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El patrón de flujo en toberas supersónicas lo definen los perfiles aerodinámicos de la geometría de las paredes internas, entre otros parámetros, donde la garganta es una sección crítica. En el presente trabajo, el objetivo es analizar el comportamiento del flujo en la sección recta de la garganta de una tobera cónica experimental de un motor de cohete sonda de combustible sólido. El flujo sobreexpandido se simuló con el código ANSYS-Fluent en un dominio computacional 2D, empleando el modelo RANS y el modelo de turbulencia de Menter, y la ecuación de Sutherland para la viscosidad en función de la temperatura. Se llevaron a cabo cinco casos de estudio para la longitud de garganta en el rango de 1-10 mm. Se obtuvo fluctuaciones de número de Mach, presión y temperatura, ondas de choque oblicuas en la sección de la garganta para la longitud de 10 mm; para longitudes menores disminuyó la intensidad de la magnitud del choque. Se concluye que para la longitud de garganta de 1 mm el flujo es transónico sin la presencia de choques oblicuos. En la sección divergente, las ondas de choque varían en su intensidad y cambian de posición.

La brida de admisión es un dispositivo mecánico que restringe la cantidad de flujo másico de aire a ser inyectado al cilindro del motor, y es empleado en vehículos de competición. En el presente trabajo, el flujo de aire se simula en un dominio computacional 2D con simetría axial para la geometría de una brida de admisión convergente-divergente, con el fin de determinar las variaciones de los parámetros termodinámicos del campo de flujo. Para la simulación del flujo, se utilizó el código ANSYS-Fluent que aplica el método de volumen finito. Se emplearon las ecuaciones gobernantes para flujo compresible: ecuación de la masa, cantidad de movimiento, energía y estado; además, se empleó el modelo de turbulencia SST de Menter. Los resultados del campo de flujo de densidad, velocidad, presión y temperatura, así como del número de Mach, para seis relaciones de presión, muestran variaciones de las magnitudes termodinámicas en diferentes regiones del dominio, antes y después de la onda de choque; así como las regiones donde se produce la separación y recirculación del flujo en las adyacencias de la pared divergente. Se concluye que, cuando se presenta el choque, la curvatura de la pared de la sección divergente contribuye con el desprendimiento de la capa límite, causando transición en el desarrollo del flujo. Además, para la presión de salida de , el flujo alcanza un valor máximo de Mach 1.8, y temperatura mínima de 180 K (-93 ºC); y en la salida de la brida el flujo alcanza un valor menor de Mach 1.

The flow pattern in supersonic nozzles is defined by the aerodynamic profiles of the geometry of the internal walls, among other parameters, the throat being a critical section. In the present work, the objective is to analyze the behavior of the flow in the straight section of the throat of an experimental conical nozzle of a solid fuel probe rocket engine. The over-expanded flow was simulated with the ANSYS-Fluent code in a 2D computational domain, using the RANS model and the Menter turbulence model, and the Sutherland equation for viscosity as a function of the temperature. Five case studies were performed for the throat length in the range of 1-10 mm. Fluctuations of Mach number, pressure and temperature, oblique shock waves in the throat section were obtained for the length of 10 mm; for shorter lengths the intensity of the shock magnitude decreased. It is concluded that, for the throat length of 1 mm, the flow is transonic without the presence of oblique shocks. In the diverging section, shock waves vary in intensity and change position., El patrón de flujo en toberas supersónicas lo definen los perfiles aerodinámicos de la geometría de las paredes internas, entre otros parámetros, donde la garganta es una sección crítica. En el presente trabajo, el objetivo es analizar el comportamiento del flujo en la sección recta de la garganta de una tobera cónica experimental de un motor de cohete sonda de combustible sólido. El flujo sobreexpandido se simuló con el código ANSYS-Fluent en un dominio computacional 2D, empleando el modelo RANS y el modelo de turbulencia de Menter, y la ecuación de Sutherland para la viscosidad en función de la temperatura. Se llevaron a cabo cinco casos de estudio para la longitud de garganta en el rango de 1-10 mm. Se obtuvo fluctuaciones de número de Mach, presión y temperatura, ondas de choque oblicuas en la sección de la garganta para la longitud de 10 mm; para longitudes menores disminuyó la intensidad de la magnitud del choque. Se concluye que para la longitud de garganta de 1 mm el flujo es transónico sin la presencia de choques oblicuos. En la sección divergente, las ondas de choque varían en su intensidad y cambian de posición.

