مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی عددی اثرات هندسه تخلخل در طراحی بستر تجزیه پیشران‌های تک‌سوخت

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
1 گروه هوافضا، دانشکده مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
2 پژوهشگاه هوافضای ایران، وزارت علوم، تحقیقات و فناوری، تهران، ایران
چکیده
ایده طراحی هندسی بستر متخلخل کاتالیستی برای محفظه تجزیه سوخت در پیشران‌های تک‌سوخت با به کارگیری شبیه‌سازی عددی جریان توربولنت در مقیاس حفره در این مقاله ارائه شده است. روش عددی شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ (ال. ای. اس.) به منظور شبیه‌سازی ساختارهای جریان توربولنت در میدان جریان به کار رفته است. کارآیی و قابلیت اطمینان نتایج به دست آمده از روش شبیه‌سازی عددی با حل یک مسأله نمونه مشخص شده است. نتایج در مقایسه با داده‌های تجربی همخوانی بسیار مناسبی را نشان می‌دهند که بیانگر صحت روند حل عددی و مدل‌های استفاده شده است. ویژگی‌های جریان توربولنت در دو هندسه مختلف با روش عددی بررسی شده است. نتایج با هدف سنجش اثربخشی تغییرات هندسی بر پارامترهای مرتبط با واکنش کاتالیستی ارائه و تحلیل شده است. تمام شبیه‌سازی‌ها بدون در نظر گرفتن واکنش شیمیایی و به شکل جریان سرد انجام گرفته است و میزان دقیق اثربخشی بهبود هندسه بر ویژگی‌های جریان واکنشی در قالب مقادیر عددی ارائه نشده است. با توجه به شناخته شده بودن اثرگذاری اتلاف و مقیاس‌های طولی بر نرخ واکنش و اختلاط، این کمیت‌ها به عنوان پارامترهای اصلی مورد بررسی قرار گرفته است. تفاوت مقیاس‌های طولی و نرخ اتلاف در جریان‌های بررسی شده در دو هندسه مختلف به طور آشکار نشان‌گر اثربخشی تغییرات هندسی بستر متخلخل بر ویژگی‌های جریان است. علاوه بر ایجاد ساختارهای منظم و قابل کنترل در هندسه ارائه شده، تنش برشی روی دیواره به طور چشمگیری کاهش می‌یابد که باعث افزایش عمر لایه کاتالیستی روی سطح بستر متخلخل خواهد شد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical Investigation of Pore-Structure in Design of Catalytic Beds for Mono-Propellant Thrusters

نویسندگان English

D. Zhaleh 1
F. Ommi 1
Z. Saboohi 2
1 Aerospace Department, Mechanical Engineering Faculty, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Aerospace Research Institute, Ministry of Science, Research, and Technology, Tehran, Iran
چکیده English

The idea of designing new geometries for catalytic bed in the decomposition chamber of monopropellant thrusters is introduced with numerical simulations of pore-scale turbulent flows. The LES numerical technique is used for simulation of turbulent structures in the flow-field. The efficiency and reliability of the results obtained from numerical simulation have been determined by solving a benchmark problem of turbulent flow over the pack of cubes. The results show very good agreement with the experimental data, indicating the accuracy of the used model and numerical solution process. The characteristics of turbulent flow over two different geometries have been investigated using the numerical method. The results have been analyzed to evaluate the effectiveness of geometrical changes on the parameters associated with the catalytic reaction. All simulations have been conducted for cold flow, and the exact effects of the geometrical design of porous bed on reactive flow have not been quantified. The eddy dissipation and length scales of turbulence have been considered as the main parameters, because of their effect on rates of turbulent mixing and rate of reaction. The difference between the turbulent dissipation and length scales in the investigated flows in two different geometries indicates the effectiveness of the geometrical changes of the porous bed on the flow characteristics. Coherent structures are seen in the new geometry and the wall shear stress is reduced significantly, which increases the life of the catalytic coating.

