سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

بررسی عددی اثر پارامترهای هندسی شعله‌نگه‌دار حفره‌ای بر عملکرد احتراقی موتورهای رم‌جت و اسکرَم‌جت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
میلاد مهرپویا 1
سجاد راستگو 2
جواد سپاهی یونسی 3
1 گروه منهدسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد
2 کروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد
3 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد
10.22034/jfnc.2026.566615.1453
چکیده
در موتورهای رم‌جت و اسکرَم‌جت، به دلیل سرعت بسیار بالای جریان ورودی به محفظه احتراق، پایداری شعله و اختلاط مؤثر سوخت و هوا با چالش جدی روبه‌رو است. یکی از روش‌های کارآمد برای افزایش زمان ماند سوخت و ایجاد ناحیه بازچرخشی مناسب جهت افزایش بازده احتراق، استفاده از شعله‌نگه‌دارهای حفره‌ای است. باوجود کاربرد گسترده این روش، تأثیر هندسه حفره بر عملکرد احتراق در هر دو موتور رم‌جت و اسکرَم‌جت، به‌ویژه در شرایط گرم، هنوز نیازمند بررسی جامع است. هدف این پژوهش، مطالعه عددی اثر پارامترهای هندسی حفره شامل ارتفاع، طول و زاویه سطح شیب‌دار انتهایی بر بازده احتراق در دو موتور رم‌جت و اسکرَم‌جت است. برای این منظور، شبیه‌سازی‌ها با استفاده از نرم‌افزار ANSYS Fluent و مدل آشفتگی SST k–ω به‌صورت تراکم‌پذیر، در حالت گرم و با سوخت هیدروژن انجام شده است. نتایج نشان می‌دهد افزایش ارتفاع حفره در هر دو موتور موجب بهبود بازده احتراق می‌شود. کاهش طول حفره نیز می‌تواند بازده احتراق را در هر دو موتور افزایش دهد. این یافته‌ها می‌توانند مبنایی برای بهینه‌سازی هندسه شعله‌نگه‌دار در موتورهای فراصوتی آینده باشند.

تازه های تحقیق

در این پژوهش، اثر پارامترهای هندسی حفره شعله‌نگهدار شامل ارتفاع، طول و زاویه دیواره انتهایی آن بر بازده احتراق در محفظه احتراق موتورهای رم‌جت و اسکرَم‌جت به صورت عددی بررسی شد. شبیه‌سازی‌ها با استفاده از نرم‌افزار ANSYS Fluent، مدل آشفتگی SST k–ω و مدل احتراق Finite-Rate/Eddy-Dissipation در شرایط گرم و با سوخت هیدروژن انجام گرفت. نتایج نشان داد که افزایش ارتفاع حفره در هر دو موتور باعث تقویت ناحیه بازچرخش و افزایش زمان ماند سوخت شده و در نهایت منجر به بهبود بازده احتراق می‌شود. این اثر در موتور رم‌جت محسوس‌تر است، زیرا زمان ماند جریان فروصوتی بیش‌تر بوده و فرصت اختلاط و واکنش کامل‌تر فراهم می‌شود. همچنین کاهش طول حفره موجب تمرکز بهتر ناحیه احتراق و کاهش سرریز سوخت از حفره شده و بازده احتراق را در هر دو موتور افزایش داده است، هرچند حساسیت این پارامتر نسبت به ارتفاع کمتر بوده است. از سوی دیگر، تغییر زاویه دیواره انتهایی حفره باعث جابه‌جایی ساختار گردابه‌ها و محل تمرکز شعله شده و در برخی شرایط می‌تواند منجر به کاهش بازده احتراق به دلیل سرریز سوخت شود. بنابراین زاویه بهینه باید به گونه‌ای انتخاب شود که ضمن تقویت بازچرخش، از خروج زودهنگام سوخت جلوگیری کند. در مجموع، یافته‌های این پژوهش می‌تواند به عنوان مبنایی برای طراحی و بهینه‌سازی هندسه شعله‌نگهدارها در موتورهای پرسرعت آینده مورد استفاده قرار گیرد. در پایان، لازم به ذکر است که در این مطالعه محدودیت‌هایی چون دوبعدی بودن شبیه‌سازی‌ها و بررسی نشدن اثر آرایش‌های چندحفره‌ای وجود دارد. پیشنهاد می‌شود در مطالعات آینده اثر تعداد حفره‌ها، تزریق چندنقطه‌ای و استفاده از مدل‌های سینتیکی دقیق‌تر برای تحلیل کامل‌تر احتراق فراصوتی مورد توجه قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها
موتور رم‌جت
موتور اسکرم‌جت
شعله‌نگه‌دار حفره‌ای
هندسه حفره
بازده احتراق
موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical investigation of the effects of cavity flameholder geometric parameters on the combustion performance of ramjet and scramjet engines

