Numerical analysis of micro ring-engine fluid dynamics

• Autorzy: Piechna J. R.

Warianty tytułu

PL

Numeryczna analiza dynamiki przepływu w cieplnym silniku pierścieniowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents an idea and results of 2D and 3D numerical CFD simulations of the proposed ring-engine construction dedicated for air propulsion or generation of electric power. The engine is designed as the simplest construction realizing the idea of pulsating reaction chamber utilizing a constant volume combustion principle. An atypical fuel (hydrogen peroxide) is used in the analyzed construction. The proposed ring-engine has reaction chambers forming a part of a ring periodically filled by cooling air and hydrogen peroxide vapour. The H202 is decomposed in exothermic reaction increasing pressure inside the chamber of constant volume. High pressure gas contents of the reaction chambers are periodically decompressed by jet nozzIes generating torque. The paper contains the description of the ring-engine idea, the schematic engine geometry and a set of data visualizing pressure, velocity, temperature and species distribution inside the engine components being results of numerical simulations.

PL

W pracy przedstawiono wyniki dwu i trójwymiarowej symulacji działania proponowanego silnika pierścieniowego przeznaczonego do napędu statków powietrznych lub wytwarzania energii elektrycznej. Silnik charakteryzuje się najprostszą konstrukcją realizującą ideę spalania przy stałej objętości. Do jego napędu zostało użyte nietypowe paliwo jakim jest nadtlenek wodoru. Proponowany silnik posiada komory reakcyjne rozmieszczone na obwodzie cylindra tworząc system komór okresowo napełnianych przez chłodzące powietrze i pary nadtlenku wodoru. Paliwo to w wysokiej temperaturze ulega rozkładowi któremu towarzyszy generacja ciepła powodując wzrost ciśnienia w komorze reakcyjnej o stałej objętości. Powstające gazy o wysokim ciśnieniu po rozprężeniu wytwarzają moment obrotowy. Praca przedstawia ideę konstrukcji silnika, jego schematyczną geometrię oraz przedstawia wyniki symulacji w postaci rozkładów ciśnień, prędkości, temperatur i rozkładów składników mieszaniny gazów we wnętrzu silnika. Zaproponowano nowy sposób napełniania komory reakcyjnej paliwem skracający kilkakrotnie czas jej przepłukiwania i napełniania. Pokazano przykłady rozkładów parametrów przepływu w kilku fazach pracy silnika uzyskane z obliczeń numerycznych. Oszacowano osiągi mikro-silnika.

Słowa kluczowe

EN

hydrogen peroxide; constant volume combustion; sequential cross-flow

PL

nadtlenek wodoru; spalanie przy stałej objętości; przepływ sekwencyjny

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. LVI, nr 2
• Strony: 173--190
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., fot., rys.

Twórcy

autor

Piechna J. R.

• Warsaw University of Technology, Institut of Aeronautics and Applied Mechanics; ul. Nowowiejska 24, 00-665 Warsaw, Poland,

Bibliografia

• [1] Akbari P., Nalim M. R., Wijeyakulasuriya S. D., Müller N.: Wave Disk Engine for Micro-Scale Power Generation, AIAA 2008-4879, 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit 21-23 July 2008, Hartford, CT.
• [2] Cheung W. S., Tilston J. R.: "Hydrogen Peroxide Based Propulsion System for Micro Air Vehicle Applications," ISABE-99-7278. 1999.
• [3] Eisner T., at al.: Spray Mechanism of the most primitive Bombardier Beetle (Metrius Contractus), The Journal of Experimental Biology 203, 1265-1276, 2000.
• [4] Epstein A. H.: "Millimeter-scale, MEMS gas turbine engines", GT-2003-38866, Proc of ASME Turbo Expo 2003, June 16-19, 2003, Atlanta, Georgia, USA, 2003.
• [5] Epstein A. H.: "Millimeter-Scale, Micro-Electro-Mechanical Systems Gas Turbine Engines," ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 126, No. 2, 2005, pp. 205-226.
• [6] Fernandez-Pello A. C., Pisano A. P., Fu K., Walther D. C., Knobloch A. K., Martinez F. C., Senesky M., Stoldt C., Maboudian R. M., Sanders S., Liepmann D.: "MEMS Rotary Engine Power System," Proceedings of IEEE Transactions on Sensors and Micromachines, Vol. 123, No. 9, 2003, pp. 326-330.
• [7] Frąckowiak M., Iancu F., Potrzebowski A., Akbari P., Müller N., Piechna J.: "Numerical simulation of unsteady flow processes in wave rotors," IMECE2004-60973, 2004.
• [8] Iancu F., Piechna J., Dempsey E., Müller N.: "Ultra-Micro Wave Rotor Investigations," Technical Digest PowerMEMS 2005, The Fifth International Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications, Nov. 28-30, 2005 Tokyo, Japan, pp. 93-96.
• [9] Iancu F., Piechna J., Dempsey E., Müller N.: "The Ultra-micro Wave Rotor Research at Michigan State University, "The 2nd International Symposium on Innovative Aerial/Space Flyer Systems (Dec. 2-3, 2005 The University of Tokio) PL-12, pp. 65-70.
• [10] London A. P., Epstein A. H., Kerrebrock J. L.: "A High Pressure Bipropellant Microrocket Engine," Journal of Propulsion and Power, Vol. 17, No. 4, 2001, pp. 780-787.
• [11] Piechna J., Akbari P., Iancu F.. Müller N.: "Radial-flow wave rotor concepts, unconventional designs and applications." IMECE2004-59022. 2004.
• [12] Piechna J.: "Wave Machines, Models and Numerical Simulation", Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2005.
• [13] Piechna J.: "Feasibility Study of the Wave Disk Micro-Engine Operation," Technical Digest PowerMEMS 2005, The Fifth International Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Application, Nov. 28-30, 2005, The University of Tokyo, Tokyo, Japan pp. 69-72.
• [14] Piechna J.: "The micro jet wave engine idea," The 2nd International Symposium on Innovative Aerial/Space Flyer Systems (Dec. 2-3, 2005 The University of Tokio) PL-12, pp. 71-78.
• [15] Piechna J.: "Feasibility study of the wave disk micro-engine operation", Journal of Micromechanics and Microengineering, 16, 270-281, 2006.
• [16] Piechna J., Dyntar D.: "Two-Dimensional Numerical Analysis of the Wave Jet Micro-Engine Operation," Power MEMS2007, Freiburg Germany 2007.
• [17] Ventura M., Wernimont E, Dillard J: "Hydrogen Peroxide - Optimal for Turbomachinery and Power Applications", AIAA 2007-5537, 2007.
• [18] Sengupta D., Mazumder S., Cole J., Lowry S.: "Controlling Non-Catalytic Decomposition of High Concentration Hydrogen Peroxide", Report R3JL CFD Research Corporation 2004.