Análisis del rango de validez entre modelos fluidodinámicos y flujos moleculares
Se utilizan dos métodos computacionales completamente distintos para resolver el flujo en una tobera de expansión axial simétrica. Los métodos utilizados son Dinámica Computacional de Fluidos (Computational Fluid Dynamics CFD) y Simulación Directa de Monte Carlo (Direct Simulation Monte Carlo DSMC)...
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| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2021
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1028/1/1Martinez_Perez.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | Se utilizan dos métodos computacionales completamente distintos para resolver el flujo en una tobera de expansión axial simétrica. Los métodos utilizados son Dinámica Computacional de Fluidos (Computational Fluid Dynamics CFD) y Simulación Directa de Monte Carlo (Direct Simulation Monte Carlo DSMC). Cada uno posee sus respectivas hipótesis y utiliza metodologías completamente diferentes.
Mientras CFD está basado en la resolución de las ecuaciones diferenciales de Navier-Stokes, DSMC se basa en la simulación directa del comportamiento de las partículas que componen el flujo. Debido a que ambos metidos son distintos, se analiza la manera de imponer condiciones de borde equivalentes, a la vez que se discute sobre las hipótesis que garantizan la validez de ambos métodos. Además se discute sobre diversas formas de reducir los tiempos de cálculo para simulaciones realizadas con DSMC, y la influencia que posee la malla en dichos tiempos.
En este trabajo se diseñó una tobera de expansión supersónica que permitiera comparar los resultados obtenidos mediante los dos métodos propuestos, se estudió el flujo de un gas simple (nitrógeno) en expansión desde una cámara a alta presión (252 kPa), realizando un análisis de las condiciones de validez y los errores involucrados en los cálculos. En el diseño de la tobera y el planteo del problema se halló la forma de colocar condiciones de borde equivalentes en ambos métodos, lo que permitió realizar comparaciones confiables entre sus resultados. De dichas comparaciones se pudo obtener resultados que permiten vericar la validez del método CFD en todas las zonas de flujo analizadas, en particular en la zona de la garganta de la tobera donde los cambios ocurren rápidamente. Los resultados obtenidos muestran que ambos métodos describen de manera similar el problema, tanto de manera cualitativa como cuantitativa, con algunas diferencias que exceden el error estadístico del método DSMC. Por ultimo, se implementó un método de resolución combinado, donde la parte de alta presión y bajas velocidades se resuelve mediante CFD y la zona de la garganta de la tobera y expansión libre se resuelven utilizando DSMC. Utilizando esta metodología se obtuvieron resultados similares pero con un costo computacional un orden menor al requerido para resolver el problema completo con DSMC. |
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