نویسندگان English

Milad Mehrpooya 1
Sajad Rastgoo 2
Javad Sepahi-Younsi 3
1 Mechanical Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
2 Mechanical Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad. Iran
3 Mechanical Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
چکیده English

In ramjet and scramjet engines, due to the very high velocity of the incoming flow into the combustion chamber, efficiency and effective fuel–air mixing face significant challenges. One efficient method to increase fuel residence time and create a suitable recirculation zone for stable combustion is the use of cavity flameholders. Despite the widespread application of this method, the effect of cavity geometry on combustion performance in both ramjet and scramjet engines, especially under heated conditions, still requires comprehensive investigation. The aim of this study is to numerically investigate the effect of cavity geometric parameters—including height, length, and ramp angle—on combustion efficiency in both ramjet and scramjet engines. For this purpose, simulations were performed using ANSYS Fluent with the SST k–ω turbulence model in a compressible, hydrogen-fueled combustion configuration. The results indicate that increasing the cavity height in both engines improves combustion efficiency. Reducing the cavity length can also enhance combustion efficiency in both engines. These findings can serve as a basis for optimizing flameholder geometry in future supersonic engines.

کلیدواژه‌ها English

Ramjet engine
Scramjet engine
cavity flameholder
hydrogen combustion
combustion efficiency

در این پژوهش، اثر پارامترهای هندسی حفره شعله‌نگهدار شامل ارتفاع، طول و زاویه دیواره انتهایی آن بر بازده احتراق در محفظه احتراق موتورهای رم‌جت و اسکرَم‌جت به صورت عددی بررسی شد. شبیه‌سازی‌ها با استفاده از نرم‌افزار ANSYS Fluent، مدل آشفتگی SST k–ω و مدل احتراق Finite-Rate/Eddy-Dissipation در شرایط گرم و با سوخت هیدروژن انجام گرفت. نتایج نشان داد که افزایش ارتفاع حفره در هر دو موتور باعث تقویت ناحیه بازچرخش و افزایش زمان ماند سوخت شده و در نهایت منجر به بهبود بازده احتراق می‌شود. این اثر در موتور رم‌جت محسوس‌تر است، زیرا زمان ماند جریان فروصوتی بیش‌تر بوده و فرصت اختلاط و واکنش کامل‌تر فراهم می‌شود. همچنین کاهش طول حفره موجب تمرکز بهتر ناحیه احتراق و کاهش سرریز سوخت از حفره شده و بازده احتراق را در هر دو موتور افزایش داده است، هرچند حساسیت این پارامتر نسبت به ارتفاع کمتر بوده است. از سوی دیگر، تغییر زاویه دیواره انتهایی حفره باعث جابه‌جایی ساختار گردابه‌ها و محل تمرکز شعله شده و در برخی شرایط می‌تواند منجر به کاهش بازده احتراق به دلیل سرریز سوخت شود. بنابراین زاویه بهینه باید به گونه‌ای انتخاب شود که ضمن تقویت بازچرخش، از خروج زودهنگام سوخت جلوگیری کند. در مجموع، یافته‌های این پژوهش می‌تواند به عنوان مبنایی برای طراحی و بهینه‌سازی هندسه شعله‌نگهدارها در موتورهای پرسرعت آینده مورد استفاده قرار گیرد. در پایان، لازم به ذکر است که در این مطالعه محدودیت‌هایی چون دوبعدی بودن شبیه‌سازی‌ها و بررسی نشدن اثر آرایش‌های چندحفره‌ای وجود دارد. پیشنهاد می‌شود در مطالعات آینده اثر تعداد حفره‌ها، تزریق چندنقطه‌ای و استفاده از مدل‌های سینتیکی دقیق‌تر برای تحلیل کامل‌تر احتراق فراصوتی مورد توجه قرار گیرد.

