00 Leccion-06b CG Desprendimiento

7/24/2019 00 Leccion-06b CG Desprendimiento

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MOTORES COHETEGrado en Ingeniera Aeroespacial (Curso 4)

Juan Manuel Tizn [email protected]

Departamento de Mecnica de Fluidos y Propulsin Aeroespacial


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Leccin 6b:Desprendimientoentoberassobreexpansionadas

Introduccin.

Interaccin

onda

de

choque

capa

lmite.

Desprendimientoentoberascnicas.

Desprendimientoentoberascontorneadas.

J.M.Tizn


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ToberaSobre

expansionada

J.M.Tizn

Fenomenologa bsicaPara toberas de moderada relacin de reas ( 10) y geometra cnica cuando la presin de descarga es inferior a la presinambiente se presenta alguno de los regmenes que aparecen a continuacin*:

a) Flujo esencialmente unidimensional con onda de choque normal aguas abajo de la garganta .Este rgimen ocurre para relacionesde presin de la tobera ligeramente superiores a la crtica.b) Flujo inestable con onda de choque oblicua y desprendimiento de la corriente en la pared. La estructura fluida es asimtrica y no

estacionaria.c) Flujo estable y simtrico, con onda de choque oblicua y separacin de la corriente. A medida que la relacin de expansin

aumenta, el punto de separacin se desplaza hacia la salida.d) Flujo con onda de choque oblicua, en las proximidades de la seccin de salida, que interacciona con la capa lmite.e) Flujo no perturbado en la tobera con una onda de choque oblicua que se inicia en la seccin de salida. Esta onda de choque se

debilita al aumentar la relacin de expansin y desaparece cuando se alcanza el rgimen adaptado.

a)

(*) Arens, M. and Spiegler , E., Shock-Induced Boundary Layer Separation inOverexpanded Conical Exhaust Nozzles, AIAA Journal, Vol. 1, No. 3, page 578-581, 1963.

b) c) d) e)

NPR


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ToberaSobre

expansionada

J.M.Tizn

Fenomenologa bsicaEl funcionamiento de las toberas sobre-expansionadas est determinado por el valor de la presin ambiente porque la informacin de

contra presin se transmite por la capa limite pasando por la regin subsnica de esta.


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Ondade

choque

Capa

lmite

J.M.Tizn


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ToberaSobre

expansionada

J.M.Tizn


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Coeficientede

empuje

J.M.Tizn

5

10

20

100

300

pc

/pa

=33

1.2


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Datosexperimentales

J.M.Tizn

Mecanismo de desprendimientoLa figura presenta datos experimentales de desprendimiento en toberas recopilados en la dcada de los 60s en la que se desarrollala correlacin de Arens y Spliegel.

La figura pone de manifiesto la evidente correlacin entre el nmero de Mach incidente a la onda de choque oblicua y el salto depresiones que tiene lugar entre la presin aguas arriba de la onda y la que hay despus del desprendimiento. De esta maneratambin queda demostrada la relativamente poca importancia de detallar qu presin se toma detrs del punto de desprendimiento.


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Correlaciones

J.M.Tizn

/ 12 21

2

212

1 (1 0.56 )

1

dd

a d

Mp

p M

Bibliografa

Summerfield M., Foster C., and Swan W.,Flow Separation in OverexpandedSupersonic Exhaust Nozzles, JetPropulsion, Vol. 24, No. 9, page 319-321,1954.

Arens, M. and Spiegler , E., Shock-

Induced Boundary Layer Separation inOverexpanded Conical Exhaust Nozzles,AIAA Journal, Vol. 1, No. 3, page 578-581,1963.

Schmucker R., Strmungsvorgnge beimBetrieb berexpandierter Dsenchemischer Raketentriebwerke, Teil 1:Strmungsablsung, Bericht TB-7, Tech.Univ. Munich, 1973.

Frey, M., Behandlung vontrmungsproblemen in Raketendsen beiberexpansion, Ph. D. hesis, UniversittStuttgart, 2001.

Stark, R. H., Flow Separation in RocketNozzles, a Simple Criteria, AIAA Paper2005-3940, 41stAIAA/ASME/SAE/ASEEJoint Propulsion Conference & Exhibit, Jul

2005 Tucson Arizona

0.64

1.88 1

d da

pM

p

0.286 1 3.5d

a

p

p

3

d

a d

p

p M

Correlaciones semi-empricasA la vista de los resultados experimentales que corroboran que el parmetro ms importante a la hora de situar eldesprendimiento es el nmero de Mach en la regin del desprendimiento.

Summerfield(1954)

Arens &

Spiegler(1963)

Schmucker(1973)

Stark(2005)


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Desprendimientoen

toberas

J.M.Tizn

Base de datos de desprendimientoEn los ltimos aos se ha realizado un gran esfuerzo de investigacin en el campo, recopilndose gran cantidad dedatos experimentales que permiten corroborar los diferentes criterios propuestos. En la figura se muestra unacomparacin de algunos de ellos.

Summerfield(1954)

Arens &Spiegler(1963)

Schmucker(1971)

Stark(2005)


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Toberascontorneadas

(TOP)

J.M.Tizn


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Modosde

desprendimiento

J.M.Tizn


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Modosde

Desprendimiento

J.M.Tizn

Unicidad de solucinEn la figura se muestra que para una misma relacin de presiones de la tobera (NPR) se pueden obtener

configuraciones bien distintas. Alcanzar una o otra depende en principio de la historia que haya seguido la tobera y enel caso de operacin normal si se encuentra en proceso de arranque o parada.No obstante, la existencia de soluciones mltiples abre la posibilidad de que la situacin sea inestable y el sistemasalte de una solucin a otra de forma no estacionaria u oscilante o creando soluciones no axilsimtricas.


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ArranqueParada

(histresis)

J.M.Tizn


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Histresisde

chorro

J.M.Tizn

M. Frey, G. Hagemann: Restricted Shock Separation in Rocket Nozzles,Journal of Propulsion and. Power, Vol. 16, No. 3, May-June 2000

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