CFD Based Geometry Re-Design & Performance Analysis of a Scramjet Intake

एक ऐसे वाहन की कल्पना करें जिसे ध्वनि से भी तेज़ उड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो भारी टैंकों में अपना ऑक्सीजन ले जाने के बजाय, अपने पास से गुजरने वाली पतली हवा को बटोरकर और उसे इतना ज़ोर से दबाकर ईंधन जलाने का काम करता है कि किसी यांत्रिक कंप्रेसर की आवश्यकता न रहे। यह स्क्रैमजेट (scramjet) का वादा है, एक ऐसा इंजन जो विमान की तीव्र गति पर निर्भर करता है ताकि ईंधन के जलने से पहले हवा को संकुचित किया जा सके। इस मशीन का सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा इसका 'इन्टेक' (अंतर्ग्रहण) है, जो एक सावधानीपूर्वक आकार दिया गया टनल है जिसे सुपरसोनिक हवा को बस इतना धीमा करना होता है कि वह दहन (combustion) के लिए स्थिर हो सके, जबकि दबाव को उच्च और प्रवाह को सुचारू बनाए रखा जा सके। यदि इस टनल के भीतर हवा बहुत अधिक विक्षुब्ध (turbulent) हो जाती है या दीवारों से अलग हो जाती है, तो इंजन चोक हो सकता है, जिससे उसकी शक्ति कम हो सकती है या वह पूरी तरह से बंद भी हो सकता है। इंजीनियरों के लिए चुनौती एक ऐसा इन्टेक डिजाइन करने की है जो इन हिंसक वायु धाराओं को प्रबंधित कर सके, और एक अराजक, उच्च-गति वाली धारा को एक नियंत्रित, उच्च-दबाव वाले प्रवाह में बदल सके जो आग के लिए तैयार हो।

हाल ही में एक अध्ययन में, चंडीगढ़ यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने स्क्रैमजेट इन्टेक के नए आकार का परीक्षण करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके इस समस्या का समाधान निकाला। उन्होंने एक विशिष्ट परिदृश्य पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ हवा इंजन में ध्वनि की गति से चार गुना तेज़ प्रवेश करती है, जिसे मैक 4 (Mach 4) की स्थिति कहा जाता है, जिसमें स्थैतिक दबाव 52,000 पास्कल होता है। वास्तविक हवा के व्यवहार की नकल करने वाले एक डिजिटल मॉडल का उपयोग करते हुए, उन्होंने एक मानक इन्टेक डिजाइन लिया और उसके ज्यामिति (geometry) में छोटे, सटीक बदलाव करना शुरू किया। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या विशिष्ट विशेषताएं जोड़ने से, जैसे कि खोखले हिस्से जिन्हें कैविटी (cavity) कहा जाता है या रैंप के साथ छोटे त्रिकोणीय उभार, इंजन के माध्यम से हवा के प्रवाह में सुधार किया जा सकता है। ये संशोधन 'पैसिव' (passive) हैं, जिसका अर्थ है कि इनमें कोई चलते हुए पुर्जे या अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता नहीं होती; वे पूरी तरह से धातु के आकार पर निर्भर करते हैं ताकि प्रवाह को निर्देशित किया जा सके।

शोधकर्ताओं ने इन विभिन्न डिजाइनों के माध्यम से हवा के दबाव और गति का मानचित्रण करने के लिए कई सिमुलेशन चलाए। उन्होंने पाया कि मानक, बिना किसी संशोधन वाला इन्टेक समान दबाव बनाए रखने में संघर्ष करता है, विशेष रूप से दीवारों के पास जहाँ हवा धीमी हो जाती है और घर्षण पैदा करती है। हालाँकि, जब उन्होंने नए ज्यामितिक आकारों को पेश किया, तो परिणाम काफी बदल गए। संशोधित इन्टेक प्रवाह के केंद्र में दबाव बढ़ाने में सक्षम थे, जिससे यह लगभग 1.38 से 1.43 मेगापास्कल के आधार रेखा से बढ़कर 1.50 से 1.55 मेगापास्कल तक पहुँच गया। यह वृद्धि अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि उच्च दबाव का अर्थ है कि इंजन अधिक थ्रस्ट (प्रणोद) उत्पन्न कर सकता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि इन छोटे बदलावों ने हवा को दीवारों से अलग होने से रोकने में मदद की, जो एक आम समस्या है जिससे अक्षमता और अस्थिरता पैदा होती है।

