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

Introdução Foguetes a propelente líquido são o principal sistema de propulsão espacial. O sistema LOX/LH2 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.

Objetivos Implementação de códigos computacionais para resolver escoamento reativos em motores-foguetes, com refrigeração regenerativa, operando com o sistema LOX/LH2. Avaliação do empuxo, da temperatura máxima e da queda de pressão de refrigerante. Análise de erros numéricos.

Motor Vulcain (Ariane V) Empuxo (nível do mar): 1.007 kN. Temperatura da parede: 750 K. Câmara de combustão: temperatura de 3.500 K e pressão de 100 bar. Fluxo de calor (garganta): 60 MW/m2. Canais: podem chegar a 360; altura de 9,5 a 12 mm e largura de 1,3 a 2,6 mm.

Motivação Temperaturas elevadas em gases: dissociação (e até ionização) tornam-se relevantes. Modelos de até 8 espécies (H2, O2, H2O, OH, H, O, HO2, H2O2) e 18 reações. Os atuais foguetes não resistem à aplicação de cargas cíclicas térmicas e mecânicas. Necessidade de foguetes reutilizáveis (Kuhl et al., 1998).

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, co-localizado. Técnica multimalhas (multigrid). Modelos de turbulência para baixo Reynolds (k- para baixo Reynolds). Equilíbrio e desequilíbrio químico.

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.

Objetivos futuros Simulação de problemas acadêmicos e existentes na literatura (para o par propelente LOX/LH2, 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.