Investigación numérica del flujo compresible alrededor del cono de nariz con Multi

Aug 03, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 787 (2023) Citar este artículo

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Debido al fuerte calentamiento aerodinámico, la protección de la parte delantera del scramjet es crucial para el vuelo hipersónico. En el presente trabajo, se propone e investiga un nuevo sistema de enfriamiento para la protección del cono de la nariz en vuelos hipersónicos. La dinámica de fluidos computacional se utiliza para la simulación del chorro de refrigerante lateral y axial liberado desde la punta en condiciones de alta velocidad. El objetivo principal es encontrar la ubicación óptima del chorro para un enfriamiento eficiente del conjunto de punta y punta. Se investiga a fondo la influencia de dos chorros de refrigerante (dióxido de carbono y helio) en el mecanismo del sistema de refrigeración. Para la simulación, las ecuaciones RANS se combinan con la ecuación de transporte de especies y el modelo de turbulencia SST. Se investigan dos configuraciones de chorro diferentes (posiciones de disco axial) para obtener condiciones eficientes para la protección del cono de la nariz en vuelo hipersónico. Nuestros resultados indican que la presencia de la punta en el cono de la nariz disminuye la presión hasta un 33% en el cuerpo principal y desplaza la presión máxima a ángulos más altos debido a la desviación de la corriente de aire. La presión máxima cae aproximadamente un 50 % mediante la inyección del chorro del disco de refrigerante (C2) en un ángulo de 55 grados.

El sistema de refrigeración para el control térmico de la calefacción aerodinámica es el tema principal en el diseño de la parte delantera de vehículos de alta velocidad y lanzaderas. Se han realizado esfuerzos considerables para encontrar una solución eficiente a este problema y se han propuesto e investigado algunas técnicas prácticas y teóricas a este respecto1,2. La característica compleja del flujo hipersónico cerca del cono de la nariz es un desafío importante para la evaluación de la eficiencia térmica de estas técnicas propuestas3,4. Además, la producción del choque con la disociación del aire también intensifica la complejidad de la física del flujo en las proximidades del cono de la nariz5.

Dado que el concepto principal de la parte delantera es reducir la resistencia aerodinámica, una nueva metodología debería considerar esto para la gestión térmica del calentamiento aerodinámico. De hecho, la reducción tanto del calor como de la resistencia debe equilibrarse para el modelo eficiente6,7. El dispositivo mecánico de punta es el modelo práctico más convencional para la reducción térmica del cono de nariz en flujo hipersónico. En esta técnica, la separación del flujo se produce en la punta de la espiga y se produce una región de alta temperatura cerca de la espiga8,9. Dado que la punta reduce la fuerza de arrastre y el calentamiento en el cono de la nariz, es popular y práctica en aplicaciones reales. La formación de choque y el valor de la transferencia de calor es proporcional a la forma y longitud de la espiga10. La fuerza y ​​la interacción del choque del arco producido delante de la púa es importante para la carga térmica en el cuerpo principal. Trabajos anteriores han investigado exhaustivamente varias características de la púa mecánica para lograr la geometría óptima de esta técnica11,12,13.

La aplicación del disco de varias filas en la púa también mejora el rendimiento térmico de la púa14,15. En este método, el flujo de recirculación se produce en los huecos y esto mejora la transferencia de calor en la zona de la punta. Además, la desviación del amortiguador se gestiona mediante el tamaño del disco y esto podría evitar la desviación del amortiguador en el cuerpo principal16,17.

La inyección del refrigerante desde el cono de morro también se conoce como segunda técnica para la protección térmica de la parte delantera de vehículos hipersónicos18,19. En este concepto, se libera un chorro transitorio y esto empuja el amortiguador de proa hacia aguas arriba. Además, la baja temperatura del refrigerante reduce la temperatura del gas cerca del cono y, en consecuencia, disminuye la transferencia de calor hacia el cuerpo principal20,21. Además, la conductividad térmica (Cp) del flujo cambia mediante la inyección de gas secundario y esto también es eficaz para proteger el cono de la nariz. Aunque este enfoque aún no es práctico, ofrece datos importantes sobre el mecanismo de producción de calor mediante el proceso de calentamiento aerodinámico22,23,24.

Recientemente, la técnica híbrida se ha vuelto popular para la protección térmica del cono de la nariz en flujo hipersónico25,26. La combinación de fluidos (chorro opuesto) y mecánicos (pico) podría ayudar a los ingenieros aeroespaciales a lograr un mayor rendimiento en reducción térmica y de resistencia27,28,29. En el presente trabajo se propone la inyección del chorro de refrigerante desde el cono de la nariz con un disco de varias filas, como se muestra en la Fig. 1. En la técnica sugerida, el enfriamiento de la nariz se realiza mediante la inyección de refrigerante desde la punta mientras se reduce la resistencia. por la púa. Este método innovador intenta aplicar ambas ventajas para la reducción de la resistencia y el calor en la punta y la punta.

Modelo seleccionado con sistema de inyección propuesto.

