توصيفگر ها :
موتور پالسجت , شبيهسازي عددي , بهينهسازي پارامتري , آگمنتور استوانهاي , پيكرهبندي دوموتوره هممحور , لولهاگزوز و تشديد , آزمايش تجربي
چكيده فارسي :
موتور پالسجت به دليل ساختار ساده، وزن كم و هزينه پايين توليد، همواره مورد توجه محققان حوزه پيشرانههاي هوايي بوده است. در اين پژوهش، بهينهسازي پارامتري آگمنتور در خروجي يك موتور پالس جت انجام گرفت. براي اين هدف، ابتدا، شبيهسازي عددي عملكرد يك موتور پالسجت داراي دريچه ورودي بهصورت گذرا و تقارن محوري در شرايط پروازي با استفاده از نرمافزار انسيس فلوئنت بررسي شد. از مدل k-ω SST براي مدلسازي آشفتگي استفاده شد و فرايند احتراق بهصورت منبع انرژي حجمي لحاظ گرديد. مقطع مناسب در پائيندست موتور براي محاسبه صحيح نيروي خالص پيشرانش با استفاده از معادله مومنتوم انتخاب شد. شبيهسازيها در چند سيكل متوالي انجام گرفت تا نوسانات پارامترهاي جرياني و عملكردي موتور بهصورت نوساني هارمونيك درآيد و سپس، مقدار نيروي پيشرانش در بازه سه سيكل انتهائي متوسط گيري زماني شد. در ادامه، با فرض آگمنتور استوانهاي و پارامتري كردن هندسه آن، تأثير سه پارامتر كليدي فاصله آگمنتور از خروجي موتور، و همچنين قطر و طول آگمنتور روي افزايش ميزان نيروي پيشرانش مورد بررسي قرار گرفت. درنهايت، تحليل دقيق رفتار آيروديناميكي موتور در حالت با و بدون آگمنتور ارائه شد. نتايج نشان داد آگمنتور بهينه با مكش هواي محيط اطراف موتور و تقويت مومنتوم خروجي، منجر به افزايش 170 درصدي نيروي پيشرانش نسبت به حالت بدون آگمنتور ميشود. در بخش دوم از پژوهش، پيكرهبندي دوموتوره هممحور شامل يك موتور مركزي و يك موتور حلقوي طراحي و شبيهسازي شد. با برابر گرفتن حجم محفظهها و سطح مؤثر دريچهها، شرايط كاري همزمان فراهم گرديد و با طراحي دقيق لولهاگزوز بر پايهي تشديد ، اختلاففاز نيمسيكل ميان دو موتور حاصل شد. شبيهسازيها نشان داد كه اين اختلاففاز موجب تقويت مكش، افزايش جرم هواي ورودي و درنتيجه بهبود قابلتوجه تراست ميشود. نتايج همچنين بيانگر آن است كه تنظيم فاصله ميان اگزوزها نقش كليدي در دستيابي به بيشينه راندمان و پايداري عملكرد دارد و پيكرهبندي پيشنهادي ميتواند راهكاري مؤثر براي ارتقاي توان پيشرانش پالسجت باشد. باوجود پيشرفتهاي گسترده در مدلسازي عددي، اعتبارسنجي نتايج با دادههاي تجربي همچنان ضروري است. در اين پژوهش، عملكرد موتور پالسجت بدون آگمنتور بهصورت عملي و در سكوي تست استاتيك بررسي شد تا مبناي مناسبي براي تحليل اثر آگمنتور در مراحل بعدي فراهم گردد. نتايج آزمايشها نشان داد كه نيروي تراست موتور در شرايط ارتفاع حدود 1600 متر از سطح دريا و نسبت همارزي 7/0، معادل 25.6 كيلوگرمنيرو به دست آمد كه با نتايج شبيهسازي عددي تطابق مناسبي داشت. همچنين توزيع دماي موتور در بخشهاي مختلف، با دقت بسيار خوبي با پيشبينيهاي شبيهسازي مطابقت داشت. بر اساس هندسه بهينه، نمونه آزمايشي آگمنتور نيز ساخته شد تا در مراحل بعدي آزمايشهاي تجربي بر روي آن انجام شود و امكان ارزيابي عملكرد نهايي موتور در شرايط پروازي فراهم گردد.
چكيده انگليسي :
The pulse jet engine, due to its simple structure, low weight, and low production cost, has always attracted the attention of researchers in the field of aerial propulsion. In this study, parametric optimization of a thrust augmentor installed at the exhaust of a pulse jet engine was carried out. A transient, axisymmetric numerical simulation of a valved pulse jet engine operating under flight conditions was performed using ANSYS Fluent, employing the k–ω SST turbulence model and modeling combustion as a volumetric energy source. A suitable cross-section downstream of the engine was selected for accurate calculation of net thrust using the momentum equation. Simulations were conducted over several successive cycles until the flow and performance parameters reached a harmonic oscillatory pattern, after which thrust was time-averaged over the last three cycles. Assuming a cylindrical augmentor and parameterizing its geometry, the effects of three key parameters—augmentor distance from the engine exit, augmentor diameter, and augmentor length—on thrust enhancement were investigated, along with a detailed aerodynamic analysis of the engine with and without the augmentor. Results showed that the optimized augmentor, by entraining ambient air and enhancing exhaust momentum, increased thrust by 170% compared to the baseline engine. In the second part of the study, a coaxial twin-engine configuration comprising a central engine and an annular engine was designed and simulated. By equalizing combustion chamber volumes and effective inlet areas, synchronized operation was achieved, and through careful exhaust pipe design based on Helmholtz resonance, a half-cycle phase difference between the two engines was realized. Simulations indicated that this phase difference enhanced suction, increased inlet air mass flow, and led to significant thrust improvement, while the spacing between exhausts played a key role in maximizing efficiency and ensuring stable operation. The proposed configuration thus offers an effective approach for enhancing pulse jet propulsion performance. Despite advances in numerical modeling, experimental validation remained essential; therefore, the performance of the pulse jet engine without an augmentor was experimentally tested on a static stand to provide a reliable baseline. The experiments showed that at an altitude of about 1600 meters above sea level and an phi ratio of 0.7, the engine produced a thrust of 25.6 kgf, in close agreement with numerical predictions. The measured temperature distribution across engine sections also aligned well with simulation results. Based on the optimized geometry, a prototype augmentor was fabricated for future experimental testing to evaluate the engine’s performance under flight conditions.