PG-EAM - Graduate Program in Aeronautical and Mechanical Engineering
PT EN
Master's Dissertation PG-CTE 2022

Investigação numérica do escoamento no interior de uma bancada de testes piloto de combustores supersônicos

Author

Taiana Michel Carvallo Cortés

Advisors

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.

Keywords

Análise numérica Bancos de ensaios Combustão supersônica Simulação computadorizada Motores de combustão interna Mecânica dos fluidos Termodinâmica Física