ABSTRACT A numerical study on the buildup and propagation of planar detonation waves in H2 + Air ... more ABSTRACT A numerical study on the buildup and propagation of planar detonation waves in H2 + Air combustible mixtures, based on the use of unsteady Euler equations coupled with source terms to account for rates controlled chemical activity, is presented. The computer solver works with 13 chemical species and 33 different one step reactions of a H2- O 2 - N2 combustion mechanism. The detonation process is initiated via the energy provided by an igniter which acts as a driver of a shock tube driving through a combustible mixture a blast (or strong shock), accompanied by exothermic chemical changes. It is shown that for each equivalence ratio of the combustible mixture, the detonation can only be triggered if the igniter energy deposition equals or exceeds a computed minimum value. When the igniter energy deposition is less than this minimum, the combustion zone start to decouple from the blast front and if that energy is diminished even more, the combustion could not take place. A particular way of generating sustained overdriven detonations, is also considered.
This article presents a study concerning the influence of chemical kinetic models on the generati... more This article presents a study concerning the influence of chemical kinetic models on the generation and evolution of methane-air planar detonations. The open source solver rhoCentralRfFoam is applied to perform all numerical simulations. Four chemical kinetic models are considered. Two of them are highly simplified (with, at most, one global chemical reaction and two simple steps), while the other two involve 19 and 53 species, with 57 and 325 chemical reactions, respectively. Insights are provided into methane-air planar detonation waves and the development conditions under which they may or may not become self-sustained. Numerical results showed that regardless of how much time the detonation remains overdriven, without the adequate support it shall always decay to a Chapman-Jouguet (CJ) steady-state value. However, the CJ state may not stand on its own and may continue to decay until the reacting zone decouples from the leading blast. This sort of detonation failure is described and discussed.
International Journal of Hydrogen Energy, Oct 1, 2017
In the present work, the solver rhoCentralRfFoam, developed using the finite volume framework pro... more In the present work, the solver rhoCentralRfFoam, developed using the finite volume framework provided by OpenFOAM ® , is employed to perform numerical simulations of two-dimensional detonations. This solver uses the central scheme of Kurganov, Noelle, and Petrova for dealing with convective terms. Also, the detailed kinetic model for hydrogen oxidation of Marinov, Westbrook, and Pitz was used for properly defining chemically induced source terms, and the semi-implicit Bulirsh St€ oer (SIBS) method was employed for solving the stiff ODE system required to compute the species' rates. The present study intends to investigate the solver's capability for computing cellular structures, which develop when non-planar detonations are propagating in confined mixtures. Interactions between waves, resulting from several ignition points, are used as perturbation sources for the onset of cellular structures. Numerical simulations allowed us to identify a well-shaped cellular structure and other different structures that are not clearly defined, close to the ignition sources. However, after extending the computational domain, convergence towards a unique cellular pattern is attained. Such cellular pattern compares with most of the available data. Also, in order to improve the presentation of cellular structures and their dynamic behavior, a numerical schlieren technique is utilized for some flow variables (e.g. vorticity and density).
