Comparison of Turbulence Models in OpenFOAM for 3D Simulation of Gas Flow in Solid Propellant Rocket Engine

Comparación de modelos de turbulencia en OpenFOAM para la simulación 3D del flujo de gas en un motor de cohete de propulsor sólido

El objetivo de este trabajo es comparar varios modelos matemáticos que simulan el flujo turbulento en un motor de cohete propulsor sólido. A modo de comparación, se eligieron los modelos más utilizados para simulaciones de flujo en el motor de cohete S5. Para este tipo de motor, hay datos experimentales disponibles que permiten la comparación de las simulaciones con la realidad. El modelo LES Smagorinsky proporcionó los mejores resultados, mientras que los modelos tipo RANS parecían ser menos adecuados para esta tarea.

1. Introducción

Durante el desarrollo de un nuevo modelo numérico para un motor de cohete de propulsor sólido describimos previamente el flujo turbulento [1]. Este trabajo, por otra parte, tiene como objetivo comparar modelos seleccionados de flujo turbulento del marco de OpenFOAM.

Para la simulación numérica de las ecuaciones de Navier-Stokes, el método de Simulación Numérica Directa (DNS) se considera el más preciso. Permite simular con precisión todo el espectro de estructuras vorticales con la resolución temporal y espacial adecuada. Sin embargo, este método es muy exigente desde el punto de vista computacional, las celdas más pequeñas de la malla computacional deben corresponder al orden del tamaño de los remolinos más pequeños y su número aumenta extremadamente con el valor del número de Reynolds. Para propósitos de investigación, este método es el más preciso. Sin embargo, para muchas aplicaciones de ingeniería un modelo de turbulencia adecuado es suficiente. En cuanto a los modelos de turbulencia, hay muchas opciones para elegir el más adecuado, y es necesario entender sus características, ventajas y limitaciones.

2. Modelos de turbulencia disponibles

Para averiguar qué modelo de turbulencia en OpenFOAM 2.3 puede utilizarse, realizamos la "prueba del plátano" como se describe en [2]. Para los modelos de Simulación de Grandes Eddy (LES) obtenemos una lista:

DeardorffDiffStress
LRRDiffStress
Smagorinsky
SpalartAllmaras
SpalarAllmarasDDES
SpalartAllmarasIDDES
dynLagrangian
dynOneEqEddy
homogenousDynOneEqEddy
homogenousDynSmagorinsky
kOmegaSSTSAS
laminar
mixtoSmagorinsky
oneEqEddy
spectEddyVisc