Análise de segunda lei de um sistema de resfriamento regenerativo para um motor scramjet
Autor
Marco Antônio Esteves dos Santos
Orientador
- Orientador Guilherme Borges Ribeiro
Área de Concentração
Propulsão Aeroespacial e Energia
Data de Defesa
12/12/2023
Número da Tese
79603
Resumo
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.
