Sıvı yakıtlı roket motorlarında çarpışmalı enjektörlerin atomizasyon karakteristiklerinin incelenmesi

Abstract

Çarpışmalı jet enjektörler genellikle sıvı yakıtlı roket motorlarında kullanılan, uygulanabilirliği ve üretimi kolay yüksek verimli enjektör tipleridir. Özdeş veya farklı sıvı jetlerin belirli bir açıda belirli bir noktada çarpışmasını, çarpa sonucu sıvı bir tabaka oluşmasını ve oluşan tabakada meydana gelen kararsızlıklardan dolayı tabakanın koparak damlacıklara ayrılmasını sağlar. Jetlerin hızı, aralarındaki açı, sayısı ve içinden geçen sıvının özellikleri gibi parametreler birincil ve ikincil parçalanmayı belirler ve dolayısıyla yanma kararlılığı ve performansını doğrudan etkiler. Bu tez kapsamında ikili özdeş, ikili özdeş olmayan ve üçlü özdeş çarpışmalı enjektörlerin, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) kullanılarak analizleri gerçekleştirilmiştir. İlk olarak ikili özdeş çarpışmalı enjektör için analizler yapılmış ve literatürde bulunan deneysel bir çalışma ile doğrulanmıştır. İkinci olarak da ikili eş olmayan ve üçlü eş çarpışmalı enjektör analizleri tamamlanmıştır. İlk kısımda, türbülansı modelleyebilmek için Büyük Burgaç Benzetimi ve zamana bağlı Reynolds-Ortalamalı Navier Stokes yaklaşımları kullanılmıştır. İki farklı yaklaşımın da literatürdeki deney sonuçlarına göre karşılaştırılması yapılmış olup 18.5 m/s giriş hızındaki özdeş jetlerin, sıvı tabaka oluşumu ve damlacık-boyut dağılımı incelenmiştir. Analizler için en küçük hücre boyutunu kontrol ederek dinamik çözüm ağı uygulanmış ve farklı sayıdaki çözüm ağlarının deneye olan yaklaşımı incelenerek, çözüm ağından bağımsızlaştırma işlemi gerçekleştirilmiş ve çözüm ağı II seçilerek sonraki çalışmalar bu çözüm ağı üzerinden devam etmiştir. İkinci kısımda ise, öncelikle özdeş olmayan ikili jetin çarpışma analizleri gerçekleştirilmiştir. Özdeş olmayan jetler için sıvı metan ve sıvı oksijen kullanılmış ve sıvı tabaka oluşumu ile damlacık çap dağılımı incelenmiştir. Özdeş olmayan ikili jet analizlerinden sonra üçlü çarpışmalı eş enjektör analizleri yapılmıştır. Üç enjektörden de ikili enjektör için kullanılan koşullarda su gönderilerek, sıvı tabakanın kopma uzunluğu ve damlacık-boyut dağılımının farklılıkları incelenmiştir. Bu kısımdaki analizler için çözüm ağı II kullanılmış ve yeni bir çözüm ağı çalışması yapılmamıştır. İkili çarpışmalı özdeş enjektör analizleri Faz Doppler Parçacık Analizörü (Phase Doppler Particle Analyzer-PDPA) sonuçları ile uyum içerisinde olup ikili özdeş olmayan ve üçlü çarpışmalı enjektörler için bir deney sonucu bulunmamaktadır. Genel olarak jet hızı arttıkça damlacık boyutları küçülmektedir. Bunun nedeninin hızların artmasıyla türbülansın güçlenmesidir. Türbülans ne kadar güçlenirse kararsızlık o kadar artacak ve parçalanma daha güçlü olacaktır.

Impinging liquid jet injectors are high efficiency injector types, which are typically used in liquid fuel rocket engines, with applicability, low cost and easy to manufacture. It allows the identical or different liquid jets to collide at a certain point at an angle, to form a liquid sheet as a result of the impact, and to break the layer into droplets due to instability in the formed sheet. Parameters such as the speed of jets, angle between jets, number of jets, and properties of the fluid passing through the jets directly affect the primary break-up process and thus the combustion stability and performance. In this work, like-on-like doublet, unlike doublet and triplet injectors were analyzed using computational fluid dynamics (CFD). Firstly, the analyzes were performed for a like-on-like doublet impinging injector and validated by an experimental study in the literature. Secondly, CFD analyzes of unlike doublet and triplet impinging injectors were carried out. In the first part, Large Eddy Simulation (LES) and Reynolds-averaged Navier Stokes ( RANS ) approaches were used for modelling the turbulence. Two different approaches were compared according to the experimental results in the literature and liquid sheet formation and droplet-size distribution at different jet velocities were examined. For this study, adaptive mesh refinement (AMR) method was applied by controlling the smallest grid size. The mesh independence was performed by examining the agreement of the different number of grids with the experiment, and therewith medium mesh was selected and subsequent studies continued over that computational mesh. In the second part, CFD analyzes of an unlike doublet injector are performed with liquid oxygen and liquid methane to investigate the atomization characteristics of a real oxidizer and fuel couple. After that, triplet impinging-jet injector analyzes were performed under the conditions used for the like-on-like doublet injector. Water was used for all three injectors and the differences in the sheet break-up length and droplet-size distribution were investigated. these two different studies were compared with the results of like-on-like injector studies accomplished in the first part. The medium computational grid was used for the analyzes in the second and third part. The analysis of like-on-like doublet impinging injector have a good agreement with Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA) results for the droplet-size distributions. In general, droplet sizes decreased with increasing jet velocity. The reason for this is that turbulence is strengthened by increasing velocity. The stronger turbulence makes the greater instability and the stronger atomization.