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Influencia de los chorros individuales laterales para la protección térmica del cono de nariz de reentrada con múltiples

May 08, 2024May 08, 2024

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 6549 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

El principal desafío para el avance de los automóviles actuales de alta velocidad es el calentamiento aerodinámico. En este estudio se estudia ampliamente la aplicación del chorro lateral para la protección térmica de los automóviles de alta velocidad. La simulación del chorro de refrigerante lateral se realiza mediante dinámica de fluidos computacional en condiciones de alta velocidad. Encontrar la configuración óptima del chorro para reducir el calentamiento aerodinámico es el objetivo principal de esta investigación. Se investigan dos chorros de refrigerante diferentes (helio y dióxido de carbono) y se presenta en su totalidad el estudio del flujo y del chorro de refrigerante y el mecanismo de penetración del combustible. Además, se compara la carga térmica en el cuerpo principal del cono de nariz para diferentes configuraciones. Nuestros resultados especifican que la inyección de chorro lateral cerca de la punta de la púa es efectiva para la protección térmica del cuerpo principal mediante la desviación del arco. Además, el chorro de dióxido de carbono con menor difusividad es más eficaz para proteger el antecuerpo con disco de varias filas del calentamiento aerodinámico severo.

En el contexto aeroespacial y automotriz, el calentamiento aerodinámico se conoce como el proceso de calentamiento cerca de un cuerpo sólido debido al cambio del flujo hipersónico/supersónico en términos de energía1,2. Aunque parece que la transformación del momento en energía térmica es un proceso sencillo, sus impactos sobre el flujo son muy complicados3,4,5. El proceso de calentamiento aerodinámico ocurre principalmente cerca del morro de los automóviles de alta velocidad. Este proceso es muy importante para estos automóviles de alta velocidad e influye en la quema del cono de la nariz debido al espléndido calentamiento6,7,8,9. Además, el calentamiento aerodinámico produce ruido durante la transmisión de señales digitales. Estas desventajas del calentamiento aerodinámico han motivado a los ingenieros aeroespaciales y automotrices a gestionar este proceso10,11,12.

Existen varias técnicas para proteger el cono de la nariz del calentamiento aerodinámico. El principal desafío para la gestión del calentamiento aerodinámico es la fuerza de arrastre13,14,15. De hecho, el nivel de fuerza de arrastre debe mantenerse según las técnicas recomendadas. En trabajos anteriores se han investigado y examinado tres técnicas principales de dispositivos mecánicos, fluídicos y energéticos16,17,18,19. En estas técnicas, se utilizan picos, chorros de refrigerante y fuentes de energía, respectivamente, para evitar la unión de la corriente libre al cuerpo principal. Estas técnicas podrían reducir eficientemente la temperatura de la corriente principal después de recibirla en el cuerpo principal20,21,22. Sin embargo, el principal desafío para estas técnicas es la alta fuerza de arrastre y este es el tema de los investigadores para resolver este problema en este campo23,24.

Entre estos métodos, la principal técnica convencional para reducir la carga térmica elevada cerca del cono de la nariz es la espiga25,26,27,28. Spike se conoce como la varilla larga y delgada ubicada en la punta del cono de la nariz para desviar el flujo supersónico principal del cono de la nariz principal29,30. El uso de la espiga como método práctico se debe a su sencillez31,32. Además, en esta técnica la fuerza de arrastre se reduce ya que la corriente de aire supersónica se bifurca mediante una púa. La forma de la punta de la púa y la longitud de la púa se conocen como dos factores eficaces en el rendimiento de esta técnica. Investigaciones anteriores33,34,35,36,37 demostraron que el rendimiento de enfriamiento de esta técnica no es aceptable como fuerza de arrastre, aunque la aplicación de la punta reporta una reducción limitada de la carga térmica. Por ello, las investigaciones se han centrado en nuevas técnicas que pudieran compensar esta deficiencia de la técnica mecánica38,39,40. Los enfoques teóricos41,42,43,44,45,46,47, es decir, la dinámica de fluidos computacional, así como la técnica experimental, permiten a los investigadores mejorar sus investigaciones en condiciones inaccesibles48,49,50,51,52,53,54,55. Por tanto, estas técnicas se utilizan ampliamente en aplicaciones de ingeniería55,56,57,58,59,60,61.

