Sıvı yakıtlı roket motorları için eş merkezli girdap enjektör tasarımı

Sıvı yakıtlı roket motorlarında yakıt atomizasyonun istenilen karakteristikte ve performansta olması; roket motorunun beklenen özgül itki değerlerini yakalaması açısından hayati önem teşkil etmektedir. Literatürde yapılan incelemelerde sıvı yakıtlı roket motorları için geliştirilen ilk enjektörlerde Rus tasarımı ürünlerin daha çok analitik ifadelerin türetilmesi ile belirlendiği, ABD tasarımı ürünlerde ise deneysel veriler kullanılarak türetilen ampirik bağıntılar kullanılarak atömizör tasarımları yapıldığı görülmüştür. Yapılan ilerlemeler ile analitik ve ampirik bağıntıların geliştirildiği, var olan sonuçların nümerik çalışmalarla da simule edilerek doğrulandığı görülmüştür. Sıvı yakıtlı roket motorlarında kullanılan yakıtlar genellikle kriyojenik özelliktedir ve yanmanın gerçekleşmesi için sıvı kütlenin hızlıca buhar fazına geçirilmesi bir gerekliliktir. Bu sebepten yanma odası girişinde yakıtlar enjektörlerde farklı metodlar kullanılarak küçük taneciklere ayrışması sağlanmaktadır. Küçük taneciklere ayrışan sıvının moleküllerinin yüzey alanı ciddi oranda artmaktadır ve buharlaşması için gerekli olan enerji ihtiyacı düşmektedir. Buharlaşma için gerekli olan enerji ihtiyacının azalması, sıvının buharlaşma hızını arttırmaktadır. Buhar fazına geçen yakıt (yanıcı+yakıcı) bir enerji kaynağı ile reaksiyona girmesi sağlanır ve yanma başlar. Burada kritik olan buharlaşmanın enjektör çıkışından sonra hangi mesafede en yoğun şekilde gerçekleşeceğinin belirlenmesidir. Çünkü ilgili mesafe, aynı zamanda yanmanın nerede başlayacağını, dolayısı ile motor performansını direkt etkilemektedir. Bu sebepten sıvı yakıtlı motor yanma odası tasarlanıyorken, enjektörün ortalama tanecik çapı, sprey koniklik açısı ve tanecik parçalanma boyununda tasarıma girdi parametre olarak göz önünde tutulması gerekmektedir. Yapılan çalışmada, atomizör için ister olarak belirlenen parametreler; verilen girdi parametreleri kullanılarak hem analitik olarak türetilmiş hem de nümerik olarak doğrulanmıştır. Girdi parametresi olarak verilen yaktı debisi ve basınç düşüm değeri kullanılarak ortalama tanecik çapı, sprey koniklik açısı ve tanecik parçalanma boyu analitik olarak belirlenmiştir. Yapılan analitik hesaplamalarda viskoz olmayan akış şartları göz önünde bulundurularak ilgili denklemler türetilmiştir. Denklemler türetilirken Bernolli eşitliği, kütle ve enerji korunum denklemleri ile açısal momentum korunum denklemleri kullanılmıştır. Analitik olarak isterlere uygun olarak boyutlandırılan ve tasarlanan atomizör için GAMBIT kullanılarak kare çözüm ağı oluşturulmuştur. Oluşturulan çözüm ağı Fluentte çözdürülmüştür. Yapılan akış analizinin gerçeğe en yakın olabilmesi için iki fazlı akış çözümü zamana bağlı olarak çözdürülmüş ve başarılı şekilde iç akışının oturduğu şartlar belirlenmiştir. Geometrik boyut, çözüm ağı çözünürlüğü ve akış hızları göz önünde bulundurulduğunda zamana bağlı çözümde kullanılan ilerleme adımlarının mikro saniyeler mertebesinde olduğu yapılan çalışmalarla görülmüştür.