شبیه‌سازی عددی جدایش جریان در یک نازل سهموی بهینه تراست

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

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

3 عضو هیات علمی دانشگاه فردوسی

چکیده

جریان گازها در نازل‌های سهموی بهینه‌تراست 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 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. اخیراً حالت عمومی‌شده مدل آشفتگی انرژی جنبشی آشفتگی- نرخ اتلاف مخصوص 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 با مدل آشفتگی عمومی شده انرژی جنبشی آشفتگی- نرخ اتلاف مخصوص پرداخته شده است. ابتدا خطای فاحش مدل‌های آشفتگی متداول برای شبیه‌سازی جدایش جریان در این نوع نازل در شرایط فرامنبسط نشان داده شده است. سپس، پارامترهای حاکم بر این مدل عمومی شده با بکارگیری نمونه‌ای از نتایج تجربی نازل سهموی بهینه‌تراست، 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 مبنای انرژی جنبشی آشفتگی- نرخ اتلاف مخصوص، شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of Flow Separation in a Thrust Optimized Parabolic Nozzle

نویسندگان [English]

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

Complex flow separation in thrust optimized parabolic nozzles in the over-expanded condition is one of the challenging issues of many numerical investigations. The correct estimation of a thrust optimized parabolic nozzle performance extremely depends upon the accurate estimation of the onset of flow separation. Literature review indicates that conventional Reynolds-averaged Navier–Stokes 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 generalized k-omega 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 Reynolds-averaged Navier–Stokes turbulence models is shown to simulate flow separation in this type of problem. Then, the generalized k-omega parameters are modified based on the limited experimental result of the 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 generalized k-omega has a high capability for accurately estimating the onset of flow separation at a wide range of nozzle pressure ratios. Applying the corrected generalized k-omega has resulted in an improvement of about 30% in the estimation of the onset of separation in the over-expanded LEA_TOC nozzle compared to the k-ω-SST model.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Numerical simulation
  • Thrust optimized parabolic nozzle
  • Flow separation pattern
  • Generalized k-omega turbulence model

