Comparación teórico-experimental de flujos en toberas en régimen supersónico / Theoretical-experimental comparison of flows in nozzles in supersonic regime

Mardones, Claudio J. (2023) Comparación teórico-experimental de flujos en toberas en régimen supersónico / Theoretical-experimental comparison of flows in nozzles in supersonic regime. Integration Project in Mechanical Engineering, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.

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Abstract in Spanish

En este trabajo se analizaron distintos aspectos tanto fluidodinámicos como difusivos de flujos de mezclas binarias de gases en expansión libre supersónica. Se realizaron simulaciones con condiciones similares a mediciones hechas en el laboratorio del proyecto LASIE, con el objetivo de analizar los procesos físicos que ocurren en el interior de una unidad separativa. Se encontró que para ciertas condiciones de presión, en regiones del dominio simulado no se cumple la hipótesis del continuo, y por ende, no se pueden representar los fenómenos físicos por medio de las ecuaciones de Navier-Stokes, ni por el modelo de gas ideal. El análisis computacional en régimen del continuo es la herramienta principal con la que se cuenta hasta el momento en el proyecto para poder comprender el comportamiento de los parámetros, tanto en los procesos fluidodinámicos como de difusión. Debido a esto, se diseñaron las condiciones de futuros experimentos con presiones de alta que puedan ser reproducidas en el laboratorio de acuerdo a sus capacidades, de modo que se cumpla esta hipótesis. Se obtuvieron las presiones de baja mínimas para diferentes diámetros de garganta con los que se dispone en el laboratorio, y se verificó que en las simulaciones se obtenga un valor de número de Knudsen menor a 0, 3 en todo el dominio. Por otra parte, se realizó un análisis de la influencia de la termoforesis para un gas de Ne"229, 25 %-Ne"20 y otra mezcla de especies SF_65 %-He, implementando un modelo detallado para el factor termofónico. Se obtuvo que el aporte de la termoforesis a la difusión global para dichas mezclas no es relevante para las presiones utilizadas. Luego, se estudió la variación en la concentración media a la salida de una cámara con divisor de caudal en función de la posición axial, para dos posiciones radiales de la punta del mismo, en una mezcla de CO_2 2, 5 %-He. Para el menor valor de radio, se obtuvo enriquecimiento en las posiciones más cercanas a la boquilla, mientras que en las demás posiciones no se logra apreciar. Para el mayor de los radios, se obtuvo enriquecimiento, el cual varía en función de la posición axial, dado que se realizan cortes en distintas zonas difusivas a través de la onda de choque oblicua, debido a la curvatura de la misma. Por ultimo, se realizó un análisis de los perfiles de concentración en una tobera sin divisor de caudales. Se concluye que esta geometría resulta una herramienta adecuada para un análisis previo cualitativo de las posiciones ´optimas de un skimmer, con el objetivo de enriquecer la especie pesada en la cámara externa.

Abstract in English

In this work, various fluid dynamic and diffusive aspects of supersonic free expansion binary gas mixtures were analyzed. Simulations were conducted under conditions similar to measurements taken in the LASIE project laboratory, aiming to analyze the physical processes occurring within a separation unit. It was found that for certain pressure conditions, the continuum hypothesis is not fulfilled in certain regions of the simulated domain. As a result, the physical phenomena cannot be represented using the Navier-Stokes equations nor the ideal gas model. Since computational analysis in the continuum regime is currently the only tool available in the project to understand the behavior of both fluid dynamic and diffusion parameters, future experimental conditions were designed with high pressures that can be reproduced in the laboratory according to its capabilities, ensuring the fulfillment of this hypothesis. Minimum low pressures were obtained for different throat diameters available in the laboratory, and it was verified that simulations yield a Knudsen number value less than 0.3 throughout the domain. Furthermore, an analysis of the thermophoresis influence was performed for a gas mixture of Ne"22 9.25%-Ne"20 and another mixture of SF_6 5%-He, implementing a detailed model for the thermophoretic factor. It was found that the contribution of thermophoresis to overall diffusion in these mixtures is not relevant for the pressures used. Next, the variation in average concentration at the outlet of a flow divider chamber was studied as a function of axial position, considering two radial positions of the tip. This analysis was conducted using a CO_2% 2.5%-He mixture. For the smaller radius, enrichment was observed in positions closer to the nozzle, while no enrichment (unless within the numerical uncertainty) was observed in other positions. For the larger radius, enrichment was observed, varying with the axial position of the skimmer. This is because the skimmer cuts are made in different zones through the oblique shock wave. Finally, concentration profiles were analyzed in a nozzle without a flow divider. It is concluded that this geometry is a suitable tool for a qualitative preliminary analysis of optimal skimmer positions, aiming to enrich the heavy species in the external chamber.

Item Type:Thesis (Integration Project in Mechanical Engineering)
Keywords:Fluid mechanics; Mecánica de fluidos; Compressible flow; Flujo compresible; Mass transfer; Transferencia de masa; Nozzles; Toberas; Isotopes; Isotopos
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Subjects:Mechanical engineering > Difusión de especies
Divisions:Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. LASIE
ID Code:1205
Deposited By:Tamara Cárcamo
Deposited On:16 Aug 2023 11:00
Last Modified:16 Aug 2023 11:00

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