The supersonic flow around conical bodies is a very important issue in aerospace engineering, wit... more The supersonic flow around conical bodies is a very important issue in aerospace engineering, with many applications in internal and external supersonic aerodynamics. Non-viscous supersonic flow about yawing cones is essentially 3-dimensional, but it shows some characteristics regarding the conical flow around circular cones with zero angle of attack. In this latter case, the complete flow structure is axisymmetric and can be described by an ordinary differential equation known as the Taylor-Maccoll equation. When the angle of attack is non-zero, the flow is still conical, i.e., the properties are constant over straight lines passing through the vertex (they are independent of the radial coordinate r , even though they depend on the polar θ and azimuthal φ coordinates. This kind of flow has the following remarkable characteristics: a) the shock wave angle depends on the meridian angle, i.e., σ = σ (φ) , b) the streamlines between the shock and the cone surface are curved in three dimensions, c) the flow between the cone and the shock wave exhibits entropic gradients perpendicular to the streamlines which makes it rotational, d) in the vertical plane, there exists a radial line on which converge streamlines with different entropy, called vorticity singularity. If the angle of attack is smaller or larger than the cone's half-angle, this vorticity singularity will be attached to the upper surface of the body or separated above it, respectively, e) as the relation between the angle of attack and the aperture angle increases, the cross flow velocity can become supersonic and embedded (or internal) shock waves may appear. Experimental measurements show that the windward flow is accurately described by the non-viscous analysis, however the leeward region is characterized by flow separation. Associated with this flow separation there come up primary and secondary vortices, and if the cross flow velocity is supersonic, two pairs of internal shock waves will appear produced by the sudden change in the flow direction in the separation zone. In this paper we analyze the abilities of the rhoCentralFoam solver of the OpenFOAM suite for the numerical simulation of these flows, using a grid which is coarse enough to be run in a desktop computer. The main objective is to describe the 3D features of the supersonic flow around yawing cones using a modern software, like OpenFOAM, without the need for a computing cluster.
International Conference on Signal Processing, Oct 17, 2012
Intermittency phenomenon is a continuous route from regular to chaotic behaviour. Intermittency i... more Intermittency phenomenon is a continuous route from regular to chaotic behaviour. Intermittency is an occurrence of a signal that alternates chaotic bursts between quasi-regular periods called laminar phases, driven by the so called reinjection probability density function (RPD). In this paper is introduced a new technique to obtain the RPD for type-II and III intermittency. The new RPD is more general than the classical one and includes the classical RPD as a particular case. The probabilities of the laminar length, the average laminar lengths and the characteristic relations are determined with and without lower bound of the reinjection in agreement with numerical simulations. Finally, it is analyzed the noise effect in intermittency. A method to obtain the noisy RPD is developed extending the procedure used in the noiseless case. The analytical results show a good agreement with numerical simulations.
This study purports to investigate whether a conductive tether left uninsulated and electrically ... more This study purports to investigate whether a conductive tether left uninsulated and electrically floating in LEO could serve as an effective e-beam source to produce artificial auroras. An electrically floating tether comes out biased highly negative over most of its length. Ambient ions impacting it with KeV energies liberate secondary electrons, which are locally accelerated through the 2D tether voltage-bias, race down magnetic lines, and result in peak auroral emissions at about 120-160 km altitude. Since no current flows at either tether end, a bare-tether e-beam is fully free of spacecraft charging problems. Beam propagation and beam-atmosphere interactions need be modelled in a simple but quantitative way so as to allow a satisfactory discussion of observational options and their feasibility. The evolution in the energy spectrum of secondary electrons, their pitch distribution, and beam broadening due to collisions with neutrals, which would result in a broader but weaker tether footprint in the E-layer, need be modelled. Relations between particle/energy flux values, and ionization and accompanying emission rates, are considered.
Resumen. Una de las principales causas de falla estructural en los tanques de almacenamiento de l... more Resumen. Una de las principales causas de falla estructural en los tanques de almacenamiento de líquidos de forma cilíndrica y baja altura se debe a la acción que el viento ejerce sobre ellos. En el diseño y optimización estructural de los mismos la información respecto de esfuerzos generados por presiones de viento es de suma importancia. Asimismo la influencia de la topografía en dichas presiones se encuentra en las normas de construcción usadas incluyendo factores para tener en cuenta la ubicación de accidentes topográficos, sin embargo las consideraciones respecto de la influencia de los diques de contención donde se ubican los tanques es dejada de lado. En este trabajo se presenta un análisis numérico por medio de dinámica computacional de fluidos (CFD), de distribuciones de presión sobre tanques de almacenamiento de líquidos que han sido obtenidos para configuraciones en las que el tanque se encuentra localizado en el interior de un dique de contención. Para dicho análisis se ha utilizado el software de código libre OpenFOAM, que implementa el método de volúmenes finitos. El solver empleado es el algoritmo SIMPLE (Semi Implicit Method for Pressure Linked Equations) acoplado a un modelo de turbulencia tipo RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes), aplicados sobre mallas no estructuradas. Los resultados muestran significativos cambios en los patrones de presión con respecto a tanques aislados bajo vientos similares. Finalmente se estudia la influencia del tamaño relativo entre el tanque y el dique de contención en la distribución de presiones.
