Экспериментальное и численное исследование плавления парафина под воздействием потока нагретого воздуха


Просмотр статьи
PDF, 1,2 МБ

Numerical and experimental study of paraffin melting in a heated air flow

Numerical and experimental results are presented for the problem of melting of a paraffin sample in a high-temperature gas flow. Two-dimensional numerical modeling was performed using the VOF method in the OpenFOAM software package. Agreement is observed between the sample shape obtained upon completion of the tests and numerical calculations. Acceptable agreement between the results for the sample regression rate for variants corresponding to different temperatures and air flow rates is obtained. For both research methods, the observed formation of a liquid paraffin layer and its disturbances due to the development of the Kelvin-Helmholtz instability are in qualitative agreement. Quantitative comparison of wavelengths characterizing the melt surface disturbances allows us to speak about the potential of the VOF method in problems requiring fine structure resolution.

multiphase flow, melting, VOF, Kelvin-Helmholtz instability, fuel regression

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.7.1137


Том 25, выпуск 7, 2024 год



Приведены численные и экспериментальные результаты для задачи о плавлении образца парафина при обдуве потоком высокотемпературного газа. Двумерное численное моделирование выполнялось при помощи метода VOF в программном пакете OpenFOAM. Наблюдается согласие формы образца, полученной по окончанию испытаний и численного расчета. Получено приемлемое совпадение результатов по скорости регрессии образца для вариантов, соответствующих различной температуре и расходу воздуха. Для обоих методов исследования наблюдаемое образование жидкого слоя парафина и его возмущения вследствие развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца качественно согласуются. Количественное сравнение длин волн, характеризующих возмущения поверхности расплава, позволяет говорить о потенциале метода VOF в задачах с необходимостью детального разрешения структуры межфазных границ.

многофазное течение, плавление, VOF, неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, регрессия топлива, парафин.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.7.1137


Том 25, выпуск 7, 2024 год



1. Mazzetti A., Merotto L., Pinarello G., Paraffin-based hybrid rocket engines applications: A review and a market perspective. // Acta Astronautica. 2016. Vol. 126. Pp. 286–297.
2. Kiskin A.B., Zarko V.E., Eremin I.V. Studying the paraffin based mixtures regression under high speed hot air blowing // Acta Astronautica. 2024. Vol. 216. Pp. 330–335.
3. Nakagawa I., Hikone S. Study on the regression rate of paraffin-based hybrid rocket fuels // J. Propul. Power. 2011. V. 27. Pp. 1276–1279.
4. Karabeyoglu A., Zilliac G., Cantwell B.J., DeZilwa S., Castellucci P. Scale-up tests of high regression rate paraffin-based hybrid rocket fuels // J. Propul. Power. 2004. V. 20. Pp. 1037–1045.
5. Karabeyoglu M.A., Altman D., Cantwell B.J. Combustion of liquefying hybrid propellants: Part 1, General theory // J. Propul. Power. 2002. V. 18. No. 3. Pp. 610–620.
6. Karabeyoglu M.A., Altman D., Cantwell B.J. Combustion of liquefying hybrid propellants: Part 2, Stability of Liquid Films // J. Propul. Power. 2002. V. 18. No. 3. Pp. 620–630.
7. Petrarolo A., Kobald M., Schlechtriem S. Understanding Kelvin–Helmholtz instability in paraffin-based hybrid rocket fuels // Experiments in Fluids. 2018. Vol. 59. No. 4.
8. Усанов В.А., Гембаржевский Г.В., Рашковский С.А., Якуш С.Е. Экспериментальное определение параметров самовоспламенения твердого легкоплавкого топлива. Тезисы XVII Всероссийского симпозиума по горению и взрыву. Изд-во: Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии 2023 г. С. 69-70.
9. Rashkovskiy S. A., Yakush S. E. Numerical simulation of low-melting temperature solid fuel regression in hybrid rocket engines // Acta Astronautica. 2020. Vol. 176. Pp. 710–716.
10. Adachi M., Shimada, T. Liquid films instability analysis of liquefying hybrid rocket fuels under supercritical conditions // AIAA Journal. 2015. V.53 No. 6. Pp. 1578–1589.
11. OpenFOAM. The open source CFD toolbox. 2012. URL https://www.openfoam.com.
12. Hirt C.W., Nichols B.D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries //J. Comput. Phys. 1981. Vol. 39. Pp. 201–225.
13. Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations. Part I, the basic experiment // Monthly Weather Review. 1963. Vol. 91. No. 3. Pp. 99-164.
14. Brackbill, J. U., Kothe, D. B., & Zemach, C. (1992). A Continuum Method for Modeling Surface Tension // Journal of Computational Physics. 1992. Vol. 100. No. 2. Pp. 335-354.
15. Tryggvason G., Scardovelli R., Zaleski S., 2011. Direct numerical simulations of gas-liquid multiphase flow. Cambridge University Press. 2011. Cambridge. UK.
16. Voller V. R., Prakash C. A fixed grid numerical modeling methodology for convection-diffusion mushy region phase-change problems // Int. J. of Heat and Mass Transfer. Vol. 30. No. 8. Pp. 1709-1719.
17. Lee W.H. A Pressure Iteration Scheme for Two-Phase Modeling. Los Alamos Scientific Laboratory. 1979. Los Alamos. New Mexico. Technical Report LAUR 79–975.
18. Huang. C., Wang W., Li W. (2020). A novel 2D model for freezing phase change simulation during cryogenic fracturing considering nucleation characteristics // Applied Sciences. 2020. V. 10. No. 9. P. 3308.