Indagine numerica del flusso comprimibile attorno al cono con Multi

Aug 03, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 787 (2023) Citare questo articolo

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A causa del forte riscaldamento aerodinamico, la protezione della parte anteriore dello scramjet è fondamentale per il volo ipersonico. Nel presente lavoro viene proposto e studiato un nuovo sistema di raffreddamento per la protezione del cono di prua durante il volo ipersonico. La fluidodinamica computazionale viene utilizzata per la simulazione del getto di refrigerante laterale e assiale rilasciato dalla punta in condizioni di alta velocità. L'obiettivo principale è trovare la posizione ottimale del getto per un raffreddamento efficiente del gruppo naso e punta. L'influenza di due getti di refrigerante (anidride carbonica ed elio) sul meccanismo del sistema di raffreddamento è stata completamente studiata. Per la simulazione, le equazioni RANS sono accoppiate all'equazione del trasporto delle specie e al modello di turbolenza SST. Vengono studiate due diverse configurazioni del getto (posizioni del disco assiale) per ottenere condizioni efficienti per la protezione del cono di prua durante il volo ipersonico. I nostri risultati indicano che la presenza della punta sul cono diminuisce la pressione fino al 33% sul corpo principale e sposta la pressione massima ad angoli più alti a causa della deflessione del flusso d'aria. La pressione massima scende di circa il 50% mediante l'iniezione del getto del disco del refrigerante (C2) con un angolo di 55 gradi.

Il sistema di raffreddamento per il controllo termico del riscaldamento aerodinamico è il problema principale per la progettazione della parte anteriore di veicoli e navette ad alta velocità. Sono stati compiuti sforzi considerevoli per trovare una soluzione efficiente a questo problema e alcune tecniche pratiche e teoriche sono state proposte e studiate a questo riguardo1,2. La complessa caratteristica del flusso ipersonico vicino al cono rappresenta una sfida importante per la valutazione dell'efficienza termica di queste tecniche proposte3,4. Inoltre, la produzione dell'urto con dissociazione dell'aria intensifica anche la complessità della fisica del flusso in prossimità del cono5.

Poiché il concetto principale della parte anteriore è quello di ridurre la resistenza aerodinamica, una nuova metodologia dovrebbe tenerne conto per la gestione termica del riscaldamento aerodinamico. Infatti, la riduzione sia del calore che della resistenza dovrebbe essere bilanciata per il modello efficiente6,7. Il dispositivo meccanico di punta è il modello pratico più convenzionale per la riduzione termica dell'ogiva a flusso ipersonico. In questa tecnica, la separazione del flusso avviene nella punta dello spillo e vicino allo spillo si produce una regione ad alta temperatura8,9. Poiché il picco riduce la forza di resistenza e il riscaldamento sul cono, è popolare e pratico nelle applicazioni reali. La formazione dello shock e il valore del trasferimento di calore sono proporzionali alla forma e alla lunghezza della punta10. La forza e l'interazione dell'arco d'urto prodotto davanti al picco sono importanti per il carico termico sul corpo principale. Lavori precedenti hanno studiato approfonditamente varie caratteristiche del picco meccanico per ottenere la geometria ottimale di questa tecnica11,12,13.

L'applicazione del disco multi-fila sulla punta migliora anche le prestazioni termiche della punta14,15. In questo metodo il flusso di ricircolo viene prodotto negli interstizi e ciò migliora lo scambio termico in prossimità dello spuntone. Inoltre, la deflessione dell'ammortizzatore è gestita tramite la dimensione del disco e ciò potrebbe evitare la deflessione dell'ammortizzatore sul corpo principale16,17.

L'iniezione del liquido refrigerante dal cono di prua è nota anche come seconda tecnica per la protezione termica della parte anteriore dei veicoli ipersonici18,19. In questo concetto, viene rilasciato un getto transitorio che spinge l'ammortizzatore di prua verso monte. Inoltre, la bassa temperatura del liquido refrigerante riduce la temperatura del gas in prossimità del cono e di conseguenza diminuisce il trasferimento di calore nel corpo principale20,21. Inoltre, la conduttività termica (Cp) del flusso viene modificata dall'iniezione di gas secondario e ciò è efficace anche sulla protezione del cono. Sebbene questo approccio non sia ancora pratico, offre dati significativi sul meccanismo di produzione del calore attraverso il processo di riscaldamento aerodinamico22,23,24.