کلیدواژه‌ها English

Porous Media
Monopropellant
turbulence
Large Eddy Simulation
Leomanni M, Garulli A, Giannitrapani A, Scortecci F. Propulsion options for very low Earth orbit microsatellites. Acta Astronautica. 2017;133:444-454. [Link] [DOI:10.1016/j.actaastro.2016.11.001]
Curtis HD. Orbital mechanics for engineering students. 3rd Edition. Oxford: Butterworth-Heinemann; 2013. [Link]
Negri M, Wilhelm M, Hendrich C, Wingborg N, Gediminas L, Adelöw L, et al. New technologies for ammonium dinitramide based monopropellant thrusters-The project RHEFORM. Acta Astronautica. 2018;143:105-117. [Link] [DOI:10.1016/j.actaastro.2017.11.016]
Smith WO, Foote PD, Busang PF. Packing of homogeneous spheres. Physical Review. 1929;34(9):1271. [Link] [DOI:10.1103/PhysRev.34.1271]
Guo N, Leu MC. Additive manufacturing: Technology, applications and research needs. Frontiers of Mechanical Engineering. 2013;8(3):215-243. [Link] [DOI:10.1007/s11465-013-0248-8]
Wang X, Xu Sh, Zhou Sh, Xu W, Leary M, Choong P, et al. Topological design and additive manufacturing of porous metals for bone scaffolds and orthopaedic implants: A review. Biomaterials. 2016;83:127-141. [Link] [DOI:10.1016/j.biomaterials.2016.01.012]
Nimvari ME, Maerefat M, El-Hossaini MK. Numerical simulation of turbulent flow and heat transfer in a channel partially filled with a porous media. International Journal of Thermal Sciences. 2012;60:131-141. [Link] [DOI:10.1016/j.ijthermalsci.2012.05.016]
Chandesris M, Serre G, Sagaut P. A macroscopic turbulence model for flow in porous media suited for channel, pipe and rod bundle flows. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2006;49(15-16):2739-2750. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.12.013]
Teruel FE. A new turbulence model for porous media flows. Part II: Analysis and validation using microscopic simulations. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009;52(21-22):5193-5203. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.04.023]
Kuwahara F, Yamane T, Nakayama A. Large eddy simulation of turbulent flow in porous media. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2006;33(4):411-418. [Link] [DOI:10.1016/j.icheatmasstransfer.2005.12.011]
Kuwata Y, Suga K. Large eddy simulations of pore-scale turbulent flows in porous media by the lattice Boltzmann method. International Journal of Heat and Fluid Flow. 2015;55:143-157. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatfluidflow.2015.05.015]
Kuwata Y, Suga K. Lattice Boltzmann direct numerical simulation of interface turbulence over porous and rough walls. International Journal of Heat and Fluid Flow. 2016;61(Part A):145-157. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatfluidflow.2016.03.006]
Kuwata Y, Suga K. Direct numerical simulation of turbulence over anisotropic porous media. Journal of Fluid Mechanics. 2017;831:41-71. [Link] [DOI:10.1017/jfm.2017.619]
Fallah Jouybary N, Maerefat M, Nimvari ME. Pore scale study on the reacting flow in porous media including flow turbulence. Modares Mechanical Engineering. 2013;13(10):140-151. [Persian] [Link]
Plautz DA, Johnstone HF. Heat and mass transfer in packed beds. AIChE Journal. 1955;1(2):193-199. [Link] [DOI:10.1002/aic.690010211]
Taeibi Rahni M, Sheida M, Esfahanian V. Numerical investigation of non-homogeneity and specific area in porous media on packed bed reactor performance by Lattice Boltzmann Method. Modares Mechanical Engineering. 2018;17(12):446-456. [Persian] [Link]
Raeisi A, Ghafouri HR, Rostamy D. Numerical solution of coupled flow and mass transport equations in porous medium using discontinuous Galerkin method. Modares Mechanical Engineering. 2016;16(11):397-408. [Persian] [Link]