Estudios numéricos del campo de flujo para toberas convergentes-divergentes con longitud de garganta, han reportado fluctuaciones del flujo con ondas de choque oblicuo en la sección de la garganta, para la condición de flujo sobre-expandido. Sin embargo, para otras condiciones del flujo, para un mismo tipo de tobera, el conocimiento es limitado. En el presente trabajo, el objetivo es determinar el comportamiento del flujo en la longitud de garganta y en la divergente, para una tobera cónica experimental clasificada como Helios-X, para la condición de flujo sub-expandido. Se realizaron simulaciones numéricas 2D del campo de flujo con el código ANSYS-Fluent versión 12.1, aplicando el modelo RANS. Se emplearon las ecuaciones gobernantes para el flujo compresible, conservación de la masa, cantidad de movimiento, energía y de estado; así como, para la turbulencia el modelo SST k − ω de Menter y para la viscosidad en función de la temperatura la ecuación de Sutherland. En la sección de la garganta, adyacente a la pared, el flujo presentó fluctuaciones, en la simetría axial el flujo presentó una aceleración escalonada; en la sección divergente, el flujo se desaceleró en cierta región, sin embargo, el flujo salió de la tobera a velocidad supersónica ligeramente mayor de Mach 3. Se concluye que en la sección de la longitud de garganta se presenta un patrón de flujo, así como, en la sección divergente.//Numerical studies of the flow field for convergentdivergent nozzles with throat length, have reported fluctuations of the flow with oblique shock waves in the throat section, for the over-expanded flow condition. However, for other flow conditions, for the same type of nozzle, knowledge is limited. In the present work, the objective is to determine the behavior of the flow in the throat length and in the divergent, for an experimental conical nozzle classified as Helios-X, for the under-expanded flow condition. 2D numerical simulations of the flow field were performed with the ANSYS-Fluent version 12.1 code, applying the RANS model. The governing equations for compressible flow, conservation of mass, momentum, energy, and state were used; as well as, for turbulence, the Menter model SST k − ω and for the viscosity as a function of temperature the Sutherland equation. In the section of the throat, adjacent to the wall, the flow presented fluctuations, in the axial symmetry the flow presented a stepped acceleration; in the divergent section, the flow slowed in a certain region, however, the flow exited the nozzle at a supersonic speed slightly greater than Mach 3. It is concluded that in the throat length section there is a flow pattern, as well as, in the divergent section.

Estudios numéricos del campo de flujo para toberas convergentes-divergentes con longitud de garganta han reportado fluctuaciones del flujo con ondas de choque oblicuo en la sección de la garganta, para la condición de flujo sobreexpandido. Sin embargo, para otras condiciones del flujo, para un mismo tipo de tobera, el conocimiento es limitado. En el presente trabajo, el objetivo es determinar el comportamiento del flujo en la longitud de garganta y en la divergente, para una tobera cónica experimental clasificada como Helios-X, para la condición de flujo subexpandido. Se realizaron simulaciones numéricas 2D del campo de flujo con el código ANSYS-Fluent versión 12.1, aplicando el modelo RANS. Se emplearon las ecuaciones gobernantes para el flujo compresible, conservación de la masa, cantidad de movimiento, energía y de estado; así como, para la turbulencia el modelo SST de Menter y para la viscosidad en función de la temperatura la ecuación de Sutherland. En la sección de la garganta, adyacente a la pared, el flujo presentó fluctuaciones, en la simetría axial el flujo presentó una aceleración escalonada; en la sección divergente, el flujo se desaceleró en cierta región, sin embargo, el flujo salió de la tobera a velocidad supersónica ligeramente mayor de Mach 3. Se concluye que en la sección de la longitud de garganta se presenta un patrón de flujo, así como, en la sección divergente.