En este artículo, se han realizado estudios tridimensionales completos para el análisis de dispositivos híbridos fluídicos y mecánicos para la protección térmica del cuerpo principal en vuelo hipersónico. Se investigan a fondo los efectos de la ubicación del chorro y los tipos de refrigerante sobre la carga térmica del cono de punta puntiaguda con disco de varias filas. El enfoque CFD se utiliza para la visualización del flujo compresible cerca de la configuración propuesta. Se investiga la característica de flujo alrededor de la nariz y la tasa de flujo de calor en el cuerpo principal y la punta.

La simulación del flujo compresible alrededor del cono de la nariz casi se realiza resolviendo las ecuaciones RANS30,31,32. Para la simulación de la inyección de helio y dióxido de carbono como especies secundarias, la ecuación de transporte de especies también se combina con la ecuación de energía, ya que esta última es esencial para el modelado del choque dentro del dominio33,34. Debido a la alta velocidad del flujo de aire, se utiliza el esquema de segundo orden contra el viento para la discretización de los términos de convección de la ecuación gobernante. El flujo de gas se supone gas ideal y las reacciones y disociaciones no se consideran en este trabajo35,36. Debido a la situación de flujo de alta velocidad, en nuestro estudio se utiliza el modelo de turbulencia SST para el cálculo de la viscosidad. Para el cálculo de la capacidad calorífica se aplica la ley de mezcla37,38,39.

En este trabajo, el flujo de entrada es una presión de campo lejano con M = 5,0, Pinf-2550 y Tinf = 221 K. Se eligen helio y dióxido de carbono como chorros refrigerantes con condición sónica a Ts = 300 K. La presión de salida se extrapola de los resultados del interior. dominio. La púa y el cuerpo principal se supone que es una pared con una temperatura constante de 300 K. La longitud de la púa es igual al diámetro del cuerpo principal. Se eligen dos posiciones en la punta del disco y tres ubicaciones en el vástago de la espiga para la inyección del chorro de refrigerante. El área de estos inyectores es igual para tener un caudal másico idéntico para comparar estas configuraciones. Para reducir el costo computacional, solo se seleccionan 45 grados de tres modelos completos como dominio para las simulaciones. Por tanto, la condición de simetría se aplica a dos lados del dominio40,41.

La producción de la rejilla se realiza con consideraciones específicas cerca de los inyectores y la punta de la púa y el disco donde se produce la interacción del choque principal y el calentamiento severo42,43. Como se muestra en la Fig. 2, se utiliza una cuadrícula estructurada y esto se debe principalmente a las fuertes interacciones de choque y las regiones de alta temperatura en nuestro dominio. Además, el choque de distribución de la red debe ser uniforme para evitar la difusión de errores en nuestras simulaciones. Para el análisis de independencia de la red, en el primer paso se generan y simulan cuatro resoluciones de red. Se realiza una comparación de la carga de calor en el cuerpo principal para las rejillas producidas (Tabla 1) y se encuentra que la rejilla fina tiene 1.628.000 celdas. 74 h son tiempo de cálculo y el residual para la convergencia es 10e − 4.

Producción de redes.

La comparación de nuestros resultados computacionales con el trabajo experimental de Dechaumphai et al.44 se presenta en la Fig. 3. En estos gráficos, se realizan cambios de la presión normalizada en el cuerpo principal del cono sin punta. Además, en esta figura también se presentan los resultados del estudio numérico de Zhu et al.39. Se observa que la desviación media de nuestros datos con otros trabajos es inferior al 6%. La validación de estudios computacionales se ha realizado en varios trabajos anteriores45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55

Validaciones55.

La Figura 4 muestra el flujo y la concentración del gas refrigerante (He y CO2) para el sistema de inyección liberado desde la punta del disco ubicado en la punta. Como era de esperar, la formación de circulaciones en la cavidad es la principal física de flujo de las configuraciones propuestas. La comparación de estos dos gases refrigerantes para el modelo Cl indica que el chorro de helio tiende a moverse con la corriente principal mientras que los chorros de CO2 permanecen en la cavidad del dominio. En el modelo C2, el flujo y las concentraciones del refrigerante son casi idénticos ya que la fuerza de circulación después del primer disco es bastante alta.

Comparación de la fracción de masa de refrigerante y el caudal del sistema de inyección desde la punta de los discos.

La característica principal de las interacciones de choque de estos dos modelos se muestra en la Fig. 5. En el modelo Cl, el ángulo de choque de comparación del chorro de CO2 es mayor que el del chorro de helio y esto muestra que las interacciones del chorro de CO2 con el cuerpo principal son alto en estas configuraciones. En el modelo C2, el chorro de helio desvía la corriente principal y se observa una interacción limitada entre la capa de corte y el cuerpo principal. Sin embargo, el ángulo de choque del arco es menor en el chorro de CO2 y la desviación se produce en el hombro del cono de la nariz.

Comparación del contorno de Mach para el sistema de inyección desde la punta de los discos.

