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/LH2. A técnica mais utilizada para refrigerar motores-foguetes 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.

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.

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

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.

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/LH2, de gás compressível viscoso, multiespécie, com troca de calor (código RHG1D).

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.

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.

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/LH2 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/LH2 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.

Cronograma Meta Etapa Atividade 2005 2006 4º 1º 2º 3º 1 Escoamento 1D Reativo 1a Código RHG1D, versão 3.0. 1b Código RHG1D, versão 4.0 2 Escoamento 2D Monoespécie 2a Código MACH2D, versão 5.0. 2b Código MACH2D, versão 6.0. 3 Escoamento 2D Reativo 3a Código RHG2D, versão 1.0 3b Código RHG2D, versão 2.0 3c Código RHG2D, versão 3.0

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/LH2.

Referências Bibliográficas FRÖHLICH, A.; POPP, M.; SCHMIDT, G.; THELEMANN, D. “Heat transfer characteristics of H2/O2 – combustion chambers”. In: 29th 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.