Recientemente se han investigado técnicas híbridas como un nuevo enfoque para reducir la resistencia y el calor en el cono de la nariz al volar a velocidad hipersónica62,63. En esta metodología, la púa se combina con métodos fluídicos y energéticos para mejorar el rendimiento de la técnica clásica de los métodos mecánicos64,65,66,67. Aunque este enfoque parece muy eficaz, todavía no se considera un método práctico. De hecho, el uso de dispositivos fluídicos y energéticos para la reducción de la carga térmica se realiza en el laboratorio y no se informaron aplicaciones prácticas reales de este método. Dado que este método híbrido era un método nuevo, en este tema se han presentado recursos y artículos limitados.

En esta investigación, se investiga a fondo el uso del chorro lateral para enfriar el cono de la nariz con disco de varias filas (MRD) en vuelos de alta velocidad (Fig. 1). La influencia de la ubicación y el estado del chorro en el enfriamiento del cono de la nariz se investiga mediante el método computacional. Se simula el flujo altamente compresible alrededor del cuerpo romo del MRD y se presenta un análisis de flujo completo para encontrar los términos efectivos para la gestión de la carga térmica del cono de la nariz. En esta investigación se investiga la influencia del tipo de gas refrigerante comparando el dióxido de carbono y el chorro de helio.

Modelo seleccionado con sistema de inyección propuesto.

Este estudio aplicó ecuaciones RANS para modelar el flujo compresible cerca del cono de la nariz con un dispositivo MRD68. El modelo de turbulencia SST se aplica en la simulación de flujo altamente turbulento alrededor del cono de nariz69. Se supone que el flujo es gas ideal y también se aplica la ecuación de transporte de especies, ya que en esta técnica híbrida se utilizan los gases secundarios de helio y CO2 para el enfriamiento. La dinámica de fluidos computacional se aplica para la simulación del flujo alrededor de la nariz mientras se libera el gas refrigerante. Esta técnica es popular para la simulación de fluidos en problemas de ingeniería70,71. Los detalles de las principales ecuaciones rectoras se han presentado y explicado ampliamente en artículos anteriores y se remite a los lectores a estos recursos72,73.

La condición de contorno aplicada relacionada con el modelo seleccionado se demuestra en la Fig. 2. El flujo de entrada es presión de campo lejano con M = 5,0, Pinf-2550 y Tinf = 221 K. Se eligen helio y dióxido de carbono como chorros de refrigerante con condición sónica en Ts = 300. K. La salida de presión se extrapola a partir de los resultados del dominio interior. La púa y el cuerpo principal se supone que es una pared con una temperatura constante de 300 K. La longitud de la púa es igual al diámetro del cuerpo principal60.

Condición de contorno aplicada.

El estudio de cuadrículas como paso principal para la dinámica de fluidos computacional se realiza mediante la producción de diferentes cuadrículas para nuestros modelos. El número de cuadrículas en tres direcciones se cambia para encontrar un modelo óptimo en el que los resultados sean independientes de la cuadrícula. La Figura 3 demuestra el esquema de la cuadrícula producida para nuestro modelo. Se utiliza una cuadrícula estructurada ya que tiene más precisión en el enfoque basado en volúmenes finitos. La Tabla 1 presenta detalles de los estudios de cuadrícula. Para el análisis de independencia de la red, en el primer paso se generan y simulan cuatro resoluciones de red. Se realiza una comparación de la carga de calor en el cuerpo principal para las rejillas producidas (Tabla 1) y se encuentra que la rejilla fina tiene 1.628.000 celdas.

Producción de redes.

La comparación de datos experimentales y numéricos con nuestros resultados se realiza para realizar la validación. Este paso es importante ya que aprueba la corrección del método aplicado para la simulación del caso elegido. Como se presenta en la referencia 74, la variación de la presión normalizada a lo largo de la nariz concuerda razonablemente con otros métodos. La desviación de los resultados archivados con respecto a otras técnicas no supera el 8% en el cono de nariz simple en flujo supersónico.

En la Fig. 4 se muestra la distribución aerodinámica y del refrigerante para tres chorros laterales ubicados en el vástago de la púa. En estos modelos se observa la desviación de la corriente principal y el mecanismo de difusión del chorro de helio y CO2 en estas configuraciones. Los principales efectos de la ubicación de estos chorros son la desviación de la corriente principal, mientras que el régimen de circulación en estos modelos es casi idéntico. Debido a la alta tasa de penetración del helio, este gas desvía el arco con ángulos más altos.

Caudal y concentración de los diferentes sistemas de inyección lateral de refrigerante.

