Simulação de fluxo dentro de um motor estato-reator

Trabalho de Conclusão de Curso (graduação)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, 2021.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.Numerical simulation makes an essential part of aerospace system development. This work presents both analytical and numerical simulations of a liquid-fuel ramjet engine developed at the Chemical Propulsion Laboratory (CPL) of the University of Brasilia (UnB) to aid its design and safety for future hot tests. The current study is an inter- mediate step between cold-flow experimental analysis and hot tests. The test facility comprises a connected pipe test bench with a heater simulating the diffuser flow. The test bench’s primary objective is to study the ramjet combustion chamber performance and the cooling wall effect provided by the presence of the flame holders. The analyti- cal model utilizes classical equations to calculate the thermodynamic cycle. Propane-air non-premixed combustion was studied to estimate the temperature in the heater and combustion chamber. Computational fluid dynamics (CFD) analysis with ANSYS Fluent provided the engine’s flow simulation. Transient time-averaged Navier-Stokes equations in two-dimensional form describe flow behavior. The non-premixed model based on the GriMech combustion mechanism describes chemical transformations in the system. The k-ε Realizable model of turbulence takes into account viscous effects and gas-wall inter- actions. The computational domain includes the heater, combustion chamber, and nozzle volumes. Implementation of the structured mesh and mesh sensitivity analysis yielded optimal simulation accuracy and time. Setup of the boundary conditions used previously determined limits of propellants’ fluxes by cold tests. The numerical simulation allowed to study of motor performance in three flight conditions at Mach number ranging from 2.5 to 3.0 and altitudes ranging from 14 km to 18 km. The validation of the simulation results to analytical and numerical ones presented an acceptable level of data conformity. As a main result, CFD simulations proved the ramjet wall cooling concept with an efficient flame holder and separator. Consequently, more advanced simulations will be provided in the future to study flame propagation, the formation of hot zones, and transient effects in the combustion chamber. With these studies, simulation analysis will conclude with recommendations for experimental test execution