Simulasi Pembakaran Hidrogen pada Ruang Bakar Pesawat Supersonic
Penulis: Riqy Rizqyandra – CAE Engineer PT Optimaxx Prima Teknik (2023)
PENDAHULUAN
Pesawat scramjet merupakan pesawat dengan kecepatan supersonic. Kecepatan yang bisa dicapai saat terbang dapat mencapai 3 kali kecepatan suara. Bagian intake pesawat scramjet dibuat sedemikian rupa sehingga pada kecepatan supersonic, udara akan terkompres sebelum masuk ke ruang bakar. Saat sudah sampai di ruang bakar, bahan bakar disemprotkan lalu terbakar, hasil gas tersebut akan melaju menuju nozzle.
Pada tulisan kali ini penulis akan mensimulasikan pembakaran gas hidrogen pada kecepatan supersonic. Simulasi ini berdasarkan jurnal dan eksperimen yang telah dibuat oleh DLR (German Aerospace Center). Hasil gas pembakaran ini menghasilkan temperature gas 1500 K – 2000 K dengan kecepatan M = 2.
PRE-PROCESSING
Reaksi pembakaran terjadi pada di dalam duct dengan tinggi 50 mm dan lebar 40 mm. Di dalam duct tersebut terdapat strut berbentuk segitiga. Gas hidrogen akan diinjeksikan dari strut tersebut. Pada strut tersebut terdapat 15 lubang dengan diameter 1 mm dengan jarak antar lubang sebesar 2.4 mm. Gas hidrogen keluar dari 15 lubang tersebut. Mesh yang digunakan pada simulasi ini berupa polyhexcore tanpa ada refinement.
SETUP
Karena aliran fluida berkecepatan supersonic, pada general page menggunakan density-based solver. Karena terjadi reaksi pembakaran maka perlu mengaktifkan energy dan species transport. Pada species transport terdapat beberapa reaksi yang dapat dipilih, pada simulasi kali ini penulis memilih reaksi hydrogen dan air. Gambar 6 menunjukan gas hidrogen yang bereaksi dengan oksigen berubah menjadi uap air. Karena ini aliran supersonic, density mixture dari hydrogen-air dirubah mejadi ideal gas. Specific heat, theral conductivty, dan viscosity menjadi mixing law.
Ketika mengaktifkan species transport akan muncul mixture pada materials. Mixture ini berisi species (fluida) yang akan bereaksi yaitu oksigen, hidrogen, uap air, dan nitrogen (tidak bereaksi). Setiap properti species ini dirubah menjadi seperti pada gambar 8, thermal conductivity menjadi kinetic theory dan viscosity menjadi sutherland. Aktifkan compressibiliy effect pada K-Omega SST.
Sesuai dengan rujukan jurnal, tipe inlet yang digunakan pressure far field. Biasanya pesawat scramjet bisa terbang sampai 2 kali kecepatan suara, inlet udara diberi M = 2 dengan temperature 340 K, spesies 23.2% oksigen, dan 3.2% uap air. Hidrogen disemprotkan dengan kecepatan M = 1 dengan temperature 300 K dan spesies 100% gas hidrogen. Agar mempermudah konvergensi, pada solution method diaktifkan High Speed Numerics dan pada run calculation diaktifkan flow type supersonic.
POST-PROCESSING
Gambar 13 menunjukan ketika udara berkecepatan supersonic melewati bidang miring, maka udara tersebut akan mengalami oblique shock. Udara akan terdefleksi mengikuti kemiringan bidang miring, kecepatannya akan berkurang dan tekanannya akan meningkat. Peningkatan tekanan saat oblique shock dapat dilihat pada gambar 14.
Dihasilkan temperature hasil pembakaran 1500 K ~ 2500 K. Hal ini sesuai dengan hasil eksperimen yang dilakukan oleh DLR German. Gas hasil pembakaran yang mengalir ke nozzle (ke outlet) sebesar 1500 K. Hasil temperature reaksi pembakaran secara 3D dapat dilihat dengan jelas pada gambar 16.
Gambar 19 dan 20 menunjukan lokasi dimana reaksi mulai terjadi. Pada centerline duct persentase gas oksigen sebesar 0%. Karena pada bagian tengah tersebut oksigen sepenuhnya bereaksi dengan gas hidrogen membentuk uap air. Uap air yang dihasilkan sebesar sekitar 25% seperti pada gambar 20. Dari hasil persentasi spesies ini bisa kita hubungkan ke temperature. Tempat dimana uap air terbentuk pasti memiliki temperature yang tinggi (karena reaksi baru saja terjadi disitu). Kita bisa menyocokkan antara gambar 20 dengan gambar 16.
Referensi
Referensi : Waidmann, W.; Alff, F.; Brummund, U.; Bohm, M.; Clauss, W.; Oschwald, M. Experimental Investigation of the Combustion Process in a Supersonic Combustion Ramjet (Scramjet); DLR Jahrbuch: Erlangen, Germany, 1994
0 comments