Cilindros circulares en tándem, Scale-Adaptive Simulation (SAS), proximidad al suelo, interferenc... more Cilindros circulares en tándem, Scale-Adaptive Simulation (SAS), proximidad al suelo, interferencia de estela. Resumen. Este trabajo se enfoca en estudiar por medio de simulaciones numéricas el flujo alrededor de dos cilindros circulares en tándem considerando su proximidad con el suelo. Los cilindros se encuentran inmersos en un flujo con capa límite del suelo para un número de Reynolds subcrítico Re=10000. Para modelar el flujo turbulento tridimensional y dependiente del tiempo se utiliza el modelo de turbulencia SAS (Scale-Adaptive Simulation) por medio del código Fluent. La interferencia entre los cilindros y con el suelo se analiza para distintas separaciones entre cilindros y distintas proximidades con el suelo. Se examinan los coeficientes de sustentación, de arrastre, y el comportamiento del desprendimiento de vórtices. Los resultados son comparados con resultados de cilindros en tándem de ensayos experimentales y simulaciones numéricas disponibles en la literatura, como así también con el caso de un cilindro solo cercano al suelo.
Revista de la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Sep 30, 2018
Resumen-Se presenta un modelo cero dimensional para estimar la masa ablacionada y el impulso en p... more Resumen-Se presenta un modelo cero dimensional para estimar la masa ablacionada y el impulso en propulsores de plasma pulsantes ablativos de Teflón ® (PPPA), el cual es una modificación de modelos desarrollados con anterioridad. El modelo plantea el balance global de la energía, el cual considera la generación y transporte del pulso de corriente, la formación del arco, la disipación de energía por efecto Joule, la aceleración del plasma y la aceleración de los gases neutros. La ecuación resultante del balance de energía queda expresada en función de la masa ablacionada de Teflón ® y de los principales parámetros eléctricos y geométricos del propulsor. Una expresión explícita de la masa que se ablaciona se obtiene desde este balance. También, se lleva a cabo un estudio de sensibilidad del nuevo modelo respecto de variables tales como la resistividad y la emisividad del plasma en el arco. Se comparan los resultados numéricos con aquellos dados en la literatura especializada para distintos PPPA. Finalmente, se identifican las variables más relevantes respecto a la predicción de la masa ablacionada, el bit de impulso y el impulso específico.
Palabras claves: Magnetogasdinámica, problema de Riemann, esquema TVD Resumen. En este trabajo se... more Palabras claves: Magnetogasdinámica, problema de Riemann, esquema TVD Resumen. En este trabajo se presentan los resultados obtenidos mediante el uso de una metodología implementada para resolver numéricamente las ecuaciones de la magnetogasdinámica ideal tridimensional no estacionaria. Dicha metodología está basada en un método de alta resolución junto con un esquema "Total Variation Diminishing" (TVD) en un seguidor de Riemann aproximado. Se resuelve el problema del "tubo de choque" para un fluido conductor inmerso en un campo magnético. Los resultados obtenidos con un mallado de 200x70x70 se han comparado con aquellos realizados y validados en 2D para un mallado de 1000x350. Ambos resultados presentan grandes similutudes. Las pequeñas diferencias observadas se atribuyen a la diferencia de densidad de los mallados. Por esta razón se realiza posteriormente una comparación entre resultados 3D con cuatro densidades de mallado diferentes, observándose que las diferencias entre estos resultados concuerdan con las observadas entre los resultados anteriores.
Revista Internacional De Metodos Numericos Para Calculo Y Diseno En Ingenieria, 2001
A plastic constitutive relation is presented in this paper to model the steady-state flow of gran... more A plastic constitutive relation is presented in this paper to model the steady-state flow of granular solids. Two alternative ways are followed to formulate the new relation. In the first derivation one begins from a general constitutive equation for the flow of compressible granular materials with friction and collisions between particles, and introduce two assumptions (the material has incompressible behavior and the collisions between particles have a negligible effect on the stress tensor). The second derivation is obtained from the classical theory of non-associated plasticity. Modified Cap models are used as discontinuity function to represent the flow without changes in the density of the granular solids. For the plastic potential, the formulation uses the von Mises function and obtains the apparent viscosity of a non-newtonian fluid. The model is employed to simulate the discharge of silos and hoppers using a finite element formulation. Validation of the model was performed by comparison with experimental and analytical results published in the scientific literature. Finally, sensitivity of the solution has been computed to illustrate how changes in the geometry of the silo can modify the wall stresses and the rate of flow of the discharge.
Use of a conductive bare tape electrically floating in low Earth orbit as an effective electron b... more Use of a conductive bare tape electrically floating in low Earth orbit as an effective electron beam source to produce artificial auroral effects, free of problems that mar standard beams, is considered. Ambient ions impacting the tape with keV energies over most of its length liberate secondary electrons that race down the magnetic field, excite neutrals in the E layer, and result in auroral emissions. The tether would operate with both a power supply and a plasma contactor off at nighttime; power and contactor would be on at daytime for reboost. Tomographic analysis of auroral emissions from the footprint of the beam, as observed from the spacecraft, can provide density profiles of dominant neutral species in the E layer. A characteristic tether system, at altitude ~300 km and moderate orbital inclination, would involve an aluminum tape with a length of ~20 km, a width of ~15 mm, and a thickness of ~0.2 mm for a full-system mass around 1200 kg, with two thirds going into the power subsystem.
The electro-dynamical tethers emit waves in structured denominated Alfven wings. The Derivative N... more The electro-dynamical tethers emit waves in structured denominated Alfven wings. The Derivative Nonlineal Schrodinger Equation (DNLS) possesses the capacity to describe the propagation of circularly polarized Alfven waves of finite amplitude in cold plasmas. The DNLS equation is truncated to explore the coherent, wealdy nonlinear, cubic coupling of three waves near resonance, one wave being linearly unstable and the other waves damped. In this article is presented a theoretical and numerical analysis when the growth rate of the unstable wave is next to zero considering two damping models: Landau and resistive. The DNLS equation presents a chaotic dynamics when is consider only three wave truncation. The evolution to chaos possesses three routes: hard transition, period-doubling and intermittence of type I.
HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe), Nov 1, 2019
Resumen. La rápida liberación de energía asociada a procesos explosivos produce ondas de choque i... more Resumen. La rápida liberación de energía asociada a procesos explosivos produce ondas de choque intensas (blast waves). En este trabajo se explora las capacidades del software de libre distribución Open-FOAM, mediante el solver rhoCentralFoam, para el modelado de dichos procesos usando solamente conceptos de dinámica de gases. Con el objetivo de verificar el adecuado funcionamiento de las herramientas numéricas seleccionadas se realiza la simulación de la propagación de blast waves y se comparan los resultados numéricos con la solución clásica de Sedov para explosiones 2D (cilíndricas). Entre los parámetros característicos del proceso, evaluados para verificar los resultados numéricos, se consideran la posición y velocidad de la onda de choque generada en la explosión, y el salto y evolución de la presión detrás del choque.
partículas en un plasma no colisional, y provee una descripción cinética completa del plasma cuan... more partículas en un plasma no colisional, y provee una descripción cinética completa del plasma cuando la dinámica de las partículas está gobernada por interacciones electromagnéticas de largo alcance. Si los campos magnéticos auto generados y externos son despreciables, entonces la fuerza de Lorentz se debe sólo al campo eléctrico, el cual puede computarse a partir de la ecuación de Poisson en el caso no relativista. En este artículo, se presentan discretizaciones de segundo orden, basadas en diferencias finitas y en volúmenes finitos, para la resolución del sistema Vlasov-Poisson sobre un espacio de fases bidimensional. La precisión de los esquemas se evalúa y compara a través del problema de pruebas clásico del amortiguamiento de Landau. Además, son examinadas algunas propiedades de conservación importantes del sistema Vlasov-Poisson, como el principio del máximo y la conservación de momentos de la función de distribución.