Magnussen B. On the structure of turbulence and a generalized eddy dissipation concept for chemical reaction in turbulent flow. 19th Aerospace Sciences Meeting, 1981 January 12-15, St. Louis, Missouri. Reston: AIAA; 1981. [Link] [DOI:10.2514/6.1981-42]
Pope SB. Turbulent flows. New York: Cambridge University Press; 2001. pp. 30-333. [Link]
Jana SC, Metcalfe G, Ottino JM. Experimental and computational studies of mixing in complex Stokes flows: The vortex mixing flow and multicellular cavity flows. Journal of Fluid Mechanics. 1994:269:199-246. [Link] [DOI:10.1017/S0022112094001539]
Xu D, Chen J. Accurate estimate of turbulent dissipation rate using PIV data. Experimental Thermal and Fluid Science. 2013;44:662-672. [Link] [DOI:10.1016/j.expthermflusci.2012.09.006]
Hinze JO. Turbulence. 2nd Edition. New York: McGraw-Hill; 1975. [Link]
Batchelor Gk. The theory of homogeneous turbulence. Cambridge: Cambridge University Press; 1953. pp. 18-66. [Link]
Saarenrinne P, Piirto M. Turbulent kinetic energy dissipation rate estimation from PIV velocity vector fields. Experiments in Fluids. 2000;29(1):S300-S307. [Link] [DOI:10.1007/s003480070032]
Menon S, Yeung PK, Kim WW. Effect of subgrid models on the computed interscale energy transfer in isotropic turbulence. Computers & Fluids. 1996;25(2):165-180. [Link] [DOI:10.1016/0045-7930(95)00036-4]
Celik IB, Cehreli ZN, Yavuz I. Index of resolution quality for large eddy simulations. Journal of Fluids Engineering. 2005;127(5):949-958. [Link] [DOI:10.1115/1.1990201]
Xie ZT, Castro IP. LES and RANS for turbulent flow over arrays of wall-mounted obstacles. Flow Turbulence and Combustion. 2006;76(3):291-312. [Link] [DOI:10.1007/s10494-006-9018-6]
Stoesser T, Mathey F, Frohlich J, Rodi W. LES of flow over multiple cubes. ERCOFTAC Bulletin. 2003;56:15-19. [Link]
Celik I, Klein M, Janicka J. Assessment measures for engineering LES applications. Journal of Fluids Engineering. 2009;131(3):031102. [Link] [DOI:10.1115/1.3059703]
Fröhlich J, Rodi W. Introduction to large eddy simulation of turbulent flows. In: Launder B, Sandham N. Closure strategies for turbulent and transitional flows. Cambridge: Cambridge University Press; 2002. [Link]
ANSYS. ANSYS fluent theory guide. Canonsburg: ANSYS; 2013. [Link]
Meinders ER, Hanjalić K. Vortex structure and heat transfer in turbulent flow over a wall-mounted matrix of cubes. International Journal of Heat and Fluid Flow. 1999;20(3):255-267. [Link] [DOI:10.1016/S0142-727X(99)00016-8]
Xie Z, Castro IP. LES and RANS for turbulent flow over arrays of wall-mounted obstacles. Flow, Turbulence and Combustion. 2006;76(3):291-312. [Link] [DOI:10.1007/s10494-006-9018-6]
Nikitin NV, Nicoud F, Wasistho B, Squires KD, Spalart PR. An approach to wall modeling in large-eddy simulations. Physics of Fluids. 2000;12(7):1629-1632. [Link] [DOI:10.1063/1.870414]
Hussain AK. Coherent structures and turbulence. Journal of Fluid Mechanics. 1986;173:303-356. [Link] [DOI:10.1017/S0022112086001192]
Aubry N, Holmes P, Lumley JL, Stone E. The dynamics of coherent structures in the wall region of a turbulent boundary layer. Journal of Fluid Mechanics. 1988;192:115-173. [Link] [DOI:10.1017/S0022112088001818]
Zhou J, Adrian RJ, Balachandar S, Kendall TM. Mechanisms for generating coherent packets of hairpin vortices in channel flow. Journal of Fluid Mechanics. 1999;387:353-396. [Link] [DOI:10.1017/S002211209900467X]
Alfonsi G. Coherent structures of turbulence: Methods of eduction and results. Applied Mechanics Reviews. 2006;59(6):307-323. [Link] [DOI:10.1115/1.2345370]
Greer H, King SM, Marx PC, Taylor D. Experimental evaluation of catalysts for monopropellant hydrazine propulsion. Journal of Spacecraft and Rockets. 1971;8(2):105-110. [Link] [DOI:10.2514/3.30228]