Numerical study of the impact of nozzle shape on underexpanded jet - wall interaction

Un’indagine numerica relativa a flussi turbolenti assial-simmetrici sottoespansi rilasciato da un ugello convergente-divergente è stata eseguita mediante equazioni di Navier-Stokes mediate (RANS) ed è contenuta in questo documento. I calcoli numerici sono stati es- eguiti utilizzando il risolutore assial-simmetrico integrato nel software CFD open-source SU2 e riguardano l’espansione esterna del flusso in caso di rilascio in ambiente quiescente e in caso di impatto a velocità supersonica su una piastra piana. In questo modo, questo lavoro si propone di indagare se le strutture del getto sottoespanso e del getto impattante su una superficie piana sono sensibili alla forma dell’ugello utilizzato per accelerare il flu- ido e, in caso affermativo, in quale misura. Ciò è stato realizzato considerando tre diversi ugelli: uno sagomato e due ugelli conici di diverse lunghezze. Per coprire una più ampia gamma di configurazioni, sono stati variati anche il rapporto pressione ugello (NPR) e la distanza ugello-superficie piana. Dall’indagine del campo di flusso, è stato ottentuto che l’intensità degli urti contenuti sia nella regione centrale che in quella di impatto del getto sono influenzati dalla geometria dell’ugello, mentre l’evoluzione del getto radiale sulla su- perficie piana consequenza dall’impatto del flusso risulta invece essere meno influenzato dalla geometria. La validazione e la verifica del codice è stata preventivamente realizzata replicando prove sperimentali reali e confrontando i risultati ottenuti con altre simulazioni numeriche presenti in letteratura.

A numerical investigation concerning axisymmetric underexpanded turbulent flow issuing from a convergent-divergent nozzle is carried out by means of Reynolds averaged Navier- Stokes (RANS) equations and is contained in this work. The numerical computations are performed making use of the in-built axisymmetric solver of the open-source CFD software SU2 and regard the outflow expansion in case of jet release in a quiescent envi- ronment and in case of jet impingement on a flat plate. By doing so, this work proposes to investigate if the free-flow and impinging flow structures are sensitive to the shape of the nozzle used to accelerate the fluid, and if yes, to which extent. This is accomplished by considering three different nozzles: one contoured and two conical nozzles with different lengths. To cover a wider range of configuration, the nozzle-pressure-ratio (NPR) and the nozzle-to-plate distance are also varied. From the investigation of the flow field, it is found that the intensity of the shocks contained in both the core region and the imping- ing region of the jet are affected by the nozzle geometry, while the evolution of the radial wall-jet generated by the jet impingement is instead found to have rather small sensitivity. Validation and verification of the code is also performed in advance by replicating real experimental tests and comparing the obtained results with other numerical simulations found in literature.