A. Ben-Yakar and R. K. Hanson, "Cavity flame-holders for ignition and flame stabilization in scramjets: an overview," J. Propuls. Power, vol. 17, pp. 869–877, 2001.
[2] K. M. Kim, S. W. Baek, and C. Y. Han, "Numerical study on supersonic combustion with cavity-based fuel injection," Int. J. Heat Mass Transf., vol. 47, pp. 271–286, 2004.
[3] M. R. Gruber, R. A. Baurle, T. Mathur, and K.-Y. Hsu, "Fundamental studies of cavity-based flameholder concepts for supersonic combustors," J. Propuls. Power, vol. 17, pp. 146–153, 2001.
[4] W. Huang, M. Pourkashanian, L. Ma, D. B. Ingham, S. Luo, and Z. Wang, "Effect of geometric parameters on the drag of the cavity flameholder based on the variance analysis method," Aerosp. Sci. Technol., vol. 21, pp. 24–30, 2012.
[5] Z. Cai, M. Sun, Z. Wang, and X.-S. Bai, "Effect of cavity geometry on fuel transport and mixing processes in a scramjet combustor," Aerosp. Sci. Technol., vol. 80, pp. 309–314, 2018.
[6] R. Moradi, A. Mahyari, M. B. Gerdroodbary, A. Abdollahi, and Y. Amini, "Shape effect of cavity flameholder on mixing zone of hydrogen jet at supersonic flow," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 43, pp. 16364–16372, 2018.
[7] G. Choubey, M. Solanki, T. Bhatt, G. Kshitij, D. Yuvarajan, and W. Huang, "Numerical investigation on a typical scramjet combustor using cavity floor H2 fuel injection strategy," Acta Astronaut., vol. 202, pp. 373–385, 2023.
[8] Y. Wang, "Large-eddy simulation of flow separation in Savonius turbines," Renew. Energy, 2024. (in press, as per original citation)
[9] M. B. Gerdroodbary, Scramjets: fuel mixing and injection systems. Butterworth-Heinemann, 2020. (in Persian)
[10] S.-H. Lee, "Characteristics of dual transverse injection in scramjet combustor, part 1: Mixing," J. Propuls. Power, vol. 22, pp. 1012–1019, 2006.
[11] H. Wang, Z. Wang, M. Sun, and N. Qin, "Simulations of combustion with normal and angled hydrogen injection in a cavity-based supersonic combustor," Proc. Inst. Mech. Eng. Part G J. Aerosp. Eng., vol. 228, pp. 530–541, 2014.
[12] F. Gong, Y. Huang, and X. Huang, "Size effect on the flame base locations after V-gutters for premixed flames," Int. J. Heat Mass Transf., vol. 82, pp. 406–418, 2015.
[13] W. Xi, P. Liu, Q. Shao, W. Guo, and J. Liu, "Parametric study of flow and combustion characteristic in a cavitied scramjet with multi-position injection," Fire, vol. 7, p. 176, 2024.
[14] J. Dai, L. Chen, and F. Kong, "Research on the mixing characteristics of a cavity based supersonic combustion chamber coupled with secondary recirculation jets," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 92, pp. 516–526, 2024. doi: 10.1016/j.ijhydene.2024.10.303.
[15] J. C. Small, L. Zhang, B. G. Crawford, and V. Viti, "Flow and Flame Stabilization in Scramjet Engine Combustor with Two Opposing Cavity Flameholders," Aerospace, vol. 12, p. 723, 2025.