شبیه‌سازی عددی جدایش جریان در یک نازل سهموی بهینه تراست

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه پژوهشی پیشران/پژوهشکده سامانه های حمل ونقل فضایی/ پژوهشگاه فضایی ایران، تهران/ایران

2 دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

3 عضو هیات علمی دانشگاه فردوسی

چکیده

جریان گازها در نازل‌های سهموی بهینه تراست در شرایط فرامنبسط از فیزیک پیچیده‌تری نسبت به سایر نازل‌ها برخوردار است. تخمین صحیح عملکرد این نازل‌ها تا حدود زیادی به تخمین دقیق محل جدایش جریان وابسته است. مدل‌های آشفتگی RANS (معادلات ناویر-استوکس متوسط‌گیری شده رینولدز) متداول به خاطر تخمین بالادستی تولید انرژی جنبشی آشفتگی در پیش‌بینی محل جدایش جریان در این نوع نازل‌ها با خطای قابل توجهی مواجه‌اند. اخیرا حالت عمومی شده مدل توربولانسی ωk- (GEKO) که توسط منتر ارائه شده با بکارگیری پارامترهای قابل تنظیم، امکان تصحیح شبیه‌سازی عددی را بر اساس فیزیک حاکم و بکارگیری نتایج محدود تجربی فراهم کرده است. در تحقیق حاضر، به شبیه‌سازی عددی فیزیک جریان در نازل سهموی بهینه تراست LEA_TOC با مدل GEKO پرداخته شده است. ابتدا خطای فاحش مدل‌های آشفتگی RANS متداول برای شبیه‌سازی جدایش جریان در این نوع نازل در شرایط فرامنبسط نشان داده شده است. سپس، پارامترهای حاکم بر مدل GEKO با بکارگیری نمونه‌ای از نتایج تجربی نازل LEA_TOC، اصلاح شده و قابلیت این مدل برای تخمین فیزیک جریان در این نازل در شرایط مختلف مورد ارزیابی قرار گرفته است. بررسی‌های عددی نشان می‌دهد که مدل آشفتگی اصلاح شده برای تخمین دقیق فیزیک جریان و محل جدایش جریان از قابلیت بالایی برخوردار است، به‌طوریکه بکارگیری مدل اصلاح شده همراه با ضرایب جدید باعث بهبود حدود 30 درصدی در تخمین محل جدایش نسبت به مدل -sstωk- شده است

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical simulation of flow separation in a thrust optimized parabolic nozzle

نویسندگان [English]

  • Nematollah Fouladi 1
  • Sina Afkhami 2
  • Mahmood Pasandideh Fard 3
1 Space Transportation Research Institute, Iranian Space Research Center, Tehran, Iran
2 Department of Aerospace Engineering, Ferdowsi University, Mashhad, Iran
3 Department of Aerospace Engineering, Ferdowsi University, Mashhad, Iran
چکیده [English]

Complex flow separation in thrust optimized parabolic (TOP) nozzles in over-expanded condition is one of challenging issue of many numerical investigations. The correct estimation of a TOP nozzle performance extremely depends upon the accurate estimation of the onset of flow separation. Literature review indicates that conventional RANS turbulence models have a significant error in predicting the onset of flow separation in these types of nozzles due to the overestimating of turbulent kinetic energy production. Recently proposed GEKO (generalized model of k-ω) has made it possible to rectify numerical simulations based on governing physics and using limited experimental results. In the present study, the flow physics in the LEA_TOC nozzle has been investigated with the numerical simulation approach. At the first, the significant error of conventional RANS turbulence models is shown to simulate flow separation in this type of problem. Then, the GEKO parameters are modified based on limited experimental result of LEA_TOC nozzle, and the ability of this model has been evaluated to estimate the flow physics under different pressure ratios. Numerical investigations show that GEKO has a high capability for accurate estimating the onset of flow separation at wide range of nozzle pressure ratios. Applying the corrected GEKO has resulted in an improvement of about 30% in estimation of the onset of separation in over-expanded LEA_TOC nozzle compared to the k-ω-sst model.

کلیدواژه‌ها [English]

  • numerical simulation
  • Thrust optimized parabolic nozzle
  • flow separation pattern
  • GEKO turbulence model