Estudio comparativo de transferencia térmica en tobera supersónica mediante CFD

Abstract

En el presente trabajo se reproduce mediante herramientas de fluidodinámica computacional un ensayo experimental de transferencia de calor del aire caliente hacia la pared de una tobera supersónica. El estudio de dicha transferencia de energía en forma de calor es una parte crítica con respecto al diseño de un motor cohete, ya que los gases calientes que fluyen en el interior de la tobera pueden alcanzar valores de temperaturas mucho más altos que las temperaturas de fusión de los materiales utilizados en su construcción. Por lo tanto, es esencial tener conocimientos del comportamiento de esta transferencia térmica para saber la cantidad de energía que se transfiere en forma de calor y estimar la distribución de temperaturas alcanzadas por los materiales. Estos resultados parciales servirán para validar los modelos numéricos y de turbulencia para que los mismos sean utilizados en los procesos de diseño de nuevos motores. Se procede a generar un modelo bidimensional con simetría axial con las dimensiones geométricas de la tobera convergente – divergente utilizada en el ensayo experimental presentado en los trabajos de Back y Massier en el Jet Propulsion Laboratory de Pasadena (L. Back, P. Massier and H. Gier, Int J Heat and Mass Transf, 7:549-569 (1964); L. Back, P. Massier and R. Cuffel, J Spacecraft and Rocket, 4:1040-1047 (1967)). Las simulaciones numéricas fueron realizadas mediante el código Fluent. Se usaron distintos solvers numéricos (basados en densidad y en presión) para comparar los diferentes resultados numéricos con las mediciones experimentales de las temperaturas y los flujos de calor en la pared interna de la tobera convergente – divergente.