परीक्षण किए गए विभिन्न डिजाइनों में से, दो प्रकार के संशोधन प्रवाह को नियंत्रित करने की अपनी क्षमता के लिए विशिष्ट रहे, हालांकि वे अलग तरह से व्यवहार करते थे। एक दृष्टिकोण में 'रिवर्स-फेसिंग कैविटी' (विपरीत दिशा वाली गुहा) बनाना शामिल था, जो एक खाली स्थान है जो वायु प्रवाह की दिशा के विपरीत पीछे की ओर मुख करता है। यह विशिष्ट डिजाइन, जिसकी गहराई 20 मिलीमीटर थी, इन्टेक के निचले हिस्से के पास बहुत उच्च दबाव बनाने में उल्लेखनीय रूप से प्रभावी था, जो लगभग 1.54 मेगापास्कल के शिखर तक पहुँच गया। हालाँकि, यह सफलता एक समझौते के साथ आई: दबाव का वितरण असमान हो गया, जिससे एक असंतुलित प्रवाह पैदा हुआ जिसे वास्तविक इंजन में प्रबंधित करना कठिन हो सकता है। दूसरा दृष्टिकोण छोटे त्रिकोणीय उभार जोड़ना था, जो अनिवार्य रूप से 0.5 या 1 मिलीमीटर की ऊंचाई वाले छोटे कदम या उभार थे। ये सूक्ष्म-संरचनाएं (micro-structures) सबसे संतुलित समाधान साबित हुईं। उन्होंने न केवल समग्र दबाव बढ़ाया, बल्कि इन्टेक के निकास (exit) पर प्रवाह को बहुत अधिक समान भी रखा।

अध्ययन ने इंजन से बाहर निकलने वाली हवा की गति, या उसके मैक नंबर पर भी बारीकी से नज़र डाली। सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाले डिजाइनों में, टनल के केंद्र में हवा की गति स्थिर, लगभग ध्वनि की गति के 2.2 गुना बनी रही, जो दहन के अगले चरण के लिए आदर्श है। छोटे त्रिकोणीय उभार विशेष रूप से दिलचस्प थे क्योंकि उन्होंने दीवार के ठीक बगल में हवा को तेज करने में मदद की, जिससे स्थानीय स्तर पर यह लगभग 2.5 गुना ध्वनि की गति तक पहुँच गई। सतह के पास हवा को इस तरह पुनर्जीवित करने से हवा को दीवार से चिपकने और धीमा होने से रोकने में मदद मिलती है, जो एक ऐसी घटना है जिसके कारण अक्सर इंजन बंद (stall) हो जाता है। इसके विपरीत, रिवर्स कैविटी डिजाइन ने, हालांकि शक्तिशाली था, दीवार के पास की हवा को काफी धीमा कर दिया, जिससे गति घटकर 1.2 गुना ध्वनि की गति तक गिर गई।

अंततः, कंप्यूटर मॉडल सुझाव देते हैं कि ये छोटे ज्यामितीय बदलाव स्क्रैमजेट डिजाइन के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि रिवर्स कैविटी अत्यधिक दबाव उत्पन्न कर सकती है, सूक्ष्म-त्रिकोणीय उभार (micro-triangular increments) बेहतर समग्र संतुलन प्रदान करते हैं, जो प्रवाह की एकरूपता से समझौता किए बिना उच्च दबाव प्रदान करते हैं। इन सरल, पैसिव विशेषताओं के साथ इन्टेक को सावधानीपूर्वक आकार देकर, इंजीनियर संभावित रूप से अधिक कुशल और विफलता के प्रति कम संवेदनशील इंजन बना सकते हैं। यह कार्य इस बात की पुष्टि करता है कि हाइपरसोनिक इंजन के आंतरिक आकार में सूक्ष्म परिवर्तन भी हाइपरसोनिक उड़ान के चरम बलों को संभालने के तरीके पर गहरा प्रभाव डाल सकते हैं, जिससे हवा की एक अराजक धारा को एक नियंत्रित धारा में बदला जा सकता है जो अगली पीढ़ी की उच्च गति यात्रा को शक्ति देने के लिए तैयार है।