โครงการวิจัย การศึกษาการถ่ายเทความร้อนและการไหล ของแก๊สในปลายท่อจรวดด้วยการจำลองคอมพิวเตอร์

Abstract

การพัฒนาระบบขับเคลื่อนของจรวดความเร็วเหนือเสียงให้มีประสิทธิภาพสูง จำเป็นต้องประกอบไปด้วยความรู้และความเข้าใจเกี่ยวกับการไหลของแก๊สและการเสียดกร่อนภายในปลายท่อจรวด ในงานวิจัยนี้การศึกษาเชิงตัวเลขได้แก่พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ และการวิเคราะห์ไฟไนต์เอลิเมนต์ได้ถูกนำมาใช้เพื่อความเข้าใจดังกล่าวด้วยการใช้ปลายท่อจรวดขนาด 122 มม.เป็นกรณีศึกษาในสภาวะขึ้นกับเวลา พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณแสดงการไหลของแก๊สซึ่งนำไปสู่คลื่นกระแทก อุณหภูมิ ความดัน ฯลฯ ภายในปลายท่อซึ่งสอดคล้องกับผลการทดสอบจริงภาคสถิตย์ ผลเหล่านี้ถูกนำไปใช้เป็นเงื่อนไขสำหรับตรวจสอบการเสียดกร่อนโดยใช้การวิเคราะห์ไฟไนต์เอลิเมนต์ ผลการจำลองด้วยการวิเคราะห์ไฟไนต์เอลิเมนต์แสดงให้เห็นถึงความเครียดซึ่งเกิดจากความ ดันและอุณหภูมิของแก๊ส นอกจากนี้ยังพบอีกว่า ยิ่งความเครียดมากยิ่งทำให้การเสียดกร่อนมาก บริเวณด้านหน้าของจรวดมีการเสียดกร่อนมากกว่าด้านหลังของจรวดซึ่งสอดคล้องกับการทดสอบจริงภาคสถิตย์ ผลที่ได้จากงานวิจัยนี้สามารถนำไปใช้เพื่อปรับปรุงปลายท่อจรวดขนาด 122 มม.และแบบอื่นให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นซึ่งลดการเสียดกร่อนได้

Developing a highly efficient supersonic rocket propulsion system requires knowledge and understanding of gas flow and ablation at the nozzle. In this research, numerical studies were carried out in that development: Computational Fluid Dynamics (CFD) and Finite Element Analysis (FEA). Using a 122 mm nozzle as a case study in a transient state, CFD revealed a gas flow leading to the shock wave, temperature, pressure, etc., inside the nozzle, consistent with actual static experimental results. The CFD results were applied as conditions for the determination of ablation using the FEA. The FEA results showed the equivalent (von-mises) stress due to the pressure and temperature of the gas flow. Additionally, it was found that the more the stress, the greater the ablation. Consistent with the experiment, the front nozzle had higher ablation than the tail. The finding from this research can be applied to improve the 122 mm and other types of nozzle for higher efficiency with reduction of ablation.