Design of a Converging-Diverging nozzle for High-Power M Range Level 3 experimental solid rocket motors by Computational Fluid Dynamics method

En este trabajo se presenta el diseño y la validación de una tobera convergente-divergente (CD) mediante Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), utilizando un perfil tipo parabólico dimensionado con los métodos de Witoszynski y Rao. La geometría obtenida mostró un incremento del 2,5% en la eficiencia propulsiva respecto a una tobera cónica y permitió una reducción del 20% en la longitud de la zona divergente. Esta disminución se traduce en una menor masa estructural, lo que puede representar un aumento en la carga útil o en el alcance del sistema, pese a los retos que implica su fabricación. El modelo de turbulencia SST k-ω fue seleccionado tras reproducir numéricamente datos disponibles en la literatura, al mostrar un mejor ajuste para representar el comportamiento del flujo en condiciones de transición de régimen, ondas de choque y variaciones de presión y densidad dentro de la tobera. Al comparar los resultados obtenidos con los datos experimentales, se identificó una anticipación en la predicción de las estructuras de choque en condiciones de sobreexpansión, lo cual pone en evidencia limitaciones asociadas al uso del modelo RANS. El diseño fue concebido para su implementación en un motor cohete experimental de propelente sólido de alta potencia, clasificado en el rango M, nivel 3, con un empuje de hasta 2500 [N]. La validación numérica se realizó mediante simulaciones en ANSYS Fluent, utilizando una malla estructurada y condiciones de contorno representativas del caso de estudio.