 1-106.
[21] A.J. Brune, S. Hosder, D. Campbell, S. Gulli, L. Maddalena, Numerical analysis of an actively-cooled low-Reynolds number hypersonic diffuser, In21st AIAA International Space Planes and Hypersonics Technologies Conference, (2017) p. 2363.