طراحی گرم‌کن بستر سرامیکی دما بالا برای تونل باد ابرصوتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه جامع امام حسین (ع) / گروه مهندسی هوافضا

2 دانشگاه جامع امام حسین (ع) / مرکز تحقیقات قدر

3 دانشگاه جامع امام حسین(ع) / مرکز تحقیقات قدر

چکیده

یکی از گلوگاه‌های طراحی تونل باد ابرصوتی، طراحی گرم‌کن آن‌ می‌باشد. هدف از انجام این پژوهش، طراحی گرم‌کن بستر سرامیکی در دمای 1800 کلوین برای جلوگیری از میعان هوا در تونل باد ابرصوتیمی‌باشد. برای طراحی اولیه گرم‌کن، از طریق یک کد مهندسی غیر لزج روابط حاکم بر جریان سیال و انتقال حرارت حل می‌شود. این کد با دریافت خواص فیزیکی ثابت و ترمودینامیکی سیال و جامد، ابعاد هندسی بستر و توزیع دمای دیواره، مقدار دمای هوای خروجی گذرا را تخمین می‌زند. به همین دلیل، طراحی نهایی گرم‌کن از طریق حل عددی معادلات ناویراستوکس، انرژی و مدل توربولانسی SST K-ω با حلگر نوع فشار پایه کاپلد با دقت مرتبه‌ دوم انجام گردید. نتایج عددی به‌دست‌آمده از این روش انطباق خوبی با نتایج تجربی دارد. از طریق تحلیل پارامتری، طرح‌‌های مختلفی برای یافتن یک بستر گرم‌کن مناسب مورد ارزیابی قرار گرفت. پارامترهای موردبررسی شامل ارتفاع، قطر و تخلخل بستر و قطر سوراخ‌ها می‌باشد. نتایج نشان می‌دهد که قطر سوراخ، قطر بستر و سپس ارتفاع و تخلخل مهم‌ترین پارامترها در طراحی بستر گرم‌کن بوده و به ترتیب تأثیر بیشتری بر مقدار دمای هوای خروجی و مدت‌زمان اجرا آزمون دارند. به‌طوری‌که افزایش یا کاهش 14 درصدی هریک به ترتیب باعث افزایش 61، 51، 28 و 8 درصدی مدت‌زمان اجرا و 6، 3، 2 و 8/1 درصدی دمای هوای خروجی می‌شود. همچنین قطر سوراخ‌ و تخلخل بستر گرم‌کن، دو پارامترهای مهم در تعیین ابعاد بستر گرم‌کن می‌باشند. درنهایت با استفاده از این نتایج طرح اولیه به یک طرح نهایی با ابعاد قطر بستر 45/0 متر، ارتفاع 7/1 متر، قطر سوراخ 3 میلی‌متر و تخلخل 2512/0 اصلاح شد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Design High Temperature Cored Brick Heater for Hypersonic Wind Tunnel

نویسندگان [English]

  • Mohammad Taghi Besharati 1
  • Mohammad Ali Vaziri 2
  • Ali Reza Rabiee 3
1 Imam Hussein Jame University/ Aerospace Department
2 Imam Hussein Jame University / Qadr Research Center
3 Imam Hussein Jame University / Qadr Research Center
چکیده [English]

One of the throats in designing hypersonic wind tunnel is the design of heater. The purpose of this study is designing a heater with ceramic cored, in 1800K temperature for preventing air condensation in wind tunnel. In initial part of design the fluid flow and heat transfer equation have been solved through an inviscid engineering code. This code estimates the temperature of transient outlet flow with static physical and thermodynamic properties of fluid and solid, geometrical dimensions of bed and wall distribution temperature. The final part of design has been solved with computational methods and using of Navir Stocks and energy equation, with K-ω SST turbulence model. The solver is 2nd order and pressure base. The numerical results are in acceptable agreement with experimental. By parameter analysis, various design for obtaining a suitable heater have been evaluated. The evaluated parameters are height, diameter, porosity of the bed and the diameter of the hole and diameter of the bed. The results show that the diameter of the hole, the diameter of the bed, the height and prosity the most important parameters in the design of the heating bed and have a great impact on the temperature of the exhaust air and the duration the test respectively. 14% increase or decrease of each parameter increase 61, 51, 28, and 8% of execution time and 6, 3, 2 and 1.8 % of the output air temperature respectively. The hole diameter and prosity of the heater bed are two important parameters in determining the dimension of the heater bed. Finally with using of the results the final design has been modified with bed diameter of 0.45 meter, height of 1.7 meter, hole diameter of 3 millimeter and prosity 0.2512.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cored Ceramics Brick Heater
  • Hypersonic Wind Tunnel
  • High Temperature Heaters
  • Air Condensation in Hypersonic Wind Tunnel