مراجع

[1] J. O¨ stlund, B. Muhammad-Klingmann, Supersonic flow separation with application to rocket engine nozzles, Appl. Mech. Rev., 58(3) (2005) 143-177.
[2] G.P. Sutton, O. Biblarz, Rocket propulsion elements, John Wiley & Sons, 2016.
[3] G. Rao, Approximation of optimum thrust nozzle contours, ARS J., 30 (1960) 561.
[4] L. Nave, G. Coffey, Sea level side loads in high-area-ratio rocket engines, in:  9th propulsion conference, 1973, pp. 1284.
[5] A. Shams, S. Girard, P. Comte, Numerical simulation of shock-induced separated flows in overexpanded rocket nozzles, Progress in Flight Physics, 3 (2012) 169-190.
[6] E. Martelli, L. Saccoccio, P. Ciottoli, C. Tinney, W. Baars, M. Bernardini, Flow dynamics and wall-pressure signatures in a high-Reynolds-number overexpanded nozzle with free shock separation, Journal of Fluid Mechanics, 895 (2020).
[7] N. Fouladi, M. Farahani, A. Mirbabaei, Performance evaluation of a second throat exhaust diffuser with a thrust optimized parabolic nozzle, Aerospace science and technology, 94 (2019) 105406.
[8] C.-L. Chen, S. Chakravarthy, C. Hung, Numerical investigation of separated nozzle flows, AIAA journal, 32(9) (1994) 1836-1843.
[9] S. Deck, A.T. Nguyen, Unsteady side loads in a thrust-optimized contour nozzle at hysteresis regime, AIAA journal, 42(9) (2004) 1878-1888.
[10] A. Shams, P. Comte, S. Girard, G. Lehnasch, M. Shahab, 3D unsteady numerical investigation of an overexpanded thrust optimized contour nozzle, in:  6th European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles, 2009, pp. 90.
[11] P. Reijasse, F. Bouvier, P. Servel, Experimental and numerical investigation of the cap-shock structure in over expanded thrust-optimized nozzles,  (2002).
[12] J. Ostlund, M. Jaran, Assessment of turbulence models in overexpanded rocket nozzle flow simulations, in:  35th Joint Propulsion Conference and Exhibit, 1999, pp. 2583.
[13] C. Pilinski, A. Nebbache, Flow separation in a truncated ideal contour nozzle, Journal of Turbulence, 5(1) (2004) 014.
[14] R. Stark, B. Wagner, Experimental flow investigation of a truncated ideal contour nozzle, in:  42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2006, pp. 5208.
[15] H. Luedeke, Axisymetric investigasion of the VAC S6 short nozzle with forced external fluctuation, in: Proceedings of the ATAC-FSCD workshop, Noordwijk, The Netherlands, 2007.
[16] A. Hadjadj, Y. Perrot, S. Verma, Numerical study of shock/boundary layer interaction in supersonic overexpanded nozzles, Aerospace science and technology, 42 (2015) 158-168.
[17] S. Sarkar, Modeling the pressure-dilatation correlation, Institute for computer applications in science and engineering, 1991.
[18] A. Yaravintelimath, B. Raghunandan, J.A. Moríñigo, Numerical prediction of nozzle flow separation: Issue of turbulence modeling, Aerospace Science and Technology, 50 (2016) 31-43.
[19] A. Nebbache, Separated nozzle flow, Comptes Rendus Mécanique, 346(9) (2018) 844-854.
[20] N. Fouladi, M. Farahani, Numerical investigation of second throat exhaust diffuser performance with thrust optimized parabolic nozzles, Aerospace Science and Technology, 105 (2020) 106020.
[21] F.R. Menter, A. Matyushenko, R. Lechner, Development of a generalized k-ω two-equation turbulence model, in:  Symposium der Deutsche Gesellschaft für Luft-und Raumfahrt, Springer, 2018, pp. 101-109.
[22] F. Menter, R. Lechner, A. Matyushenko, Best practice: generalized k-ω two-equation turbulence model in ANSYS CFD (GEKO), Technical Report, ANSYS,  (2019) 27.
[23] A.T. Nguyen, H. Deniau, S. Girard, T. Alziary de Roquefort, Unsteadiness of flow separation and end-effects regime in a thrust-optimized contour rocket nozzle, Flow, Turbulence and Combustion, 71(1) (2003) 161-181.
[24] M. Frey, G. Hagemann, Restricted shock separation in rocket nozzles, Journal of Propulsion and Power, 16(3) (2000) 478-484.
[25] G. Hagemann, M. Frey, W. Koschel, Appearance of restricted shock separation in rocket nozzles, Journal of Propulsion and Power, 18(3) (2002) 577-584.
[26] E. Martelli, F. Nasuti, M. Onofri, Numerical calculation of FSS/RSS transition in highly overexpanded rocket nozzle flows, Shock Waves, 20(2) (2010) 139-146.
[27] N. Fouladi, A. Mohamadi, H. Rezaei, Numerical investigation of pre-evacuation influences of second throat exhaust diffuser, Fluid Mechanics and Aerodynamics, 5(2) (2017) 55-69.
[28] E. Mohammadi, N. Fouladi, A. Madadi, Design and Analysis of Gas Ejector in High Altitude Test Facility, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 52(11) (2019) 3015-3032.
[29] N. Fouladi, M. Hataminasab, S. Afkhami, Numerical Analysis of Cross Section Time Variation Effects of the Supersonic Exhaust Diffuser, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 53(3) (2021) 7-7.
[30] D.C. Wilcox, Turbulence modeling for CFD, DCW industries La Canada, CA, 1998.
[31] N. Fouladi, A. Mohamadi, H. Rezaei, Numerical design and analysis of supersonic exhaust diffuser in altitude test simulator, Modares Mechanical Engineering, 16(8) (2016) 159-168.
[32] H.-W. Yeom, S. Yoon, H.-G. Sung, Flow dynamics at the minimum starting condition of a supersonic diffuser to simulate a rocket’s high altitude performance on the ground, Journal of Mechanical Science and Technology, 23(1) (2009) 254-261.
[33] S. Sankaran, T.N. Satyanarayana, K. Annamalai, K. Visvanathan, V. Babu, T. Sundararajan, CFD analysis for simulated altitude testing of rocket motors, Canadian Aeronautics and Space Journal, 48(2) (2002) 153-162.
[34] R. Manikanda Kumaran, T. Sundararajan, D. Raja Manohar, Simulations of high altitude tests for large area ratio rocket motors, AIAA journal, 51(2) (2013) 433-443.
[35] D.C. Wilcox, Formulation of the kw turbulence model revisited, AIAA journal, 46(11) (2008) 2823-2838.
[36] F. Menter, Zonal two equation kw turbulence models for aerodynamic flows, in:  23rd fluid dynamics, plasmadynamics, and lasers conference, 1993, pp. 2906.
[37] Y.-K. Jung, K. Chang, J.H. Bae, Uncertainty Quantification of GEKO Model Coefficients on Compressible Flows, International Journal of Aerospace Engineering, 2021 (2021).
[38] S. Sarkar, L. Balakrishnan, Application of a Reynolds stress turbulence model to the compressible shear layer, in:  21st Fluid Dynamics, Plasma Dynamics and Lasers Conference, 1990, pp. 1465.
[39] C. Allamaprabhu, B. Raghunandan, J. Morinigo, Improved prediction of flow separation in thrust optimized parabolic nozzles with FLUENT, in:  47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2011, pp. 5689.
[40] Vulcan 2+ NE, TN, CFD Simulations," Prog. Nr. SV NT 114 0000E2026, VOLVO Internal Report, 2000, Issue Date2000-09-26
[41] M. Herbert, R. Herd, Boundary-layer separation in supersonic propelling nozzles,  (1964).
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 5
مرداد 1401
صفحه 985-1006

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار