Estudio del comportamiento fluido-dinámico en una tobera convergente-divergente mediante la optimización de forma utilizando algoritmos de estrategias evolutivas

Abstract

El rendimiento y el empuje de un sistema de propulsión para cohetes se basa principalmente en el aprovechamiento de la entalpía (energía térmica y presión) de los propelentes (combustible) que se encuentran en la cámara de combustión. Esta energía acumulada es transformada en energía cinética por la expansión y aceleración de los gases producidos por la reacción química de combustión, usando un dispositivo denominado tobera. En este proyecto se hace el trazado aerodinámico del perfil geométrico de la pared de una tobera C-D (Convergente-Divergente), a partir de las condiciones técnicas de funcionamiento de un motor para cohetes con clasificación de tipo J-2. El contorno de la pared es trazado usando diferentes métodos de diseño realizados por investigadores como: Vitoshinsky, Bell, Metha, Sivells & Rao. Para cada sección de la tobera (convergente –divergente) se va a analizar el comportamiento de las propiedades fluido-termodinámicas del campo de flujo a lo largo de la trayectoria de la tobera aeroespacial. Esto es necesario porque en cada contorno de pared sugerido por los modelos previamente mencionados, el ángulo de inclinación de la curvatura es distinto (la concavidad o forma de la curva cambia) y, por lo tanto, las magnitudes físicas de las propiedades varían dependiendo del contorno. Para determinar cuál diseño cumple con el concepto de que los procesos que ocurren dentro de una tobera son isentrópicos e reversibles; se hace un análisis estadístico de dispersión de datos para saber el diseño con menor perdidas de energías en base a la fricción y a la entropía. A este diseño se le aplica un estudio de optimización usando estrategias evolutivas, siendo más específicos: el método con algoritmos genéticos. Al final se desarrolla una simulación del fluido con la tobera aeroespacial diseñada utilizando el programa Ansys, para que a través de técnicas CFD (Computational Fluids Dynamics) se puedan obtener modelos computacionales que permitan corroborar los resultados con otro proyecto de investigación previo.