Estudio computacional de la respuesta operacional de un ducto convergente-divergente bajo condiciones de flujo compresible, turbulento

Abstract

Se realiza es estudio numérico de algunas estadísticas de la turbulencia de un flujo compresible pasando a través de una tobera De Laval con una condición de entrada de presión oscilante. Para esto, se utiliza el software de código abierto OpenFOAM. Se hace la validación del solucionador rhoCentralFoam para flujo supersónico en condiciones similares a las reportadas en trabajos experimentales. Se diseña el modelo numérico con un dominio bidimensional y las condiciones iniciales y de frontera que se aproximan más a lo reportado experimentalmente. La validación de este modelo frente a los datos reportados muestra variaciones inferiores al 1 % para la condición de flujo críticamente expandido. Las simulaciones en condiciones de flujo sobre-expandido muestra una variación mayor en la medida en que disminuye el valor del NPR. Se observa la asimetría de las ondas de choque en la sección divergente de la tobera para valores de NPR muy bajos, efecto que ha sido reportado experimentalmente por otros autores. Al realizar simulaciones con dominio tridimensional no se logra establecer el ancho del dominio adecuado debido a la falta de mayores recursos computacionales. Sin embargo, las estadísticas de la turbulencia mantienen el comportamiento de las simulaciones bidimensionales. Al imponer una condición de presión oscilante a la entrada se observa un incremento en la turbulencia principalmente en la sección de la tobera donde inicia la parte divergente, despues de la garganta. El análisis del efecto de la compresibilidad en la turbulencia muestra que este se puede despreciar para el caso de estudio. La hipótesis de Morkovin no se cumple para este caso dado que al aplicar la transformada de Van Driest el comportamiento del flujo compresible turbulento no se ajusta a uno incompresible similar. Las curvas de lo valores de los RMS muestran un comportamiento típico. En forma similar a lo observado por otros autores, el aumento de la sección divergente de la tobera lleva a una mitigación de la turbulencia en esta sección.

Abstract A numerical study is performed of some statistics of the turbulence of a compressible flow passing through a Laval nozzle with a oscillating pressure input condition. To do this, the open source software OpenFOAM is used. Validation of the supersonic flow solver rhoCentralFoam is made with similar conditions to those reported in experimental work. The numerical model with a two-dimensional domain and the initial and boundary conditions that are closer to those reported experimentally is design. Validation of this model against the data reported shows variations below 1 % for critically expanded flow condition. Simulations of over-expanded flow conditions shows greater variation in the extent that decreases the value of NPR. The asymmetry of the shock waves in the diverging section of the nozzle for very low values of NPR is observed, an effect that has been reported in experiments by other authors. In the simulations with three-dimensional domain is not possible to establish the appropriate domain width due to the lack of greater computational resources. However, the statistics of the turbulence maintain the behaviour of two-dimensional simulations. By imposing a boundary oscillating pressure condition in the inlet, increased turbulence is observed mainly in the section of the nozzle where the diverging section begins, after throat. The analysis of the effect of compressibility in the turbulence shows that this can be neglected for this study case. The hypothesis of Morkovin does not hold for this case since applying Van Driest transform the behaviour of compressible turbulent flow does not conform to one similar incompressible. The curves of the RMS values show a typical behaviour. Similar to that observed by other authors, increasing the diverging section of the nozzle leads to mitigation of turbulence in this section.