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Caracterizacin del flujo en la tobera aerospike lineal del motor cohete XRS-2200Ignacio Daz de Argandoa Delgado de Molina

Dr. Antonio Gil Megas Dr. Sergio Hoyas CalvoGrado en Ingeniera AeroespacialJunio 2014

Introduccin

Objetivos

Metodologa

Tobera de estudio

Casos a analizar

Resultados

Conclusiones

ndice01/1502/15Contexto del trabajo Proyecto X-33

Concepto del proyecto

Proyecto de NASA, Lockheed, Rocketdyne

Vehculo SSTO-RLV (Single-stage-to-orbit Reusable-Lauch-Vehicle)

Misiones a 100 km de altitud

Inversin total: $1279 mill.

Cuerpo sustentador en Ala Delta

Complejos sistemas de refrigeracin.

Tobera aerospike lineal

INTRODUCCION / OBJETIVOS / TOBERA / METODOLOGA / CASOS / RESULTADOS / CONCLUSIONESConocimientoFuncionamiento de los motores cohete

Tipologa de toberas existente

Fenomenologa en toberas aerospike

Tcnicas de CFD y modelado de geometrasEstudioArranque del motor cohete

Ascenso del motor cohete

Introduccin de flujo secundario

Efecto de geometras variables03/15ObjetivosINTRODUCCION / OBJETIVOS / TOBERA / METODOLOGA / CASOS / RESULTADOS / CONCLUSIONES Fcil fabricacin. Ampliamente extendidas. Fabricacin compleja. An en desarrollo. Estructura anexa al vehculo Estructura integrada en el vehculo. Expansin a la atmsfera.Tobera ConvencionalTobera Aerospike

04/15Ventajas de una tobera Aerospike

INTRODUCCION / OBJETIVOS / TOBERA / METODOLOGA / CASOS / RESULTADOS / CONCLUSIONES Expansin limitada por la estructura. Gran aporte de peso al vehculo. No requiere experimentacin Expansin no limitada. No supone un gran aporte de peso. Requiere investigacin previa. Expansin en el divergente.05/15La tobera del XRS - 2200Clulas de expansin independientes

Garganta circular. Seccin de salida rectangular

Spike truncado. Base porosa.

Propelente: Oxgeno Hidrgeno lquidos

Proporcin O2 / H2: 6

Presin en cmara: 59.088 barINTRODUCCION / OBJETIVOS / TOBERA / METODOLOGA / CASOS / RESULTADOS / CONCLUSIONES

06/15Metodologa CFDGeometra

INTRODUCCION / OBJETIVOS / TOBERA / METODOLOGA / CASOS / RESULTADOS / CONCLUSIONES8 zonas de malladoLongitud 15 veces la longitud de la toberaAltura 10 veces la altura de la tobera

Metodologa CFD

Geometra

07/15Malla

Malla estructurada Elementos cuadrilteros

INTRODUCCION / OBJETIVOS / TOBERA / METODOLOGA / CASOS / RESULTADOS / CONCLUSIONESMalla del convergente.

Unin convergente-divergente.Elementos73200Skewness0.711Orth. Quality0.44608/15Metodologa CFDConfiguracin

Geometra

Malla

Combustin H2-O2 lquido.*INTRODUCCION / OBJETIVOS / TOBERA / METODOLOGA / CASOS / RESULTADOS / CONCLUSIONESO2 / H2

57

6Gamma1.21Chamber T.3588.7 Kc*2255.5 m/sPeso molecular13.5 gr/mol*Design of Liquid-Propellant Rocket Engines, Dieter K. Huzel and David H. HuangGammaChamber T.c*Peso molecularKm/sgr/molPresin en cmara2 bar59,1 barAltitudSea Level20 km5 %Gasto secundario0 % Relacin de reas12,5 18Casos de estudio

Lmites

Arranque / Ascenso / Flujo secundario / Relacin de expansin09/15

DISEOINTRODUCCION / OBJETIVOS / TOBERA / METODOLOGA / CASOS / RESULTADOS / CONCLUSIONESSimulacin en banco de pruebas.

10/15Casos de estudio

Arranque / Ascenso / Flujo secundario / Relacin de expansin

Presin en cmara2 bar59,1 bar

Contorno de Mach. Arranque de la tobera.Contorno de Mach. Avance de la onda de choque.

Burbuja de recirculacin.INTRODUCCION / OBJETIVOS / TOBERA / METODOLOGA / CASOS / RESULTADOS / CONCLUSIONES

11/15Casos de estudio

Arranque / Ascenso / Flujo secundario / Relacin de expansin

Altitud0 m20 km

3.6 km10 kmContorno de Mach. Ascenso de la tobera.Empuje con la altitud.INTRODUCCION / OBJETIVOS / TOBERA / METODOLOGA / CASOS / RESULTADOS / CONCLUSIONES

12/15Casos de estudio

Arranque / Ascenso / Flujo secundario / Relacin de expansinINTRODUCCION / OBJETIVOS / TOBERA / METODOLOGA / CASOS / RESULTADOS / CONCLUSIONES

Original12.94 %Nueva rampa3.07 %-50 %Cada de empujeOriginalNueva Rampa+24.2 %13/15Casos de estudio

Arranque / Ascenso / Flujo secundario / Relacin de expansin

Flujo Secundario0 %5 %% gasto msicoIncremento de empuje1%16.15 %2%11.88 %5%11.16 %1 %2 %Introduccin de aire atmosfrico a nivel del marFlechas de Mach en la base del spike.INTRODUCCION / OBJETIVOS / TOBERA / METODOLOGA / CASOS / RESULTADOS / CONCLUSIONES

14/15Casos de estudio

Arranque / Ascenso / Flujo secundario / Relacin de expansin

Relacin de reas12,5181512.48314.97917.975Empuje (kN)78.384188.284186.447Existencia de un ptimoAn no se ha conseguido eliminar la subexpansin

INTRODUCCION / OBJETIVOS / TOBERA / METODOLOGA / CASOS / RESULTADOS / CONCLUSIONES+20 %+20 %Consecucin de objetivos

Aprendizaje de tcnicas CFD

Fenomenologa en toberas aerospike

Caracterizacin del flujo en la tobera

4 estudios completados15/15

Realizacin TFGINTRODUCCION / OBJETIVOS / TOBERA / METODOLOGA / CASOS / RESULTADOS / CONCLUSIONESMuchas gracias por su atencinIgnacio Daz de Argandoa Delgado de Molinaigdiadea@etsid.upv.es

Anexo: Proporcin O2 / H2 La proporcin entre oxidante y combustible se establece de forma estequiomtrica en un valor de 8.1 para motores cohete de hidrgeno y oxgeno lquidos.

Sin embargo, el ptimo valor de esta proporcin para motores cohete no es el valor estequiomtrico, sino un valor ligeramente ms rico en combustible (inferior).

La razn es que el flujo de escape tiende a tener un menor peso molecular mejorando parmetros de rendimiento del motor, como son el empuje o el impulso especfico.

Para motores cohete de hidrgeno/oxgeno, se establece entre 4.5 6.

La presin en cmara, el ratio de reas entre salida y garganta o la temperatura en cmara pueden influir en este valor ptimo.

Anexo: Esquema de clculo Solver: Pressure-basedModelo de turbulencia: - SSTEsquema de solver: CoupledDiscretizacin: Least Squares Cell BasedTransporte de especies: Species Species Transport

BACCCDCEFGPressure-outletSymmetryWallInteriorInletWallInterior