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

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1.2. Towards Rocket Nozzles Figure 1.3: Typical static wall pressure for a 2D basic configuration of SWBLI. [67] enough recirculation bubble, the downstream mechanism dominates. For these situations, a global instability forces the bubble to pulsate, leading the reattachment point to flap. This flapping causes the synchronous movement of all the shock wave system, including the separation line and obviously the separation shock itself. In particular, as exploited by [101], the shock-induced separated flow can be seen as a low-order forced dynamical system in which the forcing source role is played by the upstream boundary layer fluctuation and the downstream separated region fluctuations, with the first having a reduced impact on the system with increasing size of the separated flow. 1.2 Towards Rocket Nozzles The SWBLI is at the center of one of the basic fluid-dynamics phenomena in supersonic expansion nozzles of rocket engines and its control or not is at the root of one of the possible limitations of overall performances. At certain ratio of chamber to ambient pressure, Nozzle Pressure Ratio (NPR), the jump imposed brings the formation of a shock system, sometimes very complex, and hence shock/turbulent boundary-layer interaction inside the nozzle: a combination of gas-dynamic phenomena takes place and mixes together and they include incident shocks, Mach reflections, reflected shock, triple point, but also viscous phenomena such as induced separation, recirculating bubbles and also shear layers. In modern advanced launchers, the first stage of the rocket is responsible for providing thrust through an altitude range that extends from an ambient pressure of 1 bar, at sea-level, to near vacuum. During the transient phase of the beginning of the flight, the nozzle is so obliged to work in overexpanded flow conditions, i.e. with an ambient pressure higher than the theoretical wall exit pressure required for adapted attached flow. When the jump is strong enough, the viscous layer separates owing to the fact that it is not able to sustain the adverse pressure gradient imposed by the inviscid outer layer. The SWBLI that has origin in the nozzle shows strong unsteadiness and moreover can cause asymmetrical flow separation that is highly undesirable, since lateral forces can be generated, the so-called "side-loads", which may damage the nozzle. For example, in the J-2S prototype engine, the successor of the J-2 Saturn V engine, a major failure was experienced when the engine was torn violently from its gimbal structure. Likewise, fatigue cracks and rupturing of the nozzle fuel coolant feed line surrounding the nozzle outer wall [75] have been identified on the Space Shuttle Main Engine (SSME) as a result of extreme side loads. Issues concerning excessive side loads have also been reported in Europe on the Vulcain engines [37] and in Japan on the LE-7A engine [104]. Giacomo Della Posta 4
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Detached-Eddy Simulation of Shock Wave/Boundary-Layer Interactions in a Planar Transonic Nozzle

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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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