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Simulação Numérica de Escoamento Reativo em Motor- Foguete com Refrigeração Regenerativa Carlos Henrique Marchi (UFPR, gerente do projeto) Luciano Kiyoshi.

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1 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)

2 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 motores- foguetes 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.

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

5 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.

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).

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 Metodologia Estudo do escoamento 1D, reativo: Etapa 1a: 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 RHG1D).

10 Metodologia Estudo do escoamento 1D, reativo: Etapa 1b: Incluir um solver multimalhas geométrico ao código RHG1D, 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.

11 Metodologia Estudo do escoamento 2D, monoespécie: Etapa 2a: Geração do código MACH2D, 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 2b: Inclusão do modelo de turbulência k-ε de baixo Reynolds ao código MACH2D, versão 5.0, gerando a versão 6.0.

12 Metodologia Estudo do escoamento 2D reativo: Etapa 3a: Geração do código RHG2D, versão 1.0, com a inclusão de escoamento multiespécie congelado para o propelente LOX/LH 2 ao código MACH2D, versão 6.0. Etapa 3b: Geração da versão 2.0 do código RHG2D, com a inclusão de escoamento reativo em equilíbrio químico para o propelente LOX/LH 2 à versão 1.0. Etapa 3c: Inclusão de escoamento reativo com taxa finita de reação para o propelente LOX/LH2 ao código RHG2D, versão 2.0, gerando a versão 3.0.

13 Cronograma MetaEtapaAtividade º1º2º3º4º1º2º3º 1 Escoamento 1D Reativo 1a Código RHG1D, versão b Código RHG1D, versão Escoamento 2D Monoespécie 2a Código MACH2D, versão b Código MACH2D, versão Escoamento 2D Reativo 3a Código RHG2D, versão 1.0 3b Código RHG2D, versão 2.0 3c Código RHG2D, versão 3.0

14 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;

15 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.

16 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, AIAA paper 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 , 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, 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, 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 , 2004.


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