Para notar las interacciones y la fuerza del choque, los contornos de temperatura de estos dos sistemas de inyección de punta se muestran en la Fig. 6. En la región con alta temperatura, se observa la desviación del choque. Además, la producción de una región de alta temperatura cerca del cuerpo principal indica el choque de compresión que aumenta la transferencia de calor hacia el cuerpo principal. Los chorros de helio desvían el supersónico principal más que los chorros de CO2 y esto evitan la formación de zonas de alta temperatura en las proximidades del cuerpo principal.

Comparación de temperatura para el sistema de inyección desde la punta de los discos.

La estructura de flujo tridimensional de estos dos sistemas de inyección se muestra en la Fig. 7. La formación de la capa de refrigerante representa el mecanismo de dispersión del gas en las regiones de circulación y el mecanismo de enfriamiento en estas configuraciones. Debido al fuerte impacto del cañón del chorro de CO2, la capa de refrigerante tiene menos desviación en la cavidad.

Función de flujo tridimensional con distribución de refrigerante.

La influencia de la inyección del disco (C1) en la distribución térmica en el cono de la nariz se representa en la Fig. 8. Se observa que la aplicación del disco múltiple disminuye sustancialmente el número de Stanton en el cuerpo principal. Además, el uso del chorro de disco también reduce el número máximo de Stanton en un 37% en el cuerpo principal.

Transferencia de calor en el cuerpo principal y el disco en diferentes condiciones.

Los efectos de las ubicaciones de los chorros de helio (discos 1 y 2) en la distribución de Stanton del principal se muestran en la Fig. 9. El cambio del número de Stanton indica que la transferencia de calor en el cuerpo principal mejora cuando la inyección del refrigerante está cerca del cuerpo principal. como se presenta en la Fig. 9.

Distribución del número de Stanton a lo largo del cuerpo principal de los diferentes sistemas de inyección de helio por disco.

La Figura 10 ilustra la variación del coeficiente de presión en el cuerpo principal para el cono de nariz con/sin MRD y chorro de helio de disco. La presencia de la punta en el cono de la nariz disminuye la presión hasta un 33% en el cuerpo principal y desplaza la presión máxima a ángulos más altos debido a la desviación de la corriente de aire. La presión máxima cae aproximadamente un 50 % mediante la inyección del chorro del disco de refrigerante (C2) en un ángulo de 55 grados. La comparación de estos modelos indica que la presión del chorro de helio podría influir significativamente en la deflexión de los choques principales.

Influencia de los diferentes sistemas de inyección de refrigerante en la distribución del coeficiente de presión.

Los efectos de la configuración de inyección de dos discos sobre la distribución del coeficiente de presión en el cono de nariz se muestran en la Fig. 11. El coeficiente de presión de comparación indica que la inyección cerca del cuerpo principal es más eficiente para reducir la presión en el cuerpo principal. Dado que la inyección desde el disco 2 (C2) está cerca del cuerpo principal, es más útil para desviar la corriente principal y bloquear el aire entrante. Se encuentra que la influencia de la deflexión de la capa de corte es importante en la distribución de la presión.

Influencia de los diferentes sistemas de inyección de refrigerante a discos en la distribución del coeficiente de presión.

En el presente trabajo, se investiga exhaustivamente la inyección del sistema de inyección lateral y de disco sobre el rendimiento de enfriamiento del cono de nariz con pico en flujo hipersónico. Se explican completamente los efectos de varios gases refrigerantes (helio y dióxido de carbono) en la reducción de la carga térmica del cuerpo principal y la punta. La técnica computacional de CFD se utiliza para modelar el flujo de aire supersónico alrededor del cono de nariz con puntas de disco de varias filas. El mecanismo de enfriamiento de estos sistemas de inyección se describe en el presente trabajo. En el presente estudio se utiliza un modelo tridimensional para considerar la física de flujo real asociada con los sistemas de inyección propuestos. La comparación de la inyección del disco muestra que el chorro de refrigerante disminuye efectivamente la temperatura cerca del cuerpo principal mientras que la transferencia de calor en la punta y el disco no cambia. La principal ventaja de la inyección de disco es una menor interacción con el amortiguador del arco principal y una alta concentración cerca del cuerpo principal.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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As'ad Alizadeh

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Babol Noshirvani, Babol, Irán

M. Comodidad

Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Instituto de Investigación y Gestión de Tecnología de Infraestructura (IITRAM), Ahmedabad, Gujarat, 380026, India

Gautam Choubey

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MF escribió el texto principal del manuscrito y RI y AA prepararon las figuras. GC revisó todo el manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a M. Faraji.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Iranmanesh, R., Alizadeh, A., Faraji, M. et al. Investigación numérica del flujo compresible alrededor del cono de nariz con disco de varias filas y chorros de refrigerante múltiples. Representante científico 13, 787 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28127-9

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Recibido: 26 de octubre de 2022

Aceptado: 13 de enero de 2023

Publicado: 16 de enero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28127-9

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