مراجع

  1. Pope, A. and K.L. Goin, “High-speed Wind Tunnel Testing”, 1965: Wiley.##
  2. Hedrick, W. “Storage Heater Design Study For The Hypersonic True Temperature Tunnel”, 1964, Fluidyne Engineering Corp Minneapolis Mn Dba/Phoenix Solutions Co.##
  3. Ashtiani, AM. “Conceptual Design of Heating Reservoir Tongue Basin, Above the Sound Tunnel”, in the Faculty of Engineering, Fluid Mechanics. 2009, Imam Hossein University (AS): Tehran.##
  4. Shakeri, A. “Development of Technical Knowledge of Design and Construction of Gas Fluid Heater in Wind Tunnel”, in Faculty of Engineering and Power Engineering. 2016, Zanjan University: Zanjan.##
  5. Sadrameli, S. and Ajdari, H.J.A.T.E. “Mathematical Modelling and simulation of thermal regenerators including solid radial conduction effects”, Vol. 76, p.p. 441-448, 2015.##
  6. Smith, K.W. and Decoursin, D.G. “Development of a High Temperature Heater Using An Yttria Stabilized Zirconia Cored Brick Matrix”, 1971.##
  7. Lezberg, E.A. “Drilled-core Storage Heater for a Hypersonic Tunnel”, 1971.##
  8. Fehrenbacher, L., “Optimum Properties of Zirconia Ceramics for High Performance Storage Heaters, in Ceramics in severe environments”, Springer. p.p. 105-122, 1971.##
  9. TINSLEY, C., “Research and Development Testing of Yttria/Rare Earth Stabilized Zirconia Matrix Bricks in the Pilot Test Unit(PTU) at AEDC(Development of Ceramic Materials for Construction of Full Scale, High Pressure, Hypersonic Facility For Testing Aircraft and Missile Models) ”,1972.##
  10. Weiler, F., Derbidge, T., and Powars, C. “Analysis of Thermal Stresses in Cored Ceramic Bricks Used in Hypersonic Wind Tunnel Heaters”, 1972, Acurex Corp/Aerotherm Mountain View Ca.##
  11. Hagford, D. and DeCoursin, D.J.F.E.C. “February, Research on Storage Heaters for High Temperature Wind Tunnels-Final Report”, 1972: p. 40600-70.##
  12. Geutjes, A. “A Numerical Model to Evaluate the Behaviour of a Regenerative Heat Exchanger at high temperature”, 1976: Technische Hogeschool, Afdeling der Elektrotechniek, Vakgroep Direkte.##
  13. Ameel, T.A., “Thermal Simulation of an Experimental High Temperature Fixed Bed Cored Brick Regenerative Air Preheater”, 1977, Citeseer.##
  14. Herrick, G.C., “Analysis of  Thermal Response of an Experimental Air Preheater”, 1978, Citeseer.##
  15. Upshaw, G.A. “A Simulation Approach to the Thermal-Hydraulic Design of Cored Ceramic Brick Regenerative Heat Exchangers”, 1977, Montana State University-Bozeman, College of Engineering.##
  16. Harris, R.C., “Thermal Stress in a Ceramic Brick Air Preheater”, 1978, Montana State University-Bozeman, College of Engineering.##
  17. Ameel, T. and Townes, H. “Computer Simulation of Cored Brick Regenerative Heat Exchangers”, in Summer Computer Simulation Conference. 1980.##
  18. Powell, S. “Mach 7 True-Temperature Test Facility Technology”, in 24th AIAA Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference. 2004.##
  19. Chu, P., C. Marksberry, and D. Saari. “High Temperature Storage Heater Technology for Hypersonic wind Tunnels and Propulsion Test Facilities”, in AIAA/CIRA 13th International Space Planes and Hypersonics Systems and Technologies Conference. 2005.##
  20. Saari, D., P. Chu, and C. Jauch. “Clean air Regenerative Storage Heater Technology for Propulsion Test Facilities”, in 16th AIAA/DLR/DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. 2009.##
  21. Fetterhoff, T. and W. Burfitt. “Overview of the Advanced Propulsion Test Technology Hypersonic Aero Propulsion Clean Air Testbed (HAPCAT) ”,  in 17th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference.##
  22. (DRDL) india, D.R.a.D.L., “Design, Fabrication, Installation of Wind Tunnel System and Commissioning of Hypersonic Wind Tunnel Facility”, May,2013. p. 159 (including title page).##
  23. Gokul, M., A.J.I.J.o.R.i.E. “Krishnan, and Technology, Comparative studies on heat transfer and fluid flow in cored brick and pebble bed heaters”, Vol. 4, no. 01, 2015.##
  24. Sainath, K., Kumar, B.N. and Vineeth, A. “Analysis of Honey Comb Based Insulation for Cored Brick Heater”,. Sreyas International Journal of Scientists and Technocrats. Vol. 1, no. 3, pp. 9-19, 2017.##
  25. Ramakrishnan, P. and Krishnan, A.J.A.R.M.E. “Heat transfer Enhancement in a 4-holed Cored Brick Regenerator by Inducing Turbulence”,.Vol. 6, p.p. 18-23, 2017.##

  

 

  1. Samineni, N.B., et al., “A Mathematical Framework for Design and Optimization of Regenerative Storage Heater”, 2018. 135: p. 521-529.##
  2. Babu, S.N., et al., “Selection of High Temperature Heat Storage Materials for Cored Brick Heaters of Hypersonic Wind Tunnel and Scramjet Facilities”,. Vol. 5, no. 2, p.p. 7924-7929, 2018.##
  3. “Resources, Tools and Basic Information for Engineering and Design of Technical Applications”, https://www.engineeringtoolbox.com/air-properties-d_156.html.##

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 30 دی 1398
  • تاریخ بازنگری: 02 تیر 1399
  • تاریخ پذیرش: 04 بهمن 1399
  • تاریخ انتشار: 01 تیر 1399

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار