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Detached-Eddy Simulation of Shock Wave/Boundary-Layer Interactions in a Planar Transonic Nozzle

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Chapter 1 Introduction This study aims at better understanding a benchmark calculation on a transonic nozzle analysed both experimentally and numerically in a wide variety of papers available in literature, dating from theseventiesuptonowadays. Thefinaltargetofallthedifferentapproacheshasbeentocharacterize the low-frequency unsteadiness of SWBLI that takes place in the duct. A solid confidence with numerical methodologies capable of capturing such unsteady phenomena in both qualitative and quantitative ways is fundamental so as to have better knowledge in predicting possibly dangerous situations, e.g. the catastrophic generation of dynamic side loads that limit considerably the design of the expansion nozzles of liquid rocket engines, and so their performances. In particular, separation flows induced by shocks and subsequent reattachment are associated to many different kinds of flows, ranging from transonic airfoils, supersonic inlet, missile base flows to, for the final purpose of the case in analysis, overexpanded nozzles. These complex interactions of boundary layers with compression or expansion waves lead to flows that exhibit a low-frequency unsteadiness which still needs a univoque explanation, but that can cause buffeting, instability, thermal loadings, aerostructure fatigue with the coupling of the pressure oscillations with structures resonant frequencies. The fundamental problem is that a true knowledge of the physics of supersonic flows with a plethora of phenomena like shock reflection at wall, shock/shock and shock/boundary-layers interaction, with a deep understanding of the source or sources of low-frequency unsteadiness is still required. A possible approach is developing improved computational capabilities, able to investigate complex configurationsincluding3Dflows,andfosteringnon-standardsignalanalysisinordertoextractmore information about the mechanism at the origin of the shock movement joined with the shedding of vortical structures. Talking about overexpanded nozzles, the experimental analysis of separated flows for full-scale rocket nozzles is difficult and expensive, given the fact that the measurements of interest are relative to just few seconds or less. However, an accurate estimate of this very short transient period is crucial for the nozzle safe life since fluctuating pressure loads, consequence of shock wave trains or interactions oscillating in time, are so severe that the operation of the engine and launch vehicle are endangered irreparably (a series of practical examples of the consequences of uncontrolled and usteady off-axis forces is available in literature). 1
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Informazioni tesi

  Autore: Giacomo Della Posta
  Tipo: Tesi di Laurea Magistrale
  Anno: 2016-17
  Università: Università degli Studi di Roma La Sapienza
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Aeronautica
  Relatore: Matteo Bernardini
  Lingua: Inglese
  Num. pagine: 179

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Parole chiave

wavelet transform
shock wave/boundary-layer interactions
overexpanded nozzle
detached-eddy simulation

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