Simulación numérica del flujo subexpandido en la tobera cónica experimental helios-x

Contenido principal del artículo

San Luis B. Tolentino Masgo http://orcid.org/0000-0001-6320-6864
Richard Nakka http://orcid.org/0000-0002-7759-7162
Simón Caraballo https://orcid.org/0000-0002-0170-2448
Jorge Mírez https://orcid.org/0000-0002-5614-5853

Resumen

Estudios numéricos del campo de flujo para toberas convergentes-divergentes con longitud de garganta han reportado fluctuaciones del flujo con ondas de choque oblicuo en la sección de la garganta, para la condición de flujo sobreexpandido. Sin embargo, para otras condiciones del flujo, para un mismo tipo de tobera, el conocimiento es limitado. En el presente trabajo, el objetivo es determinar el comportamiento del flujo en la longitud de garganta y en la divergente, para una tobera cónica experimental clasificada como Helios-X, para la condición de flujo subexpandido. Se realizaron simulaciones numéricas 2D del campo de flujo con el código ANSYS-Fluent versión 12.1, aplicando el modelo RANS. Se emplearon las ecuaciones gobernantes para el flujo compresible, conservación de la masa, cantidad de movimiento, energía y de estado; así como, para la turbulencia el modelo SST  de Menter y para la viscosidad en función de la temperatura la ecuación de Sutherland. En la sección de la garganta, adyacente a la pared, el flujo presentó fluctuaciones, en la simetría axial el flujo presentó una aceleración escalonada; en la sección divergente, el flujo se desaceleró en cierta región, sin embargo, el flujo salió de la tobera a velocidad supersónica ligeramente mayor de Mach 3. Se concluye que en la sección de la longitud de garganta se presenta un patrón de flujo, así como, en la sección divergente.
Abstract 23 | PDF Downloads 9 PDF (English) Downloads 2

