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Enregistrement W7149212418

Computational Fluid Dynamics Analysis and Optimisation of Laval Nozzles for Low Temperature Kinetics

2025· other· W7149212418 sur OpenAlexaboutno aff
Luke Driver

Notice bibliographique

RevueWhite Rose eTheses Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York) · 2025
Typeother
Langue
Domaine
Thématique
Établissements canadiensnon disponible
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésNozzleSupersonic speedComputational fluid dynamicsExperimental dataChoked flowKinetic energyRobustness (evolution)Jet (fluid)Flow (mathematics)
DOInon disponible

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

CRESU (“Cinétique de Réaction en Écoulement") is an experimental approach used to investigate gas phase reaction kinetics and is employed by research groups worldwide.~This technique is used to study the temperature and pressure dependence of the reaction rate coefficient of reaction pathways that occur in low-temperature (7 - 200 K) environments, such as the interstellar media or planetary atmospheres. Reactions at low temperatures can exhibit non-Arrhenius behaviour and are pathways to complex organic molecules, which are fundamental in understanding and modelling the chemical evolution of the universe. Experimentally, low temperatures are achieved by expanding an inert bath gas through a Laval nozzle to form a thermalized, collimated supersonic jet, which is coupled with laser spectroscopy systems to study reaction kinetics. Laval nozzles used in CRESU have been designed exclusively using an analytical technique known as the Method of Characteristics (MOC) since its early development. Nozzles designed using this approach can struggle to operate at the correct design temperature and achieve the flow uniformity necessary for accurate kinetic studies. It often requires multiple design iterations to produce a suitable nozzle design, which is time consuming, tedious and inefficient. Furthermore, it requires the nozzle to be manufactured and tested experimentally before performance can be determined. The first part of this research investigates computational modelling techniques to predict low-temperature, low-pressure supersonic jets used in CRESU, focusing on model choice, boundary condition sensitivity, unsteady jet behaviour, manufacturing techniques and influence of experimental geometry to illustrate robustness in model choices. The numerical predictions are validated using two different experimental apparatuses from research groups at the University of Leeds and the University of Birmingham. To improve the current MOC nozzle design workflow, an automation framework was developed to rapidly perform Computational Fluid Dynamics (CFD) on any Laval nozzle, with the ability to change nozzle geometry, operating conditions and bath gas. The toolbox has been rigorously tested with experimental data across a range of Mach numbers and bath gases, showing steady state CFD can be used to accurately predict global jet quantities within 5 - 10 K of experimental measurements. The second part of this research involves using CFD based data driven optimisation techniques instead of the MOC to improve Laval nozzle design for kinetics. This study details the development of a novel global design optimisation framework that utilises a free form design approach for the Laval nozzle, and a novel technique to obtain the isentropic core length.~The optimisation framework uses surrogate modelling techniques, including Kriging and neural networks, coupled with exploratory adaptive sampling to generate robust and globally accurate predictive meta models. The framework has been used to design Laval nozzles between 70 - 130 K, which were validated experimentally, providing up to a 75\% improvement in flow uniformity compared to the existing MOC nozzles for the same operating temperature. The framework has also been used to deigns nozzles operating at higher temperatures than previously achieved in these groups. Lastly, CFD is used to enhance chemical kinetic studies, this includes understanding the blockage effect of a Pitot tube in the flow, which is used to evaluate jet performance experimentally, improving pressure dependent kinetics, and understanding the temperature history of the reactants along the jet during a kinetic study to investigate the impact of the boundary layer on kinetic measurements. This highlights the usefulness of incorporating CFD into the CRESU workflow, and future applications of CFD within the field.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,002
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Méthodes · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,009
Score d'incertitude au seuil0,017

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,002
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,000
Études des sciences et des technologies0,0010,001
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0020,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,009
Tête enseignante GPT0,203
Écart entre enseignants0,194 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreMéthodes

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2025
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