La característica de las interacciones del choque para el sistema de inyección lateral se demuestra en la Fig. 5. La principal diferencia en la ubicación del chorro en la punta está relacionada con la interacción del choque de separación con el choque del cilindro del chorro de refrigerante. De hecho, esta interacción da como resultado la desviación del choque del arco y limita la interacción del choque de separación con el cuerpo principal. A medida que la ubicación del chorro se mueve hacia la punta de la punta, el ángulo del arco de choque aumenta y la capa de separación no toca el cuerpo principal. Por tanto, la transferencia de calor disminuye en el cuerpo principal. La principal diferencia entre estos chorros de refrigerante está asociada con la forma y el tamaño del amortiguador del cañón y su efecto sobre el amortiguador del arco es casi idéntico.

Influencia de los diferentes sistemas de inyección lateral de refrigerante en las interacciones de los amortiguadores.

Para evaluar la fuerza de los impactos del arco y el cañón, la Fig. 6 muestra el contorno de temperatura en el plano medio para diferentes sistemas de inyección lateral. Cuando la inyección lateral ocurre en las proximidades del cuerpo principal, la región caliente está cerca de la punta de los discos donde la interacción del arco de choque con el disco da como resultado la región de alta entropía. A medida que la inyección de refrigerante se mueve hacia la punta de la punta, la región de temperatura se restringe entre el choque del cañón y el choque del arco, lo que confirma la alta potencia del choque del arco. También se ha descubierto que la fuerza del choque de deflexión del chorro de helio es menor que la del chorro de CO2. Además, a medida que el chorro de refrigerante se mueve hacia el cuerpo principal, una mayor parte del cuerpo queda bajo el impacto del fluido frío.

Distribuciones de temperatura cerca del cuerpo principal para los diferentes sistemas de inyección de refrigerante lateral.

La Figura 7 ilustra la característica tridimensional de la capa refrigerante para revelar la difusión de estos dos gases en diferentes sistemas de inyección lateral. Según el contorno logrado, la difusión del helio en el arco principal causa la fluctuación y un segmento de refrigerante se desvía hacia el cuerpo principal del cono de nariz. Este efecto se nota en la tasa de transferencia de calor que se muestra en la Fig. 8. La tasa de transferencia de calor en el disco y el cuerpo principal indica el mecanismo de difusión del refrigerante y sus efectos sobre la carga de calor de la punta y el disco. Como era de esperar, se produce una alta tasa de transferencia de calor en la punta del disco y esto se debe a la deflexión del impacto. Los efectos de la ubicación del refrigerante también se notan en la transferencia de calor del cuerpo principal.

Representación tridimensional de los diferentes sistemas de inyección lateral de refrigerante.

Tasa de transferencia de calor en el cuerpo principal y disco de los diferentes sistemas de inyección lateral de refrigerante.

La Figura 9 demuestra el efecto de los diferentes sistemas de inyección lateral de refrigerante en la reducción de la carga térmica total en el cuerpo principal y el conjunto de púas. Los datos obtenidos indican que la inyección de chorro de CO2 es más eficaz que la de helio para enfriar el cuerpo y el conjunto de púas. De hecho, esto se debe al efecto protector del gas CO2, ya que tiene una difusividad menor que el helio.

Comparación de la reducción de la carga térmica de los diferentes sistemas de inyección lateral de refrigerante.

Este estudio intenta investigar la importancia del chorro lateral para el manejo térmico del cono de nariz con MRD volando en flujo hipersónico. El modelo tridimensional se utiliza para la investigación del flujo y la transferencia de calor cerca del conjunto de punta y cono. El análisis de flujo y la distribución del gas refrigerante se comparan para dos tipos de gases refrigerantes: helio y dióxido de carbono. La influencia del gas refrigerante en el choque de compresión y el choque de arco cerca de la punta y el cuerpo principal. También se investiga el mecanismo de enfriamiento en diferentes ubicaciones de los chorros para lograr la configuración óptima para la reducción de la carga térmica del cono de la nariz. Nuestros resultados muestran que la desinflación del impacto principal por el chorro de refrigerante cerca de la punta de la punta tiene un gran impacto en la reducción del calentamiento aerodinámico.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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KF y AA escribieron el texto principal del manuscrito y MS y GC prepararon las figuras. YS y QC prepararon revisiones y HY revisó el manuscrito y corrigió la escritura en inglés. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Yunbin Shi o K. Fallah.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Recibido: 23 de febrero de 2023

Aceptado: 18 de abril de 2023

Publicado: 21 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33739-2

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