Modelo de combustión sólida de propelente

La combustión de combustible sólido es un método tradicional de extracción de energía desde objetos sólidos. Sin embargo, una aplicación relativamente nueva es la combustión de combustible sólido en la propulsión de cohetes.

El desarrollo del nuevo modelo de objetos combustibles en FLOW-3D v 11.1 fue motivado por la combustión sólida de propelentes en cohetes. El modelo describe la conversión del propelente sólido del cohete a gas con una fuente de calor, reproduciendo el proceso de la combustión en cohetes de combustible sólido.

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La física detrás del modelo

El quemado del propelente en la cámara de combustión incrementa la temperatura y la presión del gas circundante. Además, a medida que el propelente es quemado, el dominio del flujo aumenta. Es interesante predecir aquellos cambios en el flujo debido a que la dinámica (ejemplo, trayectoria y velocidad) del cohete depende de ellos.

Para considerar los cambios en el tamaño del dominio del flujo, se ha desarrollado una variante del modelo general de objetos móviles (OMG). En el modelo aumentado, el componente de geometría que representa al propelente sólido se designa como un componente OMG de un tipo especial: en lugar de moverse, cambia de forma y tamaño.

Si el estrés elástico dentro del propelente sólido necesita ser modelado, el modelo de interacción fluido-estructura funcionará con este nuevo desarrollo.

La fuente de masa del gas de combustión se asume de tipo estancamiento, es decir, la velocidad inicial del gas de escape es cero. Como resultado, no hay un término de fuente adicional presente en las ecuaciones de conservación de momento. La velocidad de combustión se define por la siguiente ecuación. DM/DT es la tasa de combustión o, simplemente, la tasa de cambio de masa del propelente sólido, P es la presión del gas de combustión, y a y b son parámetros empíricos.

Cómo configurar el modelo

El modelo requiere que se active el modelo de flujo compresible. El propelente sólido se define como un tipo especial de un componente geométrico de combustión y los parámetros de reacción (a y b) necesitan ser definidos. Los valores predeterminados para los coeficientes multiplicador y de potencia son fijados por el programa, pero estos valores pueden ser modificados por el usuario. Los valores por defecto para los coeficientes multiplicador y de potencia son 1E-05 y 0,5, respectivamente. Estos valores pueden ser modificados por el usuario.

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Ejemplo de simulaciones con resultados

Esta simulación es de un propelente sólido que se quema dentro de un cohete.

El diseño utilizado para la parte del cohete junto con la parte real se muestra en la figura 1. Se usó una malla cilíndrica debido a la geometría cilíndrica del modelo.

La evolución de la presión del gas (la evolución con el tiempo se muestra en la simulación 1), la velocidad y la fracción de masa de gas de combustión es típicamente lo que un usuario probablemente estudiará.

El número Courant también se muestra en los resultados (Figura 2), que es una relación entre la distancia recorrida por el fluido en un paso de tiempo al tamaño de la celda de malla.

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Número Courant

Valores más altos del número Courant indican que el tamaño del paso del tiempo puede ser demasiado grande para capturar con precisión las características locales del flujo. En la figura 4, el número Courant permanece bajo dentro de la cámara de ignición, pero aumenta a medida que el flujo pasa de la cámara a la tobera.

Desde que el principal propósito de estudio de este caso fue simular el comportamiento del objeto combustible, en cuanto la cámara de ignición trabaje, el número Courante va a ser bajo, asegurando una solución precisa. Esto no sucede en la tobera, pero el usuario puede reducir el paso de tiempo para ejecutar la simulación a un número de Courant más bajo, si es necesario.

Figura 2

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Explícito versus implícito

Hasta ahora podrías haber pensado en las complejidades numéricas involucradas en esta simulación. El tamaño global del paso de tiempo es limitado por la velocidad de advección en la tobera, que puede conducir a tiempos largos de computación. Se podría utilizar un esquema advección implícito para agilizar los cálculos. Sin embargo, el tamaño del paso de tiempo debe controlarse cuidadosamente para minimizar los errores asociados con el esquema implícito.

 

Pathlines y circulación

Figura 3

Pathlines son excelentes funciones matemáticas y herramientas de visualización para entender la historia de una partícula fluida en el dominio computacional. Una herramienta de visualización fuerte como FlowSight calcula los pathlines dependiendo de los requisitos del usuario en términos de longitud, número, etc.

La figura 3 muestra la parte combustible desde la parte inferior (dirección longitudinal) hacia la ventanilla superior izquierda. Los pathlines se calculan y visualizan en la ventana principal (la figura del centro). De un vistazo, se puede ver que una cantidad significativa de circulación local está sucediendo, junto con una circulación global en la periferia. Tal física puede ser importante para entender cómo programar la trayectoria de un cohete.

 

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Fuente: FLOW-3D

 

Webinario IMPROVEit: Herramienta de Optimización para FLOW-3D en Hidráulica