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Simulação Numérica de Escoamento Reativo em Motor-Foguete Doutorando: Luciano Kiyoshi Araki (PPGMNE) Orientador: Carlos Henrique Marchi, D. Eng.

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1 Simulação Numérica de Escoamento Reativo em Motor-Foguete Doutorando: Luciano Kiyoshi Araki (PPGMNE) Orientador: Carlos Henrique Marchi, D. Eng.

2 Introdução Foguetes a propelente líquido são o principal sistema de propulsão espacial. O sistema LOX/LH 2 é o mais utilizado para alta performance e deve continuar a sê-lo pelas próximas décadas (Haidn e Habiballah, 2003). A técnica mais utilizada para refrigerar motores- foguetes de grandes dimensões (Ariane V, Discovery) a propelente líquido de alta pressão é a regenerativa.

3 Objetivos Implementação de códigos computacionais para resolver escoamento reativos em motores- foguetes, com refrigeração regenerativa, operando com o sistema LOX/LH 2. Avaliação do empuxo, da temperatura máxima e da queda de pressão de refrigerante. Análise de erros numéricos.

4 Motor Vulcain (Ariane V) Empuxo (nível do mar): kN. Temperatura da parede: 750 K. Câmara de combustão: temperatura de K e pressão de 100 bar. Fluxo de calor (garganta): 60 MW/m 2. Canais: podem chegar a 360; altura de 9,5 a 12 mm e largura de 1,3 a 2,6 mm.

5 Motivação Temperaturas elevadas em gases: dissociação (e até ionização) tornam-se relevantes. Modelos de até 8 espécies (H 2, O 2, H 2 O, OH, H, O, HO 2, H 2 O 2 ) e 18 reações. Os atuais foguetes não resistem à aplicação de cargas cíclicas térmicas e mecânicas. Necessidade de foguetes reutilizáveis (Kuhl et al., 1998).

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

7 Metodologia Volumes Finitos. Funções de interpolação de segunda ordem, co- localizado. Técnica multimalhas (multigrid). Modelos de turbulência para baixo Reynolds (k para baixo Reynolds). Equilíbrio e desequilíbrio químico.

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

9 Objetivos futuros Simulação de problemas acadêmicos e existentes na literatura (para o par propelente LOX/LH 2, para validação dos programas implementados. Estudo de erros numéricos para verificação de resultados aparentemente contraditórios encontrados na literatura. Avaliação de propriedades térmicas e de escoamento para o sistema querosene-oxigênio e comparação com dados experimentais a serem medidos.


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