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Tesis:

Estudio numérico de la histéresis y cargas laterales en toberas de motor cohete de empuje óptimo sobre expansionadas.

  • Autor: MORIÑIGO MADUEÑO, José Antonio

  • Título: Estudio numérico de la histéresis y cargas laterales en toberas de motor cohete de empuje óptimo sobre expansionadas.

  • Fecha: 2004

  • Materia: Sin materia definida

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS AERONAUTICOS

  • Departamentos: MOTOPROPULSION Y TERMOFLUIDODINAMICA

  • Acceso electrónico:

  • Director/a 1º: SALVA MONFORT, José Juan

  • Resumen: El presente trabajo numérico analiza los fenómenos de histéresis, modos de separación y transición entre ellos observados en un tipo especifico de toberas conocido como empuje, óptimo (TOC) en sobre expansión, propias de motores cohete de lanzadores en su operación a nivel de mar. El estudio se centra en la tobera, sub-escala J-2S 1:16 ensayada con aire seco. Mediante simulación numérica de fluidos, se profundiza en la fenomenología citada y en la aparición de fuertes cargas laterales durante los transitorios de arranque y parada del motor , estando el estudio soportado por los resultados experimentales disponibles. Como punto de partida, la realización de simulaciones RANS 21D-axisimétricas estacionarias ha permitido clarificar el papel desempeñado por la onda de choque interna nacida en la vecindad de la garganta de la tobera en la formación y configuración del patrón de ondas de choque denominado cap-shock. Además, las similaciones RANS 2D.axisimétricas no estacionarias de los transitorios de operación de la tobera han permitido indagar en la no estacionariedad del flujo y evolución de la configuración de ondas de choque presentes en el divergente, Los resultados revelan la existencia de una transición hacia la situación de flujo readherido (transitorio de arranque) y otra hacia la situación de flujo separado (transitorio de parada). El nacimiento de la gran bolsa de recirculación sobre el eje aguas abajo del cap-shock y subsiguiente crecimiento constituyen fenómenos analizados postulándose un criterio de nacimiento de la misma de acuerdo con el comportamiento observado. En el contexto de las simulaciones 2D-axisimétricas, el bucle de histéresis visible en el mapa de eficiencia del empuje, así como los perfiles de presión sobre la pared para varios ratios de presión de cámara NPRs, muestran un buen ajuste con los ensayos. Las simulaciones RANS 2D y 3D no-estacionarias han puesto de manifiesto el desarrollo de auto-oscilaciones en la corriente para los NPRs simulados, en consonancia con ensayos recientes. El hecho de que la potencia espectral presente una frecuencia dominante función del punto de operación NPR, lleva a postular que es la excitación de un modo de flameo del chorro la causa mas probable de tal movimiento. A su vez, se han abordado simulaciones 3D no-estacionarias para NPR fijo, previa implementación de condiciones de contorno no-reflexivas de radiación y outflow en su formulación 3D. Esta implementación ha sido validada a partir de soluciones 2D obtenidas con condiciones de contorno reflexivas, Por vez primera, las simulaciones 3D no-estacionarias realizadas han logrado capturar el desarrollo de auto-oscilaciones periódicas del flujo en una tobera TOC, caracterizadas por la presencia de fuertes cargas laterales acopladas con fluctuaciones del empuje. La frecuencias de la oscilación axial y lateral del chorro computadas muestran un ajuste excelente con las reportadas en el J-2S 1:16. Dichas simulaciones vienen a confirmar que el fenómeno de separación-readhesión asimétrica es el mecanismo principal responsable de la generación de fuertes cargas laterales.