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Design of a Single Expansion Ramp Nozzle and Numerical Investigation of Operation at OverExpanded Conditions /

紀錄類型:	書目-電子資源 : Monograph/item
正題名/作者:	Design of a Single Expansion Ramp Nozzle and Numerical Investigation of Operation at OverExpanded Conditions // Jorge Filipe Suadate Correia de Magalhaes.
作者:	de Magalhaes, Jorge Filipe Suadate Correia,
面頁冊數:	1 electronic resource (131 pages)
附註:	Source: Masters Abstracts International, Volume: 83-12.
Contained By:	Masters Abstracts International83-12.
標題:	Partial differential equations. -
電子資源:	https://pqdd.sinica.edu.tw/twdaoapp/servlet/advanced?query=29096149
ISBN:	9798819337615

Design of a Single Expansion Ramp Nozzle and Numerical Investigation of Operation at OverExpanded Conditions /
de Magalhaes, Jorge Filipe Suadate Correia,

Design of a Single Expansion Ramp Nozzle and Numerical Investigation of Operation at OverExpanded Conditions /Jorge Filipe Suadate Correia de Magalhaes. - 1 electronic resource (131 pages)

Source: Masters Abstracts International, Volume: 83-12.

Na presente tese, um bocal de rampa de expansao unica (SERN) e projetado e investigado. Um algoritmo de Python baseado no metodo das caracteristicas e desenvolvido, o qual calcula o contorno otimizado de um bocal 2D supersonico caloricamente perfeito de comprimento minimo, para expansao ideal dos gases, sem choques. Alem disso, calcula tambem varias propriedades do escoamento no interior do bocal. Os resultados do algoritmo sao coroborados pelos fundamentos teoricos, literatura previa e simulacoes CFD, validando assim o codigo. A geometria otimizada de um SERN (com um Mach a saida de ME = 4 e um coeficiente de expansao adiabatica de ? = 1, 4) e entao obtida com recurso ao algoritmo, e truncada a 40% do seu comprimento sem perda significativa de tracao, para integracao viavel num veiculo. Um modelo numerico foi criado em ANSYS FLUENT 16.2, e validado com dados de uma previa investigacao experimental efetuada em SERN's. O modelo validado foi entao aplicado ao SERN projetado neste estudo, onde varias simulacoes foram efetuadas em diferentes condicoes de operacao. As simulacoes numericas sao resolvidas em regime permanente, 2D, utilizando o solver baseado em densidade e o modelo de turbulencia k-e RNG. O Caso A simula a operacao do SERN a altitude (22 km) e velocidade (Mach 4) de projeto, variando a razao de pressao do bocal (NPR) de 133,65 (projeto), 100, 75, 50 e 25. Ao NPR de projeto, observase uma expansao quase perfeita dos gases. A medida que o NPR e reduzido, a escoamento tornase sobreexpandido, com a formacao de ondas de choque incidentes a saida do bocal e ondas de choque refletidas a jusante, reducao da velocidade do escoamento e contracao da pluma do jato. Entre os NPR's 133,65 a 25, a tracao, sustentacao e momentos do SERN sofrem uma reducao linear de 81,33%, 80,7% e 81,17%, respetivamente. O Caso B simula a operacao do SERN a uma velocidade (0.4 Mach) e altitude (8 km) fora do ponto de projeto, variando o NPR de 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15 ate 20. Observase extrema sobreexpansao do escoamento e padroes de ondas de choque complexos, tais como o padrao de separacao de choque restrito (RSS), incluindo a formacao de uma bolha de recirculacao na rampa, entre os pontos de separacao e religacao do jato principal, uma grande regiao de recirculacao no flap, discos de Mach, estruturas de choque ? e cadeias de choque. Entre os NPR's 4 a 20, a tracao, sustentacao e momentos do SERN sofrem uma certa variacao, com um aumento global de 38,2%, 5,27% e 42,3%, respetivamente.

English

ISBN: 9798819337615Subjects--Topical Terms:

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Partial differential equations.

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520 $a Na presente tese, um bocal de rampa de expansao unica (SERN) e projetado e investigado. Um algoritmo de Python baseado no metodo das caracteristicas e desenvolvido, o qual calcula o contorno otimizado de um bocal 2D supersonico caloricamente perfeito de comprimento minimo, para expansao ideal dos gases, sem choques. Alem disso, calcula tambem varias propriedades do escoamento no interior do bocal. Os resultados do algoritmo sao coroborados pelos fundamentos teoricos, literatura previa e simulacoes CFD, validando assim o codigo. A geometria otimizada de um SERN (com um Mach a saida de ME = 4 e um coeficiente de expansao adiabatica de ? = 1, 4) e entao obtida com recurso ao algoritmo, e truncada a 40% do seu comprimento sem perda significativa de tracao, para integracao viavel num veiculo. Um modelo numerico foi criado em ANSYS FLUENT 16.2, e validado com dados de uma previa investigacao experimental efetuada em SERN's. O modelo validado foi entao aplicado ao SERN projetado neste estudo, onde varias simulacoes foram efetuadas em diferentes condicoes de operacao. As simulacoes numericas sao resolvidas em regime permanente, 2D, utilizando o solver baseado em densidade e o modelo de turbulencia k-e RNG. O Caso A simula a operacao do SERN a altitude (22 km) e velocidade (Mach 4) de projeto, variando a razao de pressao do bocal (NPR) de 133,65 (projeto), 100, 75, 50 e 25. Ao NPR de projeto, observase uma expansao quase perfeita dos gases. A medida que o NPR e reduzido, a escoamento tornase sobreexpandido, com a formacao de ondas de choque incidentes a saida do bocal e ondas de choque refletidas a jusante, reducao da velocidade do escoamento e contracao da pluma do jato. Entre os NPR's 133,65 a 25, a tracao, sustentacao e momentos do SERN sofrem uma reducao linear de 81,33%, 80,7% e 81,17%, respetivamente. O Caso B simula a operacao do SERN a uma velocidade (0.4 Mach) e altitude (8 km) fora do ponto de projeto, variando o NPR de 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15 ate 20. Observase extrema sobreexpansao do escoamento e padroes de ondas de choque complexos, tais como o padrao de separacao de choque restrito (RSS), incluindo a formacao de uma bolha de recirculacao na rampa, entre os pontos de separacao e religacao do jato principal, uma grande regiao de recirculacao no flap, discos de Mach, estruturas de choque ? e cadeias de choque. Entre os NPR's 4 a 20, a tracao, sustentacao e momentos do SERN sofrem uma certa variacao, com um aumento global de 38,2%, 5,27% e 42,3%, respetivamente.
520 $a In the present thesis, a single expansion ramp nozzle (SERN) is designed and investigated. A Python algorithm based on the method of characteristics (MOC) is developed, which generates the optimised contour of a 2D supersonic calorically perfect minimum length nozzle (MLN), for ideal shockfree flow expansion, and calculates various flowfield properties within the nozzle. The algorithm results shows good agreement with theoretical background, previous literature and CFD simulations, thus validating the code. An optimised SERN geometry is then designed using the algorithm, operating with an exit Mach number of ME = 4 and a specific heat ratio of ? = 1.4. The optimal geometry is truncated at 40% of its length for viable integration into a vehicle, without significant loss in thrust. A numerical framework is created in ANSYS FLUENT 16.2, and validated by comparison with data from previous experimental investigations conducted on SERN's. The validated model is then applied to the SERN designed in this study, where various simulations of design and offdesign conditions are conducted. The numerical simulations are solved in a steadystate 2D environment, using the densitybased solver and the k - e RNG turbulence model. Case A simulates SERN operation at design altitude (22 km) and speed (Mach 4), through nozzle pressure ratios (NPR's) 133.65 (design), 100, 75, 50 and 25. Near perfect expansion of the gases is achieved at the design NPR. As the NPR is reduced, the flow becomes overexpanded, with the formation of incident shockwaves at the nozzle exit and reflected shockwaves further downstream, reduction of exhaust flow speed and contraction of the exhaust plume. From NPR = 133.65 to NPR = 25, the SERN's thrust, lift and moments suffer a linear reduction of 81.33%, 80.7% and 81.17%, respectively. Case B simulates SERN operation at offdesign speed (Mach 0.4) and altitude (8 km), through NPR's 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15 and 20. Severe overexpanded flow and complex shockwave patterns are observed, such as the restricted shock separation (RSS) pattern, including separation and reattachment of the main jet to the ramp, formation of a separation bubble on the ramp, a large recirculation region on the flap, Mach disks, ? shock structures and shocktrains. From NPR = 4 to NPR = 20, the SERN's thrust, lift and moments varied to some degree, with an overall increase of 38.2%, 5.27% and 42.3% respectively.
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