Simulao Numrica de Escoamento Reativo em Motor Foguete

Simulação Numérica de Escoamento Reativo em Motor. Foguete com Refrigeração Regenerativa Carlos Henrique Marchi (UFPR, gerente do projeto) Luciano Kiyoshi Araki (UFPR) Fernando Laroca Márcio Augusto Villela Pinto (UEPG) Fábio Alencar Schneider (UNICENP)

Introdução • Foguetes a propelente líquido são o principal sistema de propulsão espacial. • Um dos pares propelentes utilizado é o sistema LOX/LH 2. • A técnica mais utilizada para refrigerar motoresfoguetes a propelente líquido de alta pressão é a regenerativa.

Objetivos • Implementação de códigos computacionais para resolver escoamento reativos em motores-foguetes, com refrigeração regenerativa, operando com o sistema LOX/LH 2.

Objetivos 1. Avaliação dos efeitos sobre o empuxo, a temperatura máxima e a queda de pressão de refrigerante causados por: 2. geometria da tubeira; 3. pressão de combustão; 4. propriedades termofísicas e de transporte constantes ou variáveis; 5. radiação térmica; 6. modelos unidimensionais e bidimensionais; 7. fluido invíscido, viscoso laminar e turbulento; 8. número de reações químicas 9. condição de contorno na superfície da parede dos gases quentes; 10. número de nós das malhas usadas.

Problema Divisão do problema em três subproblemas: • Câmara-Tubeira: Escoamento reativo, turbulento de gases num motor-foguete. • Paredes: Condução de calor através das mesmas entre os gases de combustão e o fluido refrigerante. • Canais: Escoamento turbulento do fluido refrigerante nos canais ao redor da tubeira.

Figura 1: Motor-foguete bipropelente com refrigeração regenerativa. Fonte: Marchi et al. , Solução Numérica de Escoamentos em Motor-Foguete com Refrigeração Regenerativa, XXI Cilamce.

Metodologia • Volumes Finitos. • Funções de interpolação de segunda ordem, colocalizado. • Técnica multimalhas (multigrid). • Modelos de turbulência para baixo Reynolds (k- para baixo Reynolds).

Metodologia • Estudo do escoamento 1 D, reativo: Escoamento quase-unidimensional subsônico a supersônico, compressível, com taxa finita de reação. • Estudo do escoamento 2 D, monoespécie: Escoamento bidimensional, não-reativo, para estudo de efeitos viscosos. • Estudo do escoamento 2 D reativo: Escoamento bidimensional completo.

Metodologia Ø Estudo do escoamento 1 D, reativo: • Etapa 1 a: Escoamento unidimensional subsônico a supersônico, em bocal convergente-divergente, congelado, reativo em equilíbrio químico e reativo com taxa finita de reação para o propelente LOX/LH 2, de gás compressível viscoso, multiespécie, com troca de calor (código RHG 1 D).

Metodologia Ø Estudo do escoamento 1 D, reativo: • Etapa 1 b: Incluir um solver multimalhas geométrico ao código RHG 1 D, versão 3. 0, gerando a versão 4. 0, de modo a ser possível a obtenção de soluções numéricas em malhas extremamente refinadas para estimativas confiáveis do erro numérico das variáveis de interesse.

Metodologia Ø Estudo do escoamento 2 D, monoespécie: • Etapa 2 a: Geração do código MACH 2 D, versão 5. 0, com as seguintes inclusões à versão 4. 0: aproximações numéricas de 2ª ordem de acurácia, “solver” multimalhas geométrico e acoplamento aos códigos que resolvem os problemas unidimensionais das paredes e canais. • Etapa 2 b: Inclusão do modelo de turbulência k-ε de baixo Reynolds ao código MACH 2 D, versão 5. 0, gerando a versão 6. 0.

Metodologia Ø Estudo do escoamento 2 D reativo: • Etapa 3 a: Geração do código RHG 2 D, versão 1. 0, com a inclusão de escoamento multiespécie congelado para o propelente LOX/LH 2 ao código MACH 2 D, versão 6. 0. • Etapa 3 b: Geração da versão 2. 0 do código RHG 2 D, com a inclusão de escoamento reativo em equilíbrio químico para o propelente LOX/LH 2 à versão 1. 0. • Etapa 3 c: Inclusão de escoamento reativo com taxa finita de reação para o propelente LOX/LH 2 ao código RHG 2 D, versão 2. 0, gerando a versão 3. 0.

Cronograma Meta Etapa Atividade Escoamento 1 D Reativo 1 1 a Código RHG 1 D, versão 3. 0. 1 b Código RHG 1 D, versão 4. 0 Escoamento 2 D Monoespécie 2 2 a Código MACH 2 D, versão 5. 0. 2 b Código MACH 2 D, versão 6. 0. Escoamento 2 D Reativo 3 3 a Código RHG 2 D, versão 1. 0 3 b Código RHG 2 D, versão 2. 0 3 c Código RHG 2 D, versão 3. 0 2005 2006 4º 1º 2º 3º

Resultados Esperados • Disponibilizar através da internet, gratuitamente aos interessados, bem como à AEB, ao INPE e ao CTA, os códigos fonte e executáveis de todos os códigos computacionais implementados; • Ter publicado ou submetido para publicação ao menos 3 artigos em revistas científicas internacionais para divulgar a pesquisa realizada; • Editar relatórios técnicos descrevendo em detalhes a pesquisa realizada;

Resultados Esperados • Aumentar a complexidade dos problemas possíveis de serem resolvidos pelo grupo de pesquisa; • Possibilitar a 3 doutorandos uma aplicação relevante para suas teses; • Aumentar a capacitação nacional na simulação de escoamentos reativos em motores-foguete, com refrigeração regenerativa, operando com o sistema LOX/LH 2.

Referências Bibliográficas FRÖHLICH, A. ; POPP, M. ; SCHMIDT, G. ; THELEMANN, D. “Heat transfer characteristics of H 2/O 2 – combustion chambers”. In: 29 th JOINT PROPULSION CONFERENCE. Proceedings … Monterey, 1993. AIAA paper 93 -1826. HABIBALLAH, M. ; VINGERT, L. ; DUTHOIT, V. ; VUILLERMOZ, P. “Research as a key in the design methodology of liquid-propellant combustion devices”. Journal of Propulsion and Power, v. 14, n. 5, pp. 782 -788, 1998. LAROCA, F. Solução de escoamentos reativos em bocais de expansão usando o método dos volumes finitos. Dissertação de mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil, 2000. LAROCA, F. ; MARCHI, C. H. ; SILVA, A. F. C. da; HINCKEL, J. N. “Simulação de escoamentos quase-unidimensionais e reativos em bocais do tipo convergente-divergente”, In: CONGRESSO IBERO LATINO-AMERICANO DE MÉTODOS COMPUTACIONAIS EM ENGENHARIA. Anais. . . Rio de Janeiro, 2000. MARCHI, C. H. ; LAROCA, F. ; SILVA, A. F. C. da; HINCKEL, J. N. “Numerical solutions of flows in rocket engines with regenerative cooling”. Numerical Heat Transfer, Part A, v. 45, pp. 699 -717, 2004.