Étude numérique de l'écoulement compressible autour du cône avant avec Multi

Aug 03, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 787 (2023) Citer cet article

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En raison de l'échauffement aérodynamique important, la protection de l'avant-corps du scramjet est cruciale pour le vol hypersonique. Dans le cadre de nos travaux actuels, un nouveau système de refroidissement est proposé et étudié pour la protection du cône avant en vol hypersonique. La dynamique des fluides computationnelle est utilisée pour la simulation du jet de liquide de refroidissement latéral et axial libéré par la pointe dans des conditions à grande vitesse. L'objectif principal est de trouver un emplacement optimal du jet pour un refroidissement efficace du nez et de l'ensemble pointe. L'influence de deux jets de liquide de refroidissement (dioxyde de carbone et hélium) sur le mécanisme du système de refroidissement est entièrement étudiée. Pour la simulation, les équations RANS sont couplées à l'équation de transport d'espèces et au modèle de turbulence SST. Deux configurations différentes de jets (positions axiales des disques) sont étudiées pour obtenir des conditions efficaces de protection du cône avant en vol hypersonique. Nos résultats indiquent que la présence de la pointe sur le cône avant diminue la pression jusqu'à 33 % sur le corps principal et déplace la pression maximale vers des angles plus élevés en raison de la déviation du flux d'air. La pression maximale chute d'environ 50 % par injection du jet du disque de liquide de refroidissement (C2) à un angle de 55 degrés.

Le système de refroidissement pour le contrôle thermique du chauffage aérodynamique est la problématique principale pour la conception de l'avant-corps des véhicules à grande vitesse et des navettes. Des efforts considérables ont été déployés pour trouver une solution efficace à ce problème et certaines techniques pratiques et théoriques ont été proposées et étudiées à cet égard1,2. La caractéristique complexe du flux hypersonique à proximité du cône avant constitue un défi important pour l’évaluation de l’efficacité thermique de ces techniques proposées3,4. Par ailleurs, la production du choc avec dissociation de l’air intensifie également la complexité de la physique de l’écoulement au voisinage du cône avant5.

Puisque le concept principal de l’avant-corps est de réduire la traînée, une nouvelle méthodologie devrait en tenir compte pour la gestion thermique du chauffage aérodynamique. En fait, la réduction de la chaleur et de la traînée devrait être équilibrée pour le modèle efficace6,7. Le dispositif mécanique de pointe est le modèle pratique le plus classique pour la réduction thermique du cône avant à écoulement hypersonique. Dans cette technique, la séparation du flux se produit à la pointe du pic et une région à haute température est produite à proximité du pic8,9. Étant donné que la pointe réduit la force de traînée et l'échauffement sur le cône avant, elle est populaire et pratique dans les applications réelles. La formation de choc et la valeur du transfert de chaleur sont proportionnelles à la forme et à la longueur de la pointe10. La force et l’interaction du choc de l’arc produit devant la pointe sont importantes pour la charge thermique sur le corps principal. Des travaux antérieurs ont étudié de manière approfondie diverses caractéristiques de la pointe mécanique pour obtenir une géométrie optimale de cette technique11,12,13.

L'application du disque multi-rangées sur la pointe améliore également les performances thermiques de la pointe14,15. Dans cette méthode, le flux de recirculation est produit dans les interstices, ce qui améliore le transfert de chaleur au voisinage du pic. De plus, la déflexion de l'amortisseur de choc est gérée via la taille du disque, ce qui pourrait éviter la déflexion de l'amortisseur d'étrave sur le corps principal16,17.

L’injection du liquide de refroidissement depuis le cône avant est également connue comme deuxième technique de protection thermique de l’avant-corps des véhicules hypersoniques18,19. Dans ce concept, un jet transitoire est libéré, ce qui pousse l'amortisseur d'étrave vers l'amont. En outre, la basse température du liquide de refroidissement réduit la température des gaz à proximité du cône et, par conséquent, le transfert de chaleur vers le corps principal diminue20,21. En outre, la conductivité thermique (Cp) du flux est modifiée par l'injection de gaz secondaire, ce qui est également efficace pour la protection du cône avant. Bien que cette approche ne soit pas encore pratique, elle offre des données significatives sur le mécanisme de production de chaleur via le processus de chauffage aérodynamique22,23,24.