Investigação numérica do fluxo compressível ao redor do cone do nariz com Multi

Aug 03, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 787 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Devido ao severo aquecimento aerodinâmico, a proteção do corpo anterior do scramjet é crucial para o vôo hipersônico. No presente trabalho, um novo sistema de resfriamento é proposto e investigado para proteção do cone do nariz em vôo hipersônico. A dinâmica de fluidos computacional é usada para a simulação do jato de refrigerante lateral e axial liberado do pico em condições de alta velocidade. O objetivo principal é encontrar a localização ideal do jato para um resfriamento eficiente do conjunto do nariz e da ponta. A influência de dois jatos de refrigerante (dióxido de carbono e hélio) no mecanismo do sistema de resfriamento foi totalmente investigada. Para simulação, as equações RANS são acopladas à equação de transporte de espécies e ao modelo de turbulência SST. Duas diferentes configurações de jato (posições de disco axial) são investigadas para obter condições eficientes de proteção do cone do nariz em vôo hipersônico. Nossos resultados indicam que a presença da ponta no cone do nariz diminui a pressão em até 33% no corpo principal e desloca a pressão máxima para ângulos mais elevados devido à deflexão da corrente de ar. A pressão máxima cai cerca de 50% pela injeção do jato do disco refrigerante (C2) em um ângulo de 55 graus.

O sistema de refrigeração para o controle térmico do aquecimento aerodinâmico é a principal questão para o projeto de carrocerias de veículos de alta velocidade e ônibus. Esforços consideráveis ​​têm sido feitos para encontrar uma solução eficiente para esta questão e algumas técnicas práticas e teóricas têm sido propostas e investigadas a este respeito1,2. A complexa característica do fluxo hipersônico próximo ao cone do nariz é um desafio importante para a avaliação da eficiência térmica das técnicas propostas3,4. Além disso, a produção do choque com dissociação do ar também intensifica a complexidade do fluxo físico nas proximidades do cone do nariz5.

Como o conceito principal do corpo anterior é reduzir a redução do arrasto, uma nova metodologia deve considerar isso para o gerenciamento térmico do aquecimento aerodinâmico. Na verdade, a redução do calor e do arrasto deve ser equilibrada para o modelo eficiente6,7. O dispositivo mecânico de espigão é o modelo prático mais convencional para a redução térmica do cone nasal em fluxo hipersônico. Nesta técnica, a separação do fluxo ocorre na ponta da ponta e a região de alta temperatura é produzida próxima à ponta8,9. Como o espigão reduz a força de arrasto e o aquecimento no cone do nariz, ele é popular e prático em aplicações reais. A formação do choque e o valor da transferência de calor são proporcionais ao formato e comprimento da ponta10. A força e a interação do choque do arco produzido na frente da ponta são importantes para a carga térmica no corpo principal. Trabalhos anteriores investigaram extensivamente várias características da ponta mecânica para alcançar a geometria ideal desta técnica .

A aplicação do disco multifilar na ponta também melhora o desempenho térmico da ponta14,15. Neste método, o fluxo de recirculação é produzido nos vãos e isso melhora a transferência de calor nas proximidades do espigão. Além disso, a deflexão do choque de impacto é gerenciada pelo tamanho do disco e isso poderia evitar a deflexão do choque de arco no corpo principal16,17.

A injeção do líquido refrigerante a partir do cone do nariz também é conhecida como segunda técnica para proteção térmica da carroceria de veículos hipersônicos18,19. Neste conceito, o jato transitório é liberado e empurra o choque de proa para montante. Além disso, a baixa temperatura do refrigerante reduz a temperatura do gás próximo ao cone e consequentemente, a transferência de calor para o corpo principal diminui20,21. Além disso, a condutividade térmica (Cp) do fluxo é alterada pela injeção de gás secundário e isso também é eficaz na proteção do cone do nariz. Embora esta abordagem ainda não seja prática, ela oferece dados significativos sobre o mecanismo de produção de calor através do processo de aquecimento aerodinâmico22,23,24.