PG-EAM - Graduate Program in Aeronautical and Mechanical Engineering
PT EN
Master's Dissertation 2021

Estudo paramétrico de jatos turbulentos aquecidos em escoamento cruzado

Author

Kelvin Cristofalo de Morais

Advisor

Concentration Area

Projeto Aeronáutico, Estruturas e Sistemas Aeroespaciais

Defense Date

10/12/2021

Thesis Number

78201

Abstract

No setor aeronáutico, é comum que saídas de ar de sistemas operem com ar quente. O projeto destes componentes deve ser realizado minimizando os efeitos térmicos na superfície da aeronave e garantindo perdas de carga aceitáveis para o funcionamento adequado do sistema. Apesar destes componentes serem frequentes, há poucos estudos na literatura que ajudam a embasar o projeto preliminar. Este trabalho consiste no estudo paramétrico de instalação de uma saída de ar quente sobre uma placa plana. A saída de ar consiste em um duto que descarrega ar quente sobre o domínio da placa plana, onde há um escoamento de camada limite externo turbulento. O objetivo do trabalho é entender como alguns parâmetros da instalação modificam a posição da pluma de ar quente formada pela exaustão do escoamento interno, com foco na temperatura da placa plana. Além disso, entender como a perda de carga do sistema é modificada em função destes parâmetros. O estudo é realizado de maneira numérica, utilizando o método de CFD baseado nas equações médias de Navier-Stokes com média de Reynolds (RANS) para simular a interação entre o escoamento interno e externo conforme eles se misturam ao longo da placa plana. Inicialmente, o modelo CFD é validado através de um estudo de refinamento de malha e de comparações com dados experimentais, comparando o efeito de quatro modelos de turbulência na solução numérica. Com o método de simulação numérica validado, o estudo paramétrico é desenvolvido em condições de operação próximas de aplicações aeronáuticas. São avaliados os efeitos do formato e alongamento do duto, da posição de instalação do duto na aeronave e do ângulo de alinhamento do duto em relação ao escoamento externo. Os resultados numéricos mostram que o aquecimento da superfície da placa plana é reduzido quando a saída de ar apresenta seção transversal quadrada e alongada na direção do escoamento externo. Instalações em posições posteriores da aeronave e com maior ângulo de desalinhamento em relação ao escoamento externo também promovem redução no aquecimento da placa plana. Do ponto de vista de perda de carga, é preferível saídas de ar circulares, alongadas na direção do escoamento externo, instaladas em posições posteriores e com ângulo de inclinação mais alinhado com o escoamento externo.

Keywords

Dinâmica dos fluidos computacional Escoamento turbulento Mecânica dos fluidos Física