A Comparative Study on 3d Sloshing Dynamics for Negative-G Acceleration
यह अध्ययन विभिन्न फिल रेश्यो (fill ratios), उत्तेजना बलों (excitation forces) और आंतरिक दबावों के तहत एक गुंबदकार गोलाकार बेलनाकार टैंक के भीतर 3D नेगेटिव-जी स्लॉशिंग डायनेमिक्स (negative-g sloshing dynamics) का अनुकरण करने में पांच OpenFOAM प्रवाह मॉडलों (लैमिनार, LES और k-ω SST सहित) की सटीकता, प्रदर्शन और गणनात्मक लागत (computational cost) को मान्य और तुलना करता है ताकि स्लॉशिंग बलों, द्रव्यमान केंद्र (center of mass) के स्थानों और प्रणोदक विच्छेदन (propellant discontinuities) की भविष्यवाणी करने की उनकी क्षमता का आकलन किया जा सके।
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कल्पना कीजिए कि एक अंतरिक्ष यान अंतरिक्ष के निर्वात में यात्रा कर रहा है, जिसमें तरल ईंधन से भरा एक टैंक है। सड़क पर चलने वाली कार के विपरीत, यह वाहन ईंधन को टैंक के निचले हिस्से में स्थिर रखने के लिए गुरुत्वाकर्षण पर भरोसा नहीं कर सकता। जब रॉकेट अपने इंजन चलाता है, तो ईंधन इधर-उधर डोलने लगता है, लेकिन जब इंजन बंद हो जाते हैं या वाहन तेजी से मुड़ता है, तो ईंधन किसी भी दिशा में उड़ सकता है। यदि रॉकेट अचानक इस तरह से त्वरित (एक्सेलेरेट) होता है जिससे ईंधन टैंक के नीचे स्थित निकास (आउटलेट) से दूर चला जाता है, तो इंजन ईंधन की कमी के कारण बंद हो सकता है। यह मिशन की सुरक्षा के लिए एक गंभीर समस्या है। इंजीनियरों को यह सटीक भविष्यवाणी करने की आवश्यकता है कि चलते हुए कंटेनर के भीतर यह तरल कैसे व्यवहार करेगा, यह दीवारों से कितनी जोर से टकराएगा, और प्रवाह वास्तव में कब रुक सकता है। ऐसा करने के लिए, वे शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हैं जो डिजिटल विंड टनल की तरह काम करते हैं, लेकिन यह टैंक के भीतर तरल पदार्थों के लिए है।
इस्तांबुल तकनीकी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह परीक्षण करने के लिए कि विभिन्न कंप्यूटर मॉडल इस अराजक व्यवहार की कितनी अच्छी तरह भविष्यवाणी कर सकते हैं, एक विशेष, खतरनाक परिदृश्य पर ध्यान केंद्रित किया: एक अचानक नकारात्मक त्वरण (नेगेटिव एक्सेलेरेशन), जहाँ रॉकेट टैंक के नीचे स्थित ड्रेन से ईंधन को दूर धकेलता है। उन्होंने एक आभासी टैंक का उपयोग किया जो गोल सिरों वाले बेलनाकार आकार का था, जो हाइड्राजीन जैसे एक सामान्य रॉकेट प्रणोदक (प्रोपेलेंट) के समान तरल से भरा था। शोधकर्ताओं ने प्रवाह का वर्णन करने के लिए पांच अलग-अलग गणितीय दृष्टिकोणों का उपयोग करके सिमुलेशन चलाए। कुछ मॉडलों ने तरल को पूरी तरह से चिकना और शांत माना, जबकि अन्य ने उन सूक्ष्म, अराजक भंवरों और विक्षोभ (टर्बुलेंस) को समझाने का प्रयास किया जो वास्तविक तरल पदार्थों में होते हैं। उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि टैंक के भीतर