Análisis comparativo de patrones de flujo en toberas planas y cónicas fuera de diseño

Abstract

En el presente trabajo, el objetivo es determinar el comportamiento de los patrones de flujo del campo de número de Mach y de presión para toberas planas y cónicas fuera de diseño, para el semiángulo de la divergente de 10,85°. Se empleó el código ANSYSFluent R16.2 para simular el campo de flujo con el modelo RANS y el modelo de turbulencia SAS para las condiciones de flujo en estado transitorio, para el rango de relaciones de presión de la tobera de NPR 1,97 a 8,91. Los resultados presentan diferentes patrones de flujo de número de Mach y de presión estática entre ambas toberas, donde los frentes de choque normales no tienen las mismas posiciones para un mismo valor de NPR. El pico máximo de la fluctuación del flujo en la línea central de la divergente de la tobera cónica es Mach 2,844, mientras que en la tobera plana es Mach 2,011, por lo que la velocidad del flujo es menor en la tobera plana. La velocidad del flujo a la salida de la tobera cónica es Mach 2,535, la cual es 27,32 % mayor que la velocidad del flujo en la tobera plana, que tiene Mach 1,991. El área de la garganta de la tobera tiene un efecto significativo para el tránsito del flujo másico, ya que el área de la garganta de la tobera plana es mayor con respecto al de la tobera cónica.//This study aims to analyze the behavior of Mach number and pressure field flow patterns in off-design planar and conical nozzles with a divergent half-angle of 10.85°. Numerical simulations of the flow field were conducted using the ANSYS-Fluent R16.2 software, employing the RANS model and the SAS turbulence model under transient flow conditions. The nozzle pressure ratios (NPR) ranged from 1.97 to 8.91. The results reveal differences in flow patterns, including Mach number and static pressure, between the two nozzle types. Notably, normal shock fronts exhibited varying positions for the same NPR values. The maximum peak flow fluctuation along the centerline of the conical nozzle’s divergent section reached Mach 2.844, compared to Mach 2.011 in the planar nozzle, indicating lower flow velocity in the latter. At the nozzle outlet, the flow velocity of the conical nozzle was Mach 2.535, representing a 27.32% increase compared to the planar nozzle, which achieved Mach 1.991. Additionally, the throat area significantly influenced mass flow transit, with the planar nozzle having a larger throat area than the conical nozzle. These findings provide insights into the impact of nozzle geometry on flow characteristics under off-design conditions.