Estudio numérico de la separación de flujo en toberas convergentes-divergentes bidimensionales axisimétricas diseñadas mediante el Método de las Características, con y sin corrección por capa límite

Abstract

Este trabajo presenta un análisis numérico de la separación de flujo en toberas convergente-divergente (CD) bidimensionales y axisimétricas diseñadas mediante el Método de las Características (MoC). A diferencia de enfoques inviscidos empleados en el diseño de toberas supersónicas, se incorpora una corrección asociada al desarrollo de la capa límite para considerar la reducción efectiva del área de flujo y su influencia en la distribución de presión y el número de Mach. Se construyeron dos geometrías comparables: una obtenida mediante el MoC bajo la hipótesis de flujo inviscido y otra con una corrección geométrica basada en la estimación del crecimiento de la capa límite mediante el método integral de Thwaites. Ambas configuraciones se analizaron mediante simulaciones CFD estacionarias y compresibles en Ansys Fluent, empleando un modelo axisimétrico bidimensional, malla estructurada con refinamiento en pared y el modelo de turbulencia SST k–ω. Se mantuvieron idénticas condiciones de contorno y criterios de convergencia para asegurar una comparación consistente. Los resultados se evaluaron mediante los campos de presión, la distribución del número de Mach y la estructura de ondas de choque, permitiendo estimar la región de desprendimiento de la capa límite bajo condiciones de sobreexpansión. La inclusión de la corrección por capa límite modifica la predicción de la posición y extensión de la separación, así como la distribución de presión en la pared, evidenciando la importancia de considerar efectos viscosos desde etapas tempranas del diseño de toberas supersónicas.