दबाव, जो निर्वात से लेकर 600 बार के अत्यधिक उच्च दबाव तक होता है, ईंधन के हिलने के तरीके को कैसे बदल सकता है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि सभी कंप्यूटर मॉडल ईंधन के सीधे नीचे की ओर धकेले जाने पर उसकी बुनियादी गति पर सहमत थे, वे पार्श्व गति (साइड-टू-साइड मोशन) के मामले में काफी भिन्न थे। जब ईंधन टैंक के ऊपरी हिस्से से टकराया और वापस नीचे गिरा, तो इसने मुख्य प्रवाह की दिशा के लंबवत दिशाओं में चलने वाले जटिल, उच्च गति वाले भंवरों को जन्म दिया। सरल मॉडलों ने, जिन्होंने माना था कि तरल सुचारू रूप से चलता है, इन हिंसक पार्श्व आंदोलनों को पकड़ने में विफल रहे और अक्सर टैंक की दीवारों पर लगने वाले बलों की गलत भविष्यवाणी की। अधिक उन्नत मॉडल, जो विक्षोभ (टर्बुलेंस) को ध्यान में रखते थे, इन अचानक, तीव्र बल परिवर्तनों की भविष्यवाणी करने में बहुत बेहतर थे। हालाँकि, इन उन्नत मॉडलों को चलाने के लिए काफी अधिक कंप्यूटिंग शक्ति और समय की आवश्यकता थी।
अध्ययन का एक प्रमुख निष्कर्ष यह था कि टैंक के भीतर दबाव बढ़ाने से, जैसा कि अपेक्षित होता है, डोलना (स्लॉशिंग) कम नहीं हुआ। बहुत उच्च दबाव पर भी, ईंधन हिंसक रूप से घूमता रहा, और ड्रेन से ईंधन के अलग होने का समय समान ही रहा। सिमुलेशन ने दिखाया कि लगभग 3.85 सेकंड के नकारात्मक त्वरण के बाद, ईंधन का द्रव्यमान टैंक के निचले हिस्से से ऊपर उठ जाएगा, जिससे इंजन का प्रवाह कट जाएगा। यह समय सभी मॉडलों में सुसंगत था, चाहे दबाव का स्तर कुछ भी हो या उपयोग किए गए गणित की जटिलता कितनी भी हो। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि टैंक की गोल छत का आकार इन अराजक पार्श्व धाराओं को बनाने में प्रमुख भूमिका निभाता है, जो अल्पकालिक लेकिन शक्तिशाली भंवर (एडीज) उत्पन्न करता है, जिन्हें सरल मॉडल नहीं पकड़ पाते।
अंततः, यह अध्ययन सुझाव देता है कि सुरक्षित अंतरिक्ष यान डिजाइन करने के लिए, इंजीनियर सबसे सरल कंप्यूटर मॉडलों पर भरोसा नहीं कर सकते यदि उन्हें गंभीर युद्धाभ्यास के दौरान वाहन पर लगने वाले सटीक बलों और मोमेंट्स की भविष्यवाणी करनी हो। हालांकि सरल मॉडल तेजी से और सस्ते में चलते हैं, वे पार्श्व दिशाओं में होने वाले महत्वपूर्ण, गैर-रेखीय (नॉन-लीनियर) बल स्पाइक्स को छोड़ देते हैं। अधिक जटिल मॉडल इन खतरनाक गतिकी (डायनामिक्स) की स्पष्ट तस्वीर प्रदान करते हैं, भले ही वे अधिक कंप्यूटिंग संसाधनों की मांग करते हों। यह कार्य पुष्टि करता है कि यह सुनिश्चित करने के लिए कि एक महत्वपूर्ण युद्धाभ्यास के दौरान रॉकेट इंजन कभी खाली न रहे, सिमुलेशन इतने विस्तृत होने चाहिए कि वे ईंधन के अराजक, घूमते हुए स्वभाव को पकड़ सकें, जैसा कि वह टैंक की दीवारों से टकराकर उछलता है, बजाय इसके कि यह मान लिया जाए कि वह एक सुचारू, अनुमानित रेखा में चलता है।
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