Citas

[1] G. P. Sutton and O. Biblarz, Rocket propulsion elements. John Wiley & Sons, 2016. [Online]. Available: https://bit.ly/35psFaR
[2] J. Blazek, Computational fluid dynamics: principles and applications. Butterworth-Heinemann, 2015. [Online]. Available: https://bit.ly/3pnxjhx
[3] B. Andersson, R. Andersson, L. Hakansson, M. Mortensen, R. Sudiyo, and B. van Wachem, Computational Fluid Dynamics Engineers. Cambridge University Press, 2011. [Online]. Available: https://bit.ly/32BPCWo
[4] J. D. Anderson, Fundamentals of aerodynamics. McGraw-Hill international editions. Mechanical engineering series, 1984. [Online]. Available: https://bit.ly/3eQR5ge
[5] F. M. White, Fluid Mechanics. McGraw-Hill series in mechanical engineering, 2011. [Online]. Available: https://bit.ly/35opmAy
[6] P. Krehl and S. Engemann, “August toepler – the first who visualized shock waves,” Shock Waves, vol. 5, no. 1, pp. 1–18, Jun. 1995. [Online]. Available: https://doi.org/10.1007/BF02425031
[7] V. Karman, “The fundamentals of the statistical theory of turbulence,” Journal of the Aeronautical Sciences, vol. 4, no. 4, pp. 131–138, 1937. [Online]. Available: https://doi.org/10.2514/8.350
[8] F. White, Viscous fluid flow. McGraw-Hill series in Aeronautical and Aerospace Engineering, 1974. [Online]. Available: https://bit.ly/3eRRCyP
[9] H. Schlichting and K. Gersten, Boundary-Layer Theory. Springer, 2016. [Online]. Available: https://bit.ly/36yZGAx
[10] D. C. Wilcox, Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries, Incorporated, 1994. [Online]. Available: https://bit.ly/32HZnCm
[11] A. L. Tolentino, J. Ferreira, M. Parco, L. Lacruz, and V. Marcano, “Simulación numérica del flujo sobre-expandido en la tobera cónica experimental ULA-1A XP,” Unviversidad, Ciencia y Tecnología, vol. 21, no. 84, pp. 126–133, 2017. [Online]. Available: https://bit.ly/2H4yX6k
[12] V. Marcano, P. Benitez, C. La Rosa, L. La Cruz, M. A. Parco, J. Ferreira, R. Andrenssen, A. Serra Valls, M. Peñaloza, L. Rodríguez, J. E. Cárdenas, V. Minitti, and J. J. Rojas, “Progresos alcanzados en el proyecto universitario cohete sonda ULA,” Universidad, Ciencia y Tecnología, vol. 13, no. 53, pp. 305–316, 2009. [Online]. Available: https://bit.ly/3f73vB2
[13] L. Lacruz-Rincón, M. A. Parco-Brizuela, R. Santos-Luque, C. Torres-Monzón, J. Ferreira- Rodríguez, and P. Benítez-Díaz, “Análisis experimental de las oscilaciones de presión interna en un motor de combustible solido para cohete sonda,” Ciencia e Ingeniería, vol. 13, no. 53, 2016. [Online]. Available: https://bit.ly/3noQfdL
[14] Universidad de los Andes. Programa espacial ULA. [Online]. Available: https://bit.ly/35tiodw
[15] S. L. Tolentino Masgo and R. Nakka, “Simulación del flujo supersónico en la tobera del motor cohete Helios-X de categoría amateur,” in Jornadas de Investigación, 2019. [Online]. Available: https://bit.ly/3pwDY8U
[16] R. Nakka. Richard Nakka’s experimental rocketry web site. [Online]. Available: https://bit.ly/2IrDZKX
[17] F. R. Menter, “Two equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications,” Aerospace Research Central, vol. 32, no. 8, pp. 1598–1605, 2012. [Online]. Available: https://doi.org/10.2514/3.12149
[18] A. Balabel, A. M. Hegab, M. Nasr, and S. M. El-Behery, “Assessment of turbulence modeling for gas flow in two-dimensional convergent–divergent rocket nozzle,” Applied Mathematical Modelling, vol. 35, no. 7, pp. 3408–3422, 2011. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.apm.2011.01.013
[19] S. L. Tolentino Masgo, “Evaluación de modelos de turbulencia para el flujo de aire en una tobera plana,” INGENIUS, no. 22, pp. 25–37, 2019. [Online]. Available: https://doi.org/10.17163/ings.n22.2019.03
[20] Y. Liu, J. Wu, and L. Lu, “Performance of turbulence models for transonic flows in a diffuser,” Modern Physics Letters B, vol. 30, no. 25, p. 1650326, 2016. [Online]. Available: https://doi.org/10.1142/S0217984916503267
[21] S. L. B. Tolentino Masgo, “Evaluación de modelos de turbulencia para el flujo de aire en un difusor transónico,” Revista Politécnica, vol. 45, no. 1, pp. 25–38, abr. 2020. [Online]. Available: https://doi.org/10.33333/rp.vol45n1.03
[22] Y. Zhang, H. Chen, M. Zhang, M. Zhang, Z. Li, and S. Fu, “Performance prediction of conical nozzle using navier–stokes computation,” Journal of Propulsion and Power, vol. 31, no. 1, pp. 192–203, 2015. [Online]. Available: https://doi.org/10.2514/1.B35164
[23] R. Jia, Z. Jiang, and W. Zhang, “Numerical analysis of flow separation and side loads of a conical nozzle during staging,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, vol. 230, no. 5, pp. 845–855, 2016. [Online]. Available: https://doi.org/10.1177/0954410015599798
[24] H. Ding, C. Wang, and G. Wang, “Transient conjugate heat transfer in critical flow nozzles,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 104, pp. 930–942, 2017. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.09.021
[25] A. K. Mubarak and P. S. Tide, “Design of a double parabolic supersonic nozzle and performance evaluation by experimental and numerical methods,” Aircraft Engineering and Aerospace Technology, vol. 91, no. 1, pp. 145–156, Dec. 2020. [Online]. Available: https://doi.org/10.1108/AEAT-12-2017-0275
[26] R. H. Pletcher, J. C. Tannehill, and D. Anderson, Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. CRC Press, 2012. [Online]. Available: https://bit.ly/3psYKX9
[27] D. Munday, E. Gutmark, J. Liu, and K. Kailasanath, Flow Structure of Supersonic Jets from Conical C-D Nozzles. [Online]. Available: https://doi.org/10.2514/6.2009-4005
[28] J. Östlund and B. Muhammad-Klingmann, “Supersonic Flow Separation with Application to Rocket Engine Nozzles ,” Applied Mechanics Reviews, vol. 58, no. 3, pp. 143–177, 05 2005. [Online]. Available: https://doi.org/10.1115/1.1894402