Efecto de la Presion Externa en el Comportamineto de un Flujo de Aire Frio
Juan Diego Davila MartinezDocumentos de Investigación7 de Octubre de 2019
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Efecto de la Presion Externa en el Comportamineto de un Flujo de Aire Frio
Estandar a traves de una Tobera
J. Davila1 and L. Gonzalez1
Ingeniera Mecanica, Universidad Santo Tomas
(Dated: 4 June 2019)
En este informe se muestran los resultados obtenidos hasta el momento del analisis de una
tobera convergente divergente mediante el software ANSYS, donde se habla del comportamiento
que tiene en la vida real, mostrando la geometra que tiene, y como se lleva el
proceso de analisis computacional, es decir como es el proceso de en mallado, los modelos
utilizados y las con guraciones que se realiazaron con el n de llegar a una respuesta valida
y acorde a la realidad
Keywords: Tobera, Flujo Compresible, Numero de Mach, NPR
I. INTRODUCCION
El diseo de toberas es una actividad que actualmente
conlleva bastantes estudios para la optimizacin de la
misma, un claro ejemplo de ello lo encontramos en el
artculo Experimental, Theoretical, and Computational
Investigation of Separated Nozzle Flows, este articulo
desarrollado por la NASA nos muestra el estudio sobre
una tobera convergente-divergente diseada para alcanzar
un numero de Mach a la salida de 2.07, un nmero de
Reynolds en la garganta de 3.2x106 , el estudio se hizo
para investigar y comparar el comportamiento terico,
computacional y experimental del modelo de la tobera,
para el anlisis terico se consider el
ujo de la tobera como
unidimensional, compresible e ideal. El modelo computacional
se realiz con el cdigo desarrollado por la NASA
denominado PAl33D, en el cual se tomaron las variables
de viscosidad en un modelo RANS (Reynolds-averaged
Navier Stokes) de dos ecuaciones k- y un modelo no linear
algebraico para la tensin, para la simulacin de
ujos
en la boquilla separados de esta.
Realizar estos ductos tambin conocidos como toberas
De Laval han sido de gran importancia ya que gracias a
esto se dio el inicio de la carrera espacial por parte de
las naciones que cuentan con los recursos necesarios; y
es as como hemos presenciado de grandes logros como el
del hombre en la luna, el de fortalecimiento de comunicaciones,
gracias a los satlites.
En la actualidad se pueden hacer investigaciones practicas
las cuales se realizan con modelos a escala natural
o reducida, utilizando combustibles de proponente o con
gases fros como aire o nitrgeno, pero gracias a los avances
tecnolgicos computacionales tambin se pueden realizar
simulaciones numricas, donde la desventaja del primer
mtodo es limitada capacidad de obtener informacin de lo
que pasa al interior de la tobera y otra de las desventajas
ms notorias son el cost, mientras que para la segunda
opcin ocurre todo lo contrario, pero su desventaja es que
debemos tener un conocimiento total sobre el sistema y
de recurso computacional.
II. EXPLICACION DEL FENOMENO
Cuando gases a altas temperaturas y presiones pasan
por un ducto propulsivo de forma de nida, la cual se
conoce como tobera De Laval, esta geometra es la de una
tobera convergente-divergente en donde ese gas que entra
a una baja velocidad es acelerado en la seccin convergente
hasta llegar a velocidad local del sonido, y luego continua
la aceleracin de los gases en la seccin divergente a velocidades
supersnicas
La relacin entre presin de la entrada y la presin atmosfrica
instantnea se conoce como la relacin de presiones
de la tobera NPR, todo motor cohete que se disea tiene
un nico valor de NPR, sin embargo, a medida que este
asciende por la atmosfera la presin externa disminuye
haciendo que trabaje a diferentes condiciones de NPR
afectando as su e ciencia.
Cuando el NPR de operacin es igual al de diseo, la
presin de los gases a la salida de la tobera es igual a la
presin del medio que rodea al motor, el
ujo es supersnico
y est totalmente expandido. Esta condicin se denomina
rgimen crticamente expandido.
Cuando el NPR de operacin es igual al de diseo, la
presin de los gases a la salida de la tobera es igual a la
presin del medio que rodea al motor, el
ujo es supersnico
y est totalmente expandido. Esta condicin se denomina
rgimen crticamente expandido.
Para un NPR de trabajo inferior al de diseo, la presin
de los gases a la salida de la tobera es inferior a la presin
del medio que rodea al motor, la tobera es fsicamente demasiado
larga para que el
uido se expanda totalmente,
y una recompresin del
uido se da afuera de la tobera a
travs de una serie de ondas de choque.
