PG-EAM - Graduate Program in Aeronautical and Mechanical Engineering
PT EN
Master's Dissertation 2023

Análise de segunda lei de um sistema de resfriamento regenerativo para um motor scramjet

Author

Marco Antônio Esteves dos Santos

Concentration Area

Propulsão Aeroespacial e Energia

Defense Date

12/12/2023

Thesis Number

79603

Abstract

O crescente interesse em sistemas de propulsão hipersônica tem impulsionado significativamente o desenvolvimento no setor aeroespacial. Este estudo aborda o desafio de mitigar o superaquecimento em motores scramjet por meio do resfriamento regenerativo. O foco principal está na aplicação de perfis de canais para reduzir as altas temperaturas entre o bordo de ataque e as rampas do motor scramjet, utilizando hidrogênio como fluido refrigerante. Os motores scramjet, operando em velocidades hipersônicas e alimentados por oxigênio atmosférico, enfrentam condições extremas devido a processos termodinâmicos e aerodinâmicos. Essas condições resultam em temperaturas elevadas nas partes internas do motor, causando desgaste e deterioração que afetam o desempenho e a vida útil. A proposta de resfriamento regenerativo busca dissipar o calor excessivo por meio da implementação de microcanais acoplados na parede interna do motor. Esses microcanais terão um formato retangular, com dimensões de 2x2mm, 2x3mm, 2x4mm e 2x5mm. A análise será realizada, variando o perfil geométrico do canal, considerando diferentes altitudes e números de Mach. O estudo conduz análises termo-hidráulicas, utilizando simulações através do CFD e aplicando um modelamento numérico. A integração entre CFD e modelo numérico possibilitará a determinação da vazão mínima, baseada no cálculo da geração de entropia. Esse processo estabelece a taxa mínima de fluxo necessário para assegurar um nível específico de eficiência ou condição no sistema. A implementação da geometria específica do canal é considerada uma estratégia crucial para reduzir as temperaturas extremas e, consequentemente, melhorar o desempenho e prolongar a vida útil do motor scramjet. A escolha de utilizar uma vazão menor foi feita para ilustrar uma situação na qual o uso do hidrogênio para o resfriamento da estrutura do motor é praticamente insignificante. A análise foi conduzida para uma altitude de 30 km e Mach 7, com uma vazão de 0,0002 kg/s, visando apresentar o comportamento da temperatura ao longo das iterações. Os resultados apresentados destacaram que, para cada combinação de altitude e número de Mach, a vazão mínima necessária no sistema variou em cada caso estudado. O menor valor de vazão obtido foi de 0,030 kg/s para uma altitude de 20 km e Mach 5, com uma taxa de geração de entropia de 1,40322 W/K. Por outro lado, o maior valor de vazão entre os casos foi de 0,060 kg/s para um perfil 2x4, com uma altitude de 25 km e Mach 6, apresentando uma taxa de geração de entropia de 1,09766 W/K. Essa abordagem permitiu uma análise eficiente e precisa das condições de operação do motor scramjet em diferentes cenários geométricos. Estabeleceu-se, assim, uma relação precisa entre o escoamento, a entropia e o perfil do canal, levando em consideração as limitações computacionais, garantindo a integridade e a validade dos resultados obtidos.

Keywords

Resfriamento Sistemas de propulsão Motores de combustão interna Dinâmica dos fluidos computacional Número de Mach Hidrogênio Engenharia mecânica