Resumen

El objetivo de este estudio es simular el flujo en la tobera de tapón. Además, se estudió la evolución de los parámetros de este flujo. La masa de la tobera y de los gases de escape se calculó mediante la simulación. Además, todos estos resultados se comparan con los obtenidos mediante los cálculos numéricos. En la segunda parte del estudio, se utilizó el método aproximado para generar el perfil de la tobera de tapón para diferentes valores de la relación de capacidad calorífica γ y el número de Mach de salida. Por último, nuestros resultados se comparan con los obtenidos numérica y experimentalmente (disponibles en la literatura abierta).

1. INTRODUCCIÓN

La mayoría de los motores de propulsante líquido utilizados en los lanzadores están equipados con toberas de geometría fija. Estos tipos de toberas limitan el rendimiento del motor, ya que funcionan con una eficiencia óptima en un único punto de la trayectoria de vuelo. Por el contrario, una tobera con una relación de sección transversal variable optimiza el impulso suministrado a lo largo de toda la trayectoria de vuelo: Para ello se han estudiado varios conceptos de toberas ad-vanzadas [1]. Entre estas toberas, (Aerospike) es una tobera autoadaptativa con altitudes para aplicaciones de una etapa en órbita (SSTO) [2].

La tobera de tapón bidimensional de longitud completa tiene un flujo en expansión continua, mientras que en condiciones fuera de diseño presenta interacciones ondulatorias en el flujo del chorro central. Por el contrario, las toberas de tapón truncado presentan complejidades del flujo base y su tran-sición además de interacciones ondulatorias en el flujo del chorro central. Por lo tanto, el diseño de toberas de tapón con una física de flujo tan compleja sigue suponiendo un reto para la comunidad aeroespacial [3]. Es en este contexto donde cobra importancia el papel de las herramientas de predicción, como los modelos empíricos y la dinámica de fluidos computacional (CFD).

Para entender completamente la tobera de aerospike, comparamos dos métodos de diseños de estas toberas para diferentes M_E y γ, e intentamos validar la CFD para flujos de tobera de aerospike de longitud completa y truncada con experimentos personalizados para un rango de P_R(Presión de la cámara P₀ / Presión ambiente P_a).

2. Revisión bibliográfica

El concepto de tobera de tapón fue desarrollado por primera vez por los alemanes antes de la Segunda Guerra Mundial para aplicaciones aeronáuticas. Las toberas de tapón tienen un cuerpo central en la proximidad del cuello y el proceso de expansión del gas está regulado directa o indirectamente por la presión ambiente, el flujo de gas está regulado por ondas de detención de la desviación del flujo debido a la superficie del tapón [1]. Basándose en consideraciones de relación peso/empuje, el tapón suele estar truncado, lo que da lugar a un flujo de base muy complejo. El uso de estas toberas en el pasado era muy raro, por ejemplo el avión de combate de la Segunda Guerra Mundial llamado Messerschmitt Me 262 estaba equipado con tobera de tapón anular.

• Materias:Simulación de flujo Análisis numérico
• Subjects:Flow Simulation Numerical analysis
• Palabras claves:Método aproximado; Propulsor aerospike; Fluent ANSYS; Función de Prandtl-Meyer
• Keywords:Approximate method; Aerospike; Fluent ANSYS; Function of Prandtl-Meyer