FIG. 1. Regmenes de la tobera
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III. GEOMETRIA
FIG. 2. geometra para el analisis de la tobera
FIG. 3. Nombres de las secciones ubicadas en la geometra
IV. PROCEDIMIENTO DE ENMALLADO
Primero se realiz un INFLATION en las zonas de
mayor importancia la zona de la tobera y la zona de
desarrollo del
ujo, para de este modo tener una malla
con mayor nmero de elementos en dicha zona, lo que nos
ayudara a resolver de manera ms exacta el fenmeno en
las zonas demarcadas.
FIG. 4. INFLATION sobre la realizacion de la malla
Despues se agrego un FACE SIZING en las mismas
zonas esto con la nalidad de que los elementos en estas
zonas no fueran superiores a 7e-4, pero tambin para no
tener una malla con exceso de elementos en zonas donde
el
ujo de aire no es tan importante en el estudio de la
tobera.
FIG. 5. SIZING realizado sobre la malla
FIG. 6. Caracteristicas del SIZING realizado sobre la malla
Con la intencion de que los elementos fueran de mayor
calidad se agrega al mallado un MESH METHOD, con
lo cual obligamos a que la geometra de los elementos no
sea triangular si no cuadrada, esto aumenta el nmero de
nodos por elemento lo que incurre en la precision de la
solucion.
FIG. 7. METHOD realizado sobre la malla
FIG. 8. caracteristicas del METHOD en la malla
3
Y por ultimo se realizo con un REFINAMIENTO en
la zona de la tobera y la zona de desarrollo del
ujo,
se agrego un SIZING en la misma zona para jar un
tamano mnimo de malla en la zona, con respecto a la
primera malla se redujeron en cuantioso numero el nmero
de elementos de la zona de ambiente, esto con el n de
observar el comportamiento de los resultados en estas
zonas
FIG. 9. Parametros generales de la malla
FIG. 10. Parametros generales de la malla
V. SEGUNDA MALLA
Esta malla se realizo con un REFINAMIENTO en la
zona de la tobera y la zona de desarrollo del
ujo, se
agrego un SIZING en la misma zona para jar un tamano
minimo de malla en la zona, con respecto a la primera
malla se redujeron en cuantioso numero el numero de
elementos de la zona de ambiente, esto con el n de observar
el comportamiento de los resultados en estas zonas
FIG. 11. REFINEMENT sobre la malla 2
FIG. 12. SIZING sobre la malla 2
FIG. 13. Skewness de la malla 2
FIG. 14. Parametros generales de la malla 2
VI. MALLA FINAL
FIG. 15. vision general de la malla
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FIG. 16. Skewness de la malla
FIG. 17. Numero de elementos de la malla
FIG. 18. Parametros generales de la malla
VII. SELECCION DE CONDICIONES DE FRONTERA
Componente Condicionde frontera
ENTRADA PRESSURE INLET
SALIDA PRESSURE OUTLET
ENTRADA AMBIENTE VELOCITY INLET
AMBIENTE SYMETRY
REGION INTERIOR INTERIOR
PAREDES WALL
TABLE I. Condiciones de Frontera
Se selecciono el parametro de PRESSURE INLET
para la entrada porque esta condicion nos permite ingresar
el dato de una presion que conocemos como dato,
pues es proveniente de la camara de combustion, la cual
conocemos previamente.
En la region de la salida establecimos una condicion
de frontera de PRESSURE OUTLET ya que esta nos
permite registrar el valor determinado de una presion
en unja region donde sabemos que la presion ser la atmosf
erica (condiciones ambientes).
Para la regin de Entrada ambiente, la cual es la regin
en la cual toma la velocidad relativa de ascenso del cohete
con respecto al aire decidimos seleccionar la condicin de
frontera de VELOCITY INLET, ya que esta nos permite
registrar el valor de una velocidad de entrada del
uido.
Las regiones con condiciones de frontera de SYMETRY
son aquellas regiones en las cuales o bien el fujo esta
desarrollado, como es el caso del contorno de la tobera o
la region denominada ambiente.
Las regiones con condicion de frontera de INTERIOR
son aquellas donde el software ANSYS evaluara el comportamiento
del
uido con los parametros establecidos
para la entrada, la salida y las condiciones ambientales.
VIII. SELECCION DE METODOS NUMERICOS
Para comprobar una correcta simulacion en primera instancia
se realizo una simulacion en estado estacionario,
la cual permite establecer si los resultados arrojados corresponden
...