شبیه سازی عددی و بررسی انتقال حرارت اختلاط جریان در میکسر کنگره دار یک موتورتوربوفن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مجتمع دانشگاهی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

2 دانشگاه صنعتی مالک اشتر- مجتمع دانشگاهی مکانیک

3 واحد مهندسی تعمیرات موتور، شرکت مهندسی و ساخت توربین مپنا(توگا)

چکیده

میکسر یکی از اجزاء موتورهای توربوفن می باشد که به منظور اختلاط جریان‌های هوای سرد کنارگذر با جریان هوای گرم هسته مرکزی بکار می رود. در این پژوهش، جریان‌های عبوری از میکسر کنگره دار یک موتور توربوفن با کنار گذر بالا شبیه سازی شده است. معادلات ناویراستوکس به صورت سه بعدی و پایا و جریان به صورت تراکم پذیر و مغشوش در نظر گرفته شده است. در ابتدا، روش شبیه سازی، اعتبارسنجی شده، سپس پدیده های انتقال حرارت و اختلاط جریان های سرد و گرم درکنگره های میکسر موتور توربوفن با کنار گذر بالا بررسی شده است. نتایج حاصل از تحقیق نشان می دهد، که با افزایش طول اختلاط، نفوذ هوای سرد در هوای گرم به طور منظم(لایه ای) بیشتر می شود و دمای کل کاهش می‌یابد. بیشترین اثرگذاری خنک کاری مربوط به اختلاط در کنگره های میکسر می‌باشد. میکسر دمای 800 کلوین هوای گرم را با اختلاط به دمای 340 کلوین می رساند. سرعت محوری هوای گرم قبل از ورود به کنگره ‌ها 210 متربرثانیه و با عبور از کنگره های میکسر با اختلاط جریان ها در ابتدا کاهش، سپس در فاصله کوتاهی از میکسر درون محفظه بین نازل و جسم مرکزی افزایش یافته و در نهایت، با خروج جریان از نازل، دوباره کاهش می‌یابد. در نهایت، سرعت‌ عرضی تولید شده در عمق کنگره، تاثیر زیادی بر اختلاط جریان دارد.

کلیدواژه‌ها


 [1].Skebe, S., Paterson, R., and Barber. T., Experimental investigation of three-dimensional forced mixer lobe flow fields”, 1st National Fluid Dynamics Conference, 1988.
[2].Barber, T., Turbofan forced mixer lobe flow modeling. 2: Three-dimensional inviscid mixer analysis (FLOMIX)”, NASA, ISBN: 1730957811, 1988.
[3].Shan, Y., Zhang, J., and Huang, G., “Experimental and numerical studies on lobed ejector exhaust system for micro turbojet engine”, Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, Vol. 5, No. 1, pp. 141-148, 2014.
[4].Xie, Y. and Y.h. Liu, Numerical investigation of mixing length on performance of lobed forced mixer nozzles”, Heat Transfer—Asian Research, Vol, 40, No. 3, pp. 205-216, 2011.
[5].Brinkerhoff, J.R., H. Oria, and M.I. Yaras, Experimental and computational study of mixing mechanisms in an axisymmetric lobed mixer”, Journal of propulsion and power, Vol. 29, No. 5, pp. 1017-103, 2013.
[6].Saegeler, S.F. and C. Mundt. Advanced numerical simulation of mixing hot core and cold bypass flow in modern propulsion systems with internal lobed forced mixer. in 21st AIAA Computational Fluid Dynamics Conference. 2013.
[7].Gu, R., Xu, J., Fan, Z., Wang, Y., Guo, S., Numerical Investigation of Performance of the Air Tab in the Turbofan Nozzle”, Journal of propulsion and power, Vol. 30, No.5, pp. 1272-1280, 2014.
[8].Sheng, Z., Huang, P., and Zhao, T., Configurations of lobed nozzles for high mixing effectiveness”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 91, pp. 671-683, 2015.
[9].Sheng, Z., Jet mixing of lobed nozzles with spoilers located at lobe peaks”, Applied Thermal Engineering, Vol.119: pp. 165-175, 2017.
[10].Lei, H., Fan, W., Zhang, R., Wu, J., Zhang, Y., Xu, H., Effect of inlet pre-whirl on two-dimensional lobed mixer performance”, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, IOP Publishing, Vol. 113, 2018.
[11].Sheng, Z., Liu, J., Yao, Y., Xu, Y., Mechanisms of lobed jet mixing: About circularly alternating-lobe mixers”, Aerospace Science and Technology, Vol. 98, No. 105660, 2020.
[12].Fang, X., Shen, C., Sun, M., Sandberg, R., Wang, P., Flow structures of a lobed mixer and effects of streamwise vortices on mixing enhancement”, Physics of Fluids, Vol. 31, No. 6, pp. 066102, 2019.
[13].İper, B., Ergin, C., Cenik, B., Suer, T., Uslu, S., Investigation of the Effects of Lobe Number and Configuration on Mixing Performance in Lobed Mixer”, AIAA Propulsion and Energy Forum, AIAA No. 2020-3778, 2020.
[14].Krasnodebski, J. K., Numerical simulations of lobed mixer flow fields”, Massachusetts Institute of Technology,Ms.c Thesis, 1995.
[15].Wang, S., Li, L., and Zhang, J., Grid generation and numerical analysis of multi-stream flow in the complex channel with a forced mixer lobe”, Journal of Thermal Science, Vol. 13, No. 2,  pp. 167, 2014.
[16].Recktenwald, G., The k-e Turbulence Model”, ME, Vol. 448, p. 548, ID. 53006658, 2009.
[17].Barber, T., R. Paterson, and S. Skebe, Turbofan forced mixer lobe flow modeling. 1: Experimental and analytical assessment”, NASA Contractor Report 4147, 1988.