Investigação numérica do escoamento no interior de uma bancada de testes piloto de combustores supersônicos
Author
Taiana Michel Carvallo Cortés
Advisors
- Advisor Guilherme Borges Ribeiro
- Co-advisor Valéria Serrano Faillace Oliveira Leite
Concentration Area
Propulsão Espacial e Hipersônica
Program
Ciências e Tecnologias Espaciais
Defense Date
10/01/2022
Thesis Number
78206
Abstract
A Bancada de Testes de Combustores Supersônicos (BTCS) é um equipamento de ensaios em solo que gera/simula as mesmas condições do escoamento na entrada do combustor de um scramjet (supersonic combustion ramjet) em um voo real, sendo que esta bancada é usada basicamente para o estudo da combustão supersônica. O escoamento no interior do combustor possui temperaturas elevadas e velocidades com número de Mach em torno de 2,5, sendo assim a bancada de testes é composta basicamente de uma câmara de combustão, ou Gerador de Ar Viciado (GAV), que serve para aquecer o ar, acoplado a um bocal supersônico que acelera este ar aquecido até a velocidade de teste desejada. Na BTCS do Instituto de Estudos Avançados (IEAv), o ar é aquecido por combustão, utilizando o combustível GNV (Gás Natural Veicular), sendo assim o ar é enriquecido com oxigênio na entrada da bancada para repor o que será consumido durante este processo de aquecimento. Isto deve ser feito, uma vez que o escoamento na saída da bancada deve ter o mesmo teor de O2 do ar em um voo real igual a 21%. Para se obter um funcionamento eficiente da BTCS, um dos principais problemas a ser resolvidos é achar a relação entre as condições de temperatura, velocidade e teor de oxigênio do escoamento de teste, na saída da BTCS, e as vazões dos reagentes (ar, GNV e oxigênio) na entrada da mesma. Para isto devem ser estudadas várias razões de equivalência e vazões mássicas dos reagentes, que participam processo de combustão no interior do GAV, como também o comportamento do escoamento ao longo do bocal, considerando o escoamento principalmente a quente, tanto caloricamente perfeito quanto em equilíbrio. Com isso espera-se conseguir controlar as condições desejadas do escoamento de teste, através simplesmente da manipulação das vazões dos reagentes. Assim, o objetivo principal do presente trabalho de pesquisa, aqui proposto, foi avaliar numericamente o comportamento do escoamento ao longo de toda a bancada de testes, através do estudo/pesquisa acima citada. Inicialmente foi feito o cálculo das condições do escoamento a frio utilizando o software Fluent, para comparar os valores calculados com dados experimentais obtidos anteriormente, e assim validar o método, e depois foi aplicada a mesma metodologia para o estudo/cálculo do escoamento a quente. Os estudos deste trabalho foram feitos utilizando a BTCS piloto do IEAv, sendo que os resultados obtidos aqui auxiliarão também na montagem da BTCS principal definitiva, que já está pronta aguardando a construção do laboratório onde ela foi instalada, sendo que tanto a bancada piloto quanto a definitiva serão usadas para as pesquisas experimentais da combustão supersônica, necessárias para o desenvolvimento do veículo demonstrador hipersônico 14X, que está sendo desenvolvido do IEAv.
