Diseño de una tobera Convergente-Divergente para motores cohetes experimentales de propelente sólido de alta potencia, rango M, nivel 3, usando una metodología de Dinámica de Fluidos Computacional

León Cardona, Daniel Felipe

Diseño de una tobera Convergente-Divergente para motores cohetes experimentales de propelente sólido de alta potencia, rango M, nivel 3, usando una metodología de Dinámica de Fluidos Computacional

dc.contributor.advisor	Rodríguez Ferreira, Julián Gustavo
dc.contributor.advisor	Rosso Cerón, Ana María
dc.contributor.advisor	Martínez, Manuel del Jesús
dc.contributor.author	León Cardona, Daniel Felipe
dc.contributor.evaluator	Rueda Ordóñez, Yesid Javier
dc.contributor.evaluator	Forero González, Carlos Adolfo
dc.date.accessioned	2025-06-27T16:24:14Z
dc.date.available	2025-06-27T16:24:14Z
dc.date.created	2025-06-21
dc.date.embargoEnd	2030-06-21
dc.date.issued	2025-06-21
dc.description.abstract	En este trabajo se presenta el diseño y la validación de una tobera convergente-divergente (CD) mediante Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), utilizando un perfil tipo parabólico dimensionado con los métodos de Witoszynski y Rao. La geometría obtenida mostró un incremento del 2,5% en la eficiencia propulsiva respecto a una tobera cónica y permitió una reducción del 20% en la longitud de la zona divergente. Esta disminución se traduce en una menor masa estructural, lo que puede representar un aumento en la carga útil o en el alcance del sistema, pese a los retos que implica su fabricación. El modelo de turbulencia SST k-ω fue seleccionado tras reproducir numéricamente datos disponibles en la literatura, al mostrar un mejor ajuste para representar el comportamiento del flujo en condiciones de transición de régimen, ondas de choque y variaciones de presión y densidad dentro de la tobera. Al comparar los resultados obtenidos con los datos experimentales, se identificó una anticipación en la predicción de las estructuras de choque en condiciones de sobreexpansión, lo cual pone en evidencia limitaciones asociadas al uso del modelo RANS. El diseño fue concebido para su implementación en un motor cohete experimental de propelente sólido de alta potencia, clasificado en el rango M, nivel 3, con un empuje de hasta 2500 [N]. La validación numérica se realizó mediante simulaciones en ANSYS Fluent, utilizando una malla estructurada y condiciones de contorno representativas del caso de estudio.
dc.description.abstractenglish	This work presents the design and validation of a Convergent-Divergent (CD) nozzle using Computational Fluid Dynamics (CFD), based on a bell-shaped profile dimensioned with the Witoszynski and Rao methods. The resulting geometry showed a 2,5% increase in propulsive efficiency compared to a conical nozzle and enabled an 20% reduction in the length of the divergent section. This reduction translates into a lower structural mass, which may represent an increase in payload capacity or operational range, despite the manufacturing challenges involved. The SST k-ω turbulence model was selected after numerically reproducing data available in the literature, as it showed a better fit to represent flow behavior under regime transitions, shock waves, and variations in pressure and density inside the nozzle. When comparing the results with experimental data, an anticipation in the prediction of shock structure locations was observed under overexpanded flow conditions, revealing limitations associated with the use of RANS models. The nozzle was conceived for implementation in a High-Power M Range Level 3 experimental solid rocket motor, with a thrust of up to 2500 [N], and was simulated using its corresponding experimental parameters. The simulations were conducted in ANSYS Fluent, using a structured mesh and boundary conditions representative of the intended operating conditions.
dc.description.cvlac	scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001552100
dc.description.degreelevel	Maestría
dc.description.degreename	Magíster en Ingeniería Mecánica
dc.description.googlescholar	https://scholar.google.com/citations?user=fZIEPdwAAAAJ&hl=es
dc.description.orcid	https://orcid.org/0000-0001-6630-0522
dc.format.mimetype	application/pdf
dc.identifier.instname	Universidad Industrial de Santander
dc.identifier.reponame	Universidad Industrial de Santander
dc.identifier.repourl	https://noesis.uis.edu.co
dc.identifier.uri	https://noesis.uis.edu.co/handle/20.500.14071/45800
dc.language.iso	eng
dc.publisher	Universidad Industrial de Santander
dc.publisher.faculty	Facultad de Ingeníerias Fisicomecánicas
dc.publisher.program	Maestría en Ingeniería Mecánica
dc.publisher.school	Escuela de Ingeniería Mecánica
dc.rights	info:eu-repo/semantics/embargoedAccess
dc.rights.accessrights	info:eu-repo/semantics/openAccess
dc.rights.coar	http://purl.org/coar/access_right/c_f1cf
dc.rights.creativecommons	Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
dc.rights.license	Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombia (CC BY-NC-ND 2.5 CO)
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject	Mecánica de fluidos
dc.subject	Convergente-Divergente
dc.subject	Tobera cónica
dc.subject	Tobera parabólica
dc.subject	CFD
dc.subject	RANS
dc.subject	ANSYS-Fluent
dc.subject.keyword	Fluid mechanics
dc.subject.keyword	Convergent-Divergent
dc.subject.keyword	Conical nozzle
dc.subject.keyword	Parabolic nozzle
dc.subject.keyword	CFD
dc.subject.keyword	RANS
dc.subject.keyword	ANSYS-Fluent
dc.title	Diseño de una tobera Convergente-Divergente para motores cohetes experimentales de propelente sólido de alta potencia, rango M, nivel 3, usando una metodología de Dinámica de Fluidos Computacional
dc.title.english	Design of a Converging-Diverging nozzle for High-Power M Range Level 3 experimental solid rocket motors by Computational Fluid Dynamics method
dc.type.coar	http://purl.org/coar/resource_type/c_bdcc
dc.type.hasversion	http://purl.org/coar/version/c_b1a7d7d4d402bcce
dc.type.local	Tesis/Trabajo de grado - Monografía - Maestría