Simulação de fluxo dentro de um motor estato-reator

Abstract

Simulações numéricas fazem um papel essencial no desenvolvimento dos sistemas aero- espaciais. O presente trabalho apresenta tanto um modelo analítico quanto simulações

numéricas de um motor ramjet com reagentes líquidos montado no Laboratório de Pro- pulsão Química (CPL) da Universidade de Brasília (UnB) que possuem como objetivo

auxiliar o design e segurança para futuros testes quentes do mesmo. Este trabalho é um passo intermediário entre a análise experimental a frio e testes quentes. As instalações de

ensaio são compostas de uma bancada de testes do tipo "conected-pipe" com um aque- cedor utilizado para simular o fluxo através do difusor. O objetivo primário da bancada

de testes é estudar a performance da câmara de combustão do motor, como também o

efeito de resfriamento das paredes devido a presença dos ancoradores de chama. O mo- delo analítico utiliza equações clássicas para calcular o ciclo termodinâmico. A combustão

sem pré mistura de propano-ar foi estudada para estimar a temperatura no aquecedor e na câmara de combustão. Análises com a fluidodinâmica computacional (CFD) feitas através do ANSYS Fluent providenciaram a simulação do fluxo no motor. As equações transientes com médias de tempo de Navier-Stokes na forma bidimensional descrevem o

comportamento do fluxo. O modelo sem pré mistura baseado no mecanismo de combus- tão GriMech descrevem as transformações químicas no sistema. O modelo de turbulência

k − ε Realizable levam as considerações dos efeitos viscosos e das interações gás-paredes.

O domínio computacional inclui o volume do aquecedor, da câmara de combustão e do bo- cal. A implementação da malha estruturada e da análise de sensibilidade de malha foram

utilizadas para otimizar a acurácia e o tempo da simulação. Os valores iniciais das condi- ções de contorno foram obtidos através de dados dos limites dos propelentes determinados

pelos testes à frio. As simulações numéricas possibilitaram o estudo da performance do motor em três condições de voo com o número de Mach variando de 2,5 a 3,0 e altitudes variando de 14 km a 18 km. A validação dos resultados da simulação com os dos modelos analíticos e numéricos apresentaram níveis aceitáveis de conformidade. Como resultado principal, as simulações em CFD provaram o conceito de resfriamento das paredes do ramjet com um ancorador de chama e separador eficiente. Consequentemente, simulações mais avançadas irão prover, no futuro, o estudo de propagação de chama, formação de zonas quentes e efeitos transientes na câmara de combustão. Com esses estudos, a análise em CFD será concluída com recomendações para a realização de testes experimentais.