Numerical simulation and analysis of supersonic combustion chambers with varied mach numbers and cavity configurations using ansys fluent

Abstract

This study focuses on the numerical simulation and analysis of supersonic combustion chambers, with varying Mach numbers and cavity configurations, using Ansys Fluent. The mathematical model used is based on resolving the Navier-Stokes (NS) equations, with turbulence modeled using the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) approach and the standard K-ε turbulence model. Additionally, a finite-rate/eddy dissipation species reaction model is used. The study investigates air-breathing SCRAMJET engines, which are well known for their high thrust-to-weight ratio. Emphasis is placed on the design of the strut fuel injector, as it is crucial for efficient supersonic combustion. Model validation is achieved by comparing simulation results with experimental data. Various scramjet combustor configurations are examined, including a typical double cavity combustor, double-strut designs with backward- facing steps, and a DLR scramjet combustion chamber. The analysis provides valuable insights into how different strut designs and cavity configurations can enhance efficiency at different Mach numbers, offering guidance for optimizing SCRAMJET engine performance in high-speed flight propulsion.

Résumé: Cette étude se concentre sur la simulation numérique et l'analyse des chambres de combustion supersoniques, avec des nombres de Mach et des configurations de cavités variés, en utilisant Ansys Fluent. Le modèle mathématique utilisé est basé sur la résolution des équations de Navier-Stokes (NS), avec la turbulence modélisée à l'aide de l'approche Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) et du modèle de turbulence standard K-ɛ. De plus, un modèle de réaction des espèces à taux fini/dissipation des tourbillons est utilisé. L'étude examine les moteurs SCRAMJET à respiration d'air, bien connus pour leur rapport poussée/poids élevé. L'accent est mis sur la conception de l'injecteur de carburant à longeron, car il est crucial pour une combustion supersonique efficace. La validation du modèle est réalisée en comparant les résultats de simulation avec les données expérimentales. Diverses configurations de combustions SCRAMJET sont examinées, y compris un combusteur à double cavité typique, des conceptions à double longeron avec des marches arrière et une chambre de combustion SCRAMJET du DLR. L'analyse fournit des informations précieuses sur la manière dont différentes conceptions de longerons et configurations de cavités peuvent améliorer l'efficacité à différents nombres de Mach, offrant des orientations pour optimiser les performances des moteurs SCRAMJET dans la propulsion de vol à haute vitesse.