Reka bentuk muncung roket yang cekap amat berkait rapat dengan keadaan aliran dalam.
Walaupun pengembangan optimum adalah keadaan yang paling diinginkan, keadaan luar
reka bentuk (kurang pengembangan dan pengembangan lebih) kerap berlaku semasa
penerbangan. Walaupun pampasan altitud wujud sebagai kaedah praktikal untuk
mengoptimumkan keluaran tujah, pembentukan timbulan pada dinding dalaman yang
disebabkan oleh ablasi akan mengakibatkan pelbagai kehilangan aliran dalam aliran
supersonik dan secara keseluruhannya menyebabkan pengurangan tujah. Dengan
melihatkan struktur timbulan tersebut sebagai suatu elemen kekasaran permukaan, kajian
berangka telah dilakukan dengan menggunakan model yang dipermudahkan dalam
bentuk kekasaran permukaan dua dimensi yang bertingkat dan berongga pada model plat.
Simulasi Pengkomputaran Dinamik Bendalir telah dilakukan dengan menggunakan
muncung Mach 3 dalam keadaan pengembangan lebih sebagai aliran mendatang pada
kes-kes sejumlah 14 model. Dengan ketinggian kekasaran berskala kecil (0.5 mm),
pengaruh nisbah panjang-ke-kedalaman rongga (!"/ℎ, antara 6.3 hingga 34.5) pada
medan aliran supersonik telah disiasat. Didapati bahawa jenis rongga tertutup (!"/ℎ ≥
19.8) menyumbangkan kesan tertinggi terhadap daya seret teraruh (%& = 4.4×10−3 pada
!"/ℎ = 19.8) seiring dengan kejutan pemisahan yang dilihati bersama tautan kejutan
yang kuat. Jenis rongga peralihan (11.8 ≤ !"/ℎ ≤ 17.4) berlaku dengan pengurangannya
pemisahan aliran bersama aliran sangkut yang mula dilihati pada rongga (%& antara
3×10−3 dan 4×10−3). Akhir sekali, jenis rongga terbuka (!"/ℎ ≤ 8.4) wujud dengan
pembentukan lapisan ricih pada rongga (%& di bawah 3×10−3 dan lebih daripada %& plat
rata, 2.6×10−3). Secara umum, pengurangan kepanjangan rongga adalah sepadan dengan
peralihan jenis aliran tersebut daripada rongga tertutup kepada rongga terbuka. Sebagai
akibat kecerunan tekanan mudarat yang disebabkan oleh sistem kejutan, kehilangan
seretan dalam bentuk seretan gelombang akhirnya tercermin sebagai kesan pada seretan
tekanan.
_______________________________________________________________________________________________________
Efficient rocket nozzle design relates strongly on the internal flow conditions. Although
optimum expansion is most favourable, off-design conditions (under expansion and
overexpansion) regularly occur during flight. While altitude compensating nozzles
appear as the practical solution to optimise the thrust output, relief surfaces that form at
the inner walls due to ablation may result in various flow losses under supersonic flow
conditions leading to an overall loss in thrust. By viewing the relief structures as surface
roughness elements, a numerical study is conducted with a simplified model of surface
roughness in the form of two-dimensional steps and cavities on plate model.
Computational Fluid Dynamics simulations are established by employing a freestream
Mach 3 nozzle at over-expanded conditions with a total of 14 model cases. With small
scale roughness height (0.5 mm), the effect of cavity length-to-depth ratio (!"/ℎ, ranging
from 6.3 to 34.5) on the supersonic flow field is investigated. It is found that closed cavity
type (!"/ℎ ≥ 19.8) accounts the highest effect on induced drag (%& = 4.4×10−3 at !"/ℎ =
19.8) as separation shock is observed with strong shock coalescence. Transitional cavity
type (11.8 ≤ !"/ℎ ≤ 17.4) happened with lesser flow separation as the flow starts to attach
over the cavities (%& between 3×10−3 and 4×10−3). Lastly, open cavity type (!"/ℎ ≤ 8.4)
is present with a shear layer that forms just above the cavity (%& below 3×10−3 and above
flat plate %& = 2.6×10−3). In general, the decrease in cavity length corresponded to the
transition of closed cavity into open cavity type flow. As a result of adverse pressure
gradients induced by the shock systems, drag losses in the form of wave drag are as
reflected in the results of pressure drag.
Investigation and modelling of supersonic turbulent flow over steps and cavities / Ch’ng Kia Chuan