Cálculo de flujo en boquillas rarificadas utilizando el método de simulación de Monte Carlo directo basado en la viscosidad
Autores: Mopuru, Deepa Raj; Dongari, Nishanth; Payyavula, Srihari
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Cálculo de flujo en boquillas rarificadas utilizando el método de simulación de Monte Carlo directo basado en la viscosidad
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Microboquillas
Dinámica de gases rarificados
Método DSMC
MATLAB
Condiciones de contorno
Convergencia de mallas
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Los micro-inyectores son esenciales para permitir un control preciso de la actitud de los satélites y maniobras orbitales. La predicción precisa de los parámetros de rendimiento, incluyendo el empuje y el impulso específico, es crítica, lo que requiere un diseño cuidadoso de estos inyectores. Dado los altos números de Knudsen asociados con los flujos de micro-inyectores, la dinámica de gases rarificados a menudo domina, y los métodos convencionales de dinámica de fluidos computacional (CFD) no logran capturar el comportamiento preciso de expansión del flujo. El método de Simulación Directa de Monte Carlo (DSMC), desarrollado por Bird, se utiliza ampliamente para modelar flujos rarificados; sin embargo, se ha implementado principalmente en plataformas como OpenFOAM y FORTRAN, con una exploración limitada en MATLAB. Este estudio presenta el desarrollo de un marco de simulación DSMC basado en la viscosidad en MATLAB para analizar la expansión de gases rarificados a través de micro-inyectores. Se incorporan condiciones de contorno clave, incluyendo condiciones de presión aguas arriba y aguas abajo y tratamientos térmicos de pared con reflexión difusa, en el código. Los resultados de DSMC se validan contra resultados tradicionales de DSMC, mostrando un fuerte acuerdo. Los estudios de convergencia de la malla indican que el tamaño de la malla radial debe ser menor a un tercio de la trayectoria libre media, con un requisito más relajado sobre el tamaño de la malla axial. Las características del flujo dentro de los micro-inyectores se evalúan a través de diferentes presiones ambientales y especies de gas en términos de la relación de presión de retroceso, la relación de flujo de salida efectiva y la velocidad de flujo de salida. Los estudios indicaron que se requiere una relación mínima de presión de retroceso, más allá de la cual se logra la expansión efectiva del flujo del inyector. El análisis paramétrico sugiere además que los gases con pesos moleculares más bajos son preferibles para lograr una expansión óptima en micro-inyectores bajo presiones ambientales bajas.
Descripción
Los micro-inyectores son esenciales para permitir un control preciso de la actitud de los satélites y maniobras orbitales. La predicción precisa de los parámetros de rendimiento, incluyendo el empuje y el impulso específico, es crítica, lo que requiere un diseño cuidadoso de estos inyectores. Dado los altos números de Knudsen asociados con los flujos de micro-inyectores, la dinámica de gases rarificados a menudo domina, y los métodos convencionales de dinámica de fluidos computacional (CFD) no logran capturar el comportamiento preciso de expansión del flujo. El método de Simulación Directa de Monte Carlo (DSMC), desarrollado por Bird, se utiliza ampliamente para modelar flujos rarificados; sin embargo, se ha implementado principalmente en plataformas como OpenFOAM y FORTRAN, con una exploración limitada en MATLAB. Este estudio presenta el desarrollo de un marco de simulación DSMC basado en la viscosidad en MATLAB para analizar la expansión de gases rarificados a través de micro-inyectores. Se incorporan condiciones de contorno clave, incluyendo condiciones de presión aguas arriba y aguas abajo y tratamientos térmicos de pared con reflexión difusa, en el código. Los resultados de DSMC se validan contra resultados tradicionales de DSMC, mostrando un fuerte acuerdo. Los estudios de convergencia de la malla indican que el tamaño de la malla radial debe ser menor a un tercio de la trayectoria libre media, con un requisito más relajado sobre el tamaño de la malla axial. Las características del flujo dentro de los micro-inyectores se evalúan a través de diferentes presiones ambientales y especies de gas en términos de la relación de presión de retroceso, la relación de flujo de salida efectiva y la velocidad de flujo de salida. Los estudios indicaron que se requiere una relación mínima de presión de retroceso, más allá de la cual se logra la expansión efectiva del flujo del inyector. El análisis paramétrico sugiere además que los gases con pesos moleculares más bajos son preferibles para lograr una expansión óptima en micro-inyectores bajo presiones ambientales bajas.