A plasma thruster is being developed in Córdoba, Argentina and local researchers are developing t... more A plasma thruster is being developed in Córdoba, Argentina and local researchers are developing theoretical models and scientific software to solve the magnetogasdynamics (MGD) equations. Computational MGD represents one of the most promising interdisciplinary computational technologies for aerospace design. For ideal MGD the numerical simulations are a very important tool, by reducing expensive, and sometimes unviable, experimental parametric studies. However, the numerical simulations always are limited by the ability to analyze and to solve accurately the hyperbolic non-linear differential equations system. In this work is presented a modification of the original Harten and Yee TVD scheme by incorporating a new sonic fix for the acoustic causality points using the finite volume technique. The proposed sonic fix is implemented to solve the transient, twodimensional ideal MGD equations. Two test cases were simulated: MGD Riemann problem and the Hartmann flow. The numerical results obtained using the new sonic fix have shown to reduce the oscillations and to be robust.
Resumen. Una de las principales causas de falla estructural en los tanques de almacenamiento de l... more Resumen. Una de las principales causas de falla estructural en los tanques de almacenamiento de líquidos de forma cilíndrica y baja altura se debe a la acción que el viento ejerce sobre ellos. La información de los esfuerzos generados por presiones de viento es de importancia en el diseño y optimización estructural de los mismos. La influencia de la forma del techo de los tanques es un factor de importancia en estas distribuciones de presión, principalmente en aglomeraciones de tanques de diferentes geometrías, distribuciones típicas en destilerías. En este trabajo se presenta un análisis numérico por medio de dinámica computacional de fluidos (CFD), del efecto de la interferencia en el flujo de viento de un tanque ubicado por delante de otro a una distancia relativamente corta (1D), para una escala aproximada de 1:85. En dicho análisis se ha utilizado el software de código libre OpenFOAM, que implementa el método de volúmenes finitos. El solver empleado es el algoritmo SIMPLE (Semi Implicit Method for Pressure Linked Equations) acoplado a un modelo de turbulencia tipo RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes), aplicados sobre mallas no estructuradas. Los resultados numéricos son validados mediante comparación con datos experimentales en modelos equivalentes. Finalmente se estudia la influencia de diferentes combinaciones de techos de tanques en la distribución de presiones sobre el tanque ubicado por detrás del arreglo.
Palabras Clave: solver de Riemann, ecuaciones de Euler, esquema TVD, flujo supersónico, volúmenes... more Palabras Clave: solver de Riemann, ecuaciones de Euler, esquema TVD, flujo supersónico, volúmenes finitos. Resumen. Se presenta en este trabajo un análisis numérico por medio de volúmenes finitos en casos de aplicacion aeroespacial. El estudio se realiza mediante el uso de un código desarrollado en la UNC con el auspicio de la UNC y de CONICET. El mencionado código permite simular flujos supersónicos inestacionarios y estacionarios utilizando la técnica de volúmenes finitos. Usa mallas no estructuradas en geometrías tridimensionales. En el código se ha implementado una nueva técnica numérica que permite reducir la viscosidad artificial sin que el esquema "Total Variation Diminishing-TVD" pierda robustez. Para verificar el desempeño del esquema numérico se modelan cuatro casos; un tubo de choque, un flujo supersónico que llega a una cuña, el flujo en el interior de un difusor y el flujo alrededor del Ala ONERA M6 transónica con la finalidad de verificar la capacidad del método para capturar discontinuidades, así como las condiciones del flujo consiguiéndose resultados satisfactorios y concordantes a los alcanzados por otros miembros de la comunidad científica.
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Papers by Sergio Elaskar