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Publication
3D Simulation of a Detonation Wave in a Rotating Detonation Engine
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
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| 21.74 MB | Adobe PDF |
Authors
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Abstract(s)
The development of efficient propulsion systems is a critical focus in aerospace engineering, and rotating detonation engines (RDEs) present a promising advancement over conventional propulsion technologies because of their compact configurations and high thermal cycle efficiency. In this dissertation, the results of a three-dimensional simulation of a rotation detonation engine using a mixture of hydrogen and air as fuel are presented and discussed. Results from a simulation using a mixture of hydrogen and oxygen are also presented. The simulations were carried out using ANSYS Fluent and all other details of the methodology used are explained in this work. Key aspects of the simulation include the formulation of turbulence and detonation, the engine operating conditions, and the subsequent impact of these operating conditions on the engine performance itself, namely, the initiation and stabilization of the detonation wave. The computational analysis reveals critical insights into the pressure and temperature fields, flame speed, thrust and specific impulse. Stable engine operation was achieved and the detonation wave made four revolutions around the combustion chamber. It was found that when using a mixture of hydrogen and oxygen, detonation did not prevail and deflagration occurred inside the annular combustion chamber. When using a mixture of hydrogen and air, detonation occurred and the engine went into stable operation. The simulation ran for 10220 time steps giving a fluid simulation time of 1022 microseconds. This research contributes to optimizing engine designs with enhanced performance and future research on this matter. The findings have potential implications for the future development of high-efficiency, low-emission propulsion systems, paving the way for advancements, mostly, in the aerospace sector.
O desenvolvimento de sistemas de propulsão eficientes é um aspeto crítico na engenharia aeroespacial, e os motores de detonação rotativa (RDEs) apresentam um avanço promissor em relação às tecnologias de propulsão convencionais devido às suas configurações compactas e alta eficiência térmica. Nesta dissertação, são apresentados e discutidos os resultados de uma simulação tridimensional de um motor de detonação rotativa utilizando como combustível uma mistura de hidrogénio e ar. Resultados de uma simulação utilizando uma mistura de hidrogénio e oxigénio são também apresentados. As simulações foram feitas utilizando o ANSYS Fluent e todos os outros detalhes da metodologia utilizada são explicados neste trabalho. Os principais aspetos da simulação incluem a formulação da turbulência e da detonação, as condições de operação do motor, e o posterior impacto destas condições operacionais no próprio desempenho do motor, nomeadamente, na iniciação e estabilização da onda de detonação. A análise computacional revela aspetos críticos sobre os campos de pressão, temperatura, velocidade de chama, tração e impulso específico. Obteve-se uma operação de motor estável com quatro voltas da onda de detonação à câmara de combustão. Verificou-se que aquando da utilização de uma mistura de hidrogénio e oxigénio, a detonação não prevaleceu e deflagração ocorreu dentro da câmara. Aquando da utilização de uma mistura de hidrogénio e ar, a detonação ocorreu e o motor entrou em operação estável. A simulação correu por 10220 time steps perfazendo um tempo de simulação de fluido de 1022 microsegundos. Este trabalho contribui para a otimização de projetos de motores com melhor desempenho e para futuras pesquisas sobre este tema. Os resultados obtidos têm implicações potenciais para o desenvolvimento futuro de sistemas de propulsão de alta eficiência e baixas emissões, abrindo caminho para avanços, principalmente, no setor aeroespacial.
O desenvolvimento de sistemas de propulsão eficientes é um aspeto crítico na engenharia aeroespacial, e os motores de detonação rotativa (RDEs) apresentam um avanço promissor em relação às tecnologias de propulsão convencionais devido às suas configurações compactas e alta eficiência térmica. Nesta dissertação, são apresentados e discutidos os resultados de uma simulação tridimensional de um motor de detonação rotativa utilizando como combustível uma mistura de hidrogénio e ar. Resultados de uma simulação utilizando uma mistura de hidrogénio e oxigénio são também apresentados. As simulações foram feitas utilizando o ANSYS Fluent e todos os outros detalhes da metodologia utilizada são explicados neste trabalho. Os principais aspetos da simulação incluem a formulação da turbulência e da detonação, as condições de operação do motor, e o posterior impacto destas condições operacionais no próprio desempenho do motor, nomeadamente, na iniciação e estabilização da onda de detonação. A análise computacional revela aspetos críticos sobre os campos de pressão, temperatura, velocidade de chama, tração e impulso específico. Obteve-se uma operação de motor estável com quatro voltas da onda de detonação à câmara de combustão. Verificou-se que aquando da utilização de uma mistura de hidrogénio e oxigénio, a detonação não prevaleceu e deflagração ocorreu dentro da câmara. Aquando da utilização de uma mistura de hidrogénio e ar, a detonação ocorreu e o motor entrou em operação estável. A simulação correu por 10220 time steps perfazendo um tempo de simulação de fluido de 1022 microsegundos. Este trabalho contribui para a otimização de projetos de motores com melhor desempenho e para futuras pesquisas sobre este tema. Os resultados obtidos têm implicações potenciais para o desenvolvimento futuro de sistemas de propulsão de alta eficiência e baixas emissões, abrindo caminho para avanços, principalmente, no setor aeroespacial.
Description
Keywords
Ansys Fluent Cfd Combustão Detonação Motor de Detonação Rotativa Ondas de Choque Simulação