Numerical analysis of over-expanded flow in the experimental ULA-2 conical nozzle out of design
DOI:
https://doi.org/10.21501/21454086.3707Keywords:
Cohete sonda, Campo de flujo, Dominio computacional, Flujo sobrexpandido, Fluctuación, Modelo de turbulencia, Longitud de garganta, Onda de choque, Simulación, Tobera cónica.Abstract
En la Universidad de Los Andes, Venezuela, el GCAE ha diseñado y fabricado un grupo de toberas supersónicas con longitud de garganta, las cuales han sido empleadas en su fase experimental en motores de cohetes sonda de la serie ULA. En el presente trabajo el objetivo es analizar el comportamiento del campo de flujo sobrexpandido en la tobera cónica experimental ULA-2, que tiene un ángulo medio de la divergente de , considerado una tobera fuera de diseño. El campo de flujo se simuló en un dominio computacional 2D con el código Ansys-Fluent para dos casos de longitud de garganta; se empleó el modelo RANS en conjunto con el modelo de turbulencia de Menter, y para la viscosidad la ley de Sutherland. Los resultados del campo de número de Mach, presión y temperatura, para la sección de la garganta con mayor longitud
presentaron fluctuaciones producto de las ondas de choque oblicuas, y para la menor longitud no se presentaron fluctuaciones. Se concluye que existe una influencia de la longitud de garganta en el desarrollo del flujo en esa sección; sin embargo, la longitud de garganta no influye de manera significativa en la velocidad del flujo a la salida de la tobera.
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References
G. P. Sutton and O. Biblarz, Rocket propulsion elements, 9th ed., New York, USA: John Wiley & Sons, 2016.
J. D. Anderson, Fundamentals of aerodynamics, 6th ed., New York, USA: McGraw-Hill, 2017.
F. White, Fluids Mechanics, 8th ed., New York, USA: McGraw-Hill Education, 2016.
T. v. Karman, “The fundamentals of the statistical theory of turbulence”, Journal of the Aeronautical Sciences, vol. 4, no. 4, pp. 131–138, 1937, doi: https://doi.org/10.2514/8.350
F. White, Viscous fluid flow, 3rd ed., New York, USA: McGraw-Hill, 2006.
H. Schlichting and G. Klaus, Boundary-layer theory, 9th ed., Berling Heidelberg, Germany: Springer-Verlag, 2017.
J. Östlund and B. Muhammed, “Supersonic flow separation with application to rocket engine nozzles”, ASME, Applied Mechanics Reviews, vol. 58, no. 3, pp. 143-177, 2005, doi: https://doi.org/10.1115/1.1894402
F. A. Riveros y L. A. Rodriguez, “Diseño y construcción de un cohete aficionado controlado mediante el accionamiento de una tobera de empuje vectorial”. Trabajo de grado, dirigido por J. A. Aponte, Facultad de ingeniería, Universidad Militar Nueva Granada, Bogotá, Colombia, 2010.
C. Génin, A. Gernoth and R. Stark, “Experimental and numerical study of heat flux in dual bell nozzles”, Journal of Propulsion and Power, vol. 29, no. 1, pp. 21-26, 2013, doi: https://doi.org/10.2514/1.B34479
P. Krehl and S. Engemann, “August toepler —the first who visualized shock waves”, Shock Waves, vol. 5, no. 1, pp. 1-18, 1995, doi: https://doi.org/10.1007/BF02425031
G. S. Settles, “Toma ultrarrápida de imágenes de ondas de choque, explosiones y disparos”. Revista Investigación y Ciencia, pp. 74-83, no. 356, may, 2006, http://www.investigacionyciencia.es/revistas/investigacion-y-ciencia/genes-de-la-longevidad-419/toma-ultrarrpida-de-imgenes-de-ondas-de-choque-explosiones-y-disparos-5828
J. Blazek, Computational fluid dynamics: principles and applications, 3rd ed., Oxford, United Kingdom: Butterworth-Heinemann, 2015.
A. Okninski, B. Marciniak, B. Bartkowiak, D. Kaniewski, J. Matyszewski, J. Kindracki and P. Wolanski, “Development of the polish small sounding rocket program”, Journal Acta Astronautica, vol. 108, pp. 46-56, 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.12.001
J. Huh, B. Ahn, Y. Kim, H. Song, H. Yoon and S. Kwon, “Development of a university-based simplified H2O2/PE hybrid sounding rocket at KAIST”, International Journal of Aeronautical and Space Sciences, vol. 18, no. 3, pp. 512-521, 2017, doi: https://dx.doi.org/10.5139/IJASS.2017.18.3.512
C. Nilsen, S. Meriam and S. Meyer, “Purdue liquid oxygen-liquid methane sounding rocket”, AIAA SciTech Forum, 2019, San Diego, California, doi: https://doi.org/10.2514/6.2019-0614
F. Heeg, L. Kilzer, R. Seitz and E. Stoll, “Design and test of a student hybrid rocket engine with an external carbon fiber composite structure”, Aerospace, vol. 7, no. 57, pp. 1-19, 2020, doi: https://doi.org/10.3390/aerospace7050057
V. Marcano, P. Benítez, C. La Rosa, L. Lacruz, M. A. Parco, J. Ferreira, R. Andressen, A. Serra, M. Peñaloza, L. Rodríguez, J. E. Cárdenas, V. Minitti y J. J. Rojas, “Progresos alcanzados en el proyecto universitario cohete sonda ULA”, Revista Universidad, Ciencia y Tecnología, vol. 13, no. 53, pp. 305–316, 2009, http://uct.unexpo.edu.ve/index.php/uct/article/view/109
G. Ordoñez, “Diseño y fabricación de un cohete híbrido con aceleradores sólidos auxiliares para alcanzar altitudes extremas con fines de investigación”, Revista ciencia y Tecnología, vol. 10, no. 1, pp. 101–113, 2008, https://unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/eu/Revista_Ciencia_y_Tecnologia/CienciaTecnologia10.pdf
R. Nakka, “Richard Nakka’s Experimental rocketry web site”. [Online]. Available: https://www.nakka-rocketry.net, consultado el 5 de julio de 2020.
S. L. Tolentino, J. Ferreira, M. A. Parco, L. Lacruz y V. Marcano, “Simulación numérica del flujo sobre-expandido en la tobera cónica experimental ULA-1A XP”, Revista Universidad, Ciencia y Tecnología, vol. 21, no. 84, pp. 126–133, 2017, http://www.uct.unexpo.edu.ve/index.php/uct/article/view/803
D. C. Wilcox, Turbulence modeling for CFD, 3rd ed., California, USA: DCW Industries, 2006.
ANSYS, “Ansys Fluent 2019 R1: Theory guide”, [Online]. Available: https://go-pdf.online/out/2BE079D/ansys-fluent-theory-guide.pdf, consultado el 5 de julio de 2020.
J. Anderson, Hipersonic and high temperature gas dynamics, Virginia, USA: AIAA, 2019.
W. Sutherland, “The viscosity of gases and molecular force”, Philosophical Magazine series 5, pp. 507–531, 1893, doi: https://doi.org/10.1080/14786449308620508
F. R. Menter, “Two equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications”, AIAA Journal, vol. 32, no. 8, pp. 1598–1605, 1994, doi: https://doi.org/10.2514/3.12149
S. L. Tolentino, “Evaluation of turbulence models for the air flow in a planar nozzle”, Revista INGENIUS, no. 22, pp. 25–37, 2019, doi: https://doi.org/10.17163/ings.n22.2019.03
S. L. Tolentino, “Evaluación de modelos de turbulencia para el flujo de aire en un difusor transónico”, Revista Politécnica, vol. 45, no. 1, pp. 25-38, 2020, doi: https://doi.org/10.3333/rp.vol45n1.03
L. Lacruz, M. A. Parco, R. Santos, C. Torres, J. Ferreira y P.
Benítez, “Análisis experimental de las oscilaciones de presión interna en un motor de combustible sólido para cohete sonda”, Revista Ciencia y Tecnología, vol. 37, no. 2, pp. 81–88, 2016, http://erevistas.saber.ula.ve/index.php/cienciaeingenieria/article/view/7443
M. A. Parco, “Análisis experimental de temperaturas en la tobera de un motor de cohete de combustible sólido”. Trabajo de Grado de Maestría, dirigido por P. R. Benítez, Facultad de Ingeniería, Universidad de Los Andes, Mérida, Venezuela, 2014.
Y. A. Cengel and J. M. Cimbala, Fluid mechanics: Fundamentals and applications, 4th ed., New York, USA: McGraw-Hill, 2017.
S. L. Tolentino, M. A. Parco, S. Caraballo, L. Lacruz, V. Marcano, J. Ferreira y J. Mírez, “Análisis numérico del comportamiento del flujo en la sección de la garganta de una tobera cónica experimental”, Revista Enfoque UTE, vol. 12, no. 1, pp. 1228, 2021, doi: https://doi.org/10.2909/enfoqueute.676
H. Ding, C. Wang and G. Wang, “Transient conjugate heat transfer in critical flow nozzle”, International Journal of Heat and Mass transfer, vol. 104, pp. 930942, 2017, doi: https://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.09.021
S. L. Tolentino, R. Nakka, S. Caraballo y J. Mírez, “Numerical simulation of the flow under-expanded flow in the experimental conical nozzle helios-x”, Revista INGENIUS, no. 25, pp. 81-93, 2021, doi: https://doi.org/10.17163/ings.n25.2021.08
C. A. Hunter, “Experimental, theoretical, and computational investigation of separated nozzle flows”, 34th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference exhibit, july 1998, Cleveland, OH, doi: https://doi.org/10.2514/6.1998-3107
S. Verma, M. Chidambaranatathan and A. Hadjadj, “Analysis of shock unsteadiness in a supersonic over-expanded planar nozzle”, European Journal of Mechanics/B Fluids, vol. 68, pp. 55-65, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2017.11.005
E. Martelli, P. P. Ciottoli, L. Saccoccio, F. Nasuti, M. Valorani and M. Bernardini, “Characterization of unsteadiness in an overexpanded planar nozzle”, AIAA Journal, vol. 57, no. 1, pp. 239-251, 2019, doi: https://doi.org/10.2514/1.J057162
P. P. Nair, A. Suryan and H. Dong, “Computational study on reducing flow asymmetry in over-expanded planar nozzle by incorporating double divergence”, Aerospace Science and Technology, vol. 100, pp. 1